CN111872516B - 一种管道环焊缝强度匹配的焊接材料选择方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种管道环焊缝强度匹配的焊接材料选择方法，包括收集钢管纵向拉伸强度数据、正态分布统计、根据3σ准则确定钢管最大纵向拉伸强度Rm、确定焊接接头强度匹配系数、计算所需焊材强度等级、选择满足要求的焊接材料并焊接纵向强度为Rm的钢管、采用圆棒试样测试焊接接头拉伸强度Rt、若Rt≥Rm，则根据焊接工艺评定试验结果制定焊接工艺规程；否则，重新选择焊接材料再焊接并测试，直至满足管道环焊缝强度匹配要求。本发明能够确保管道环焊缝实际强度高于管体纵向强度，避免了原有采用标准规定的钢管周向最小拉伸强度来选择焊接材料所导致的环焊缝实际强度低于钢管纵向强度，极大降低了管道环焊缝断裂事故的发生，保障了管道安全运行。

Description

一种管道环焊缝强度匹配的焊接材料选择方法
技术领域
本发明属于管道环焊缝焊接技术领域，涉及一种管道环焊缝强度匹配的焊接材料选择方法。
背景技术
随着人们对石油、天然气等清洁能源的需求日益增加，需要大规模建设油气输送管道。众所周知，长输油气输送管道常穿越沙漠、平原、水域、山地等复杂地域和人口密集的城镇，其安全可靠运行对于社会和自然环境具有重要意义，一旦发生失效将导致灾难性事故。
焊接是当今油气长输管道连接的唯一方式，环焊缝接头性能和焊接质量对管道本质安全具有决定性作用。统计表明，国内外长输管道失效事故大部分表现为环焊缝断裂，而环焊缝的强度匹配对管道断裂失效起着至关重要的作用。有文献研究表明,在选材低配焊接材料焊接管道环焊缝时，随着平均应变的增大，变形逐渐向焊缝区集中,且焊缝强度越低造成的应变集中越严重，从而导致管道环焊缝断裂失效。因此，管道环焊缝焊接材料选材一个最重要的考虑就是强度匹配。
目前，国内外进行管道环焊缝焊接工艺评定时，焊接材料是根据标准规定的钢管管体最小周向强度(横向强度)来选择。但是，管道环焊缝连接的两根钢管，在地质灾害或地层移动时，环焊接头所承受的载荷是沿管道的轴线。同时，长输油气管道是通过环焊缝将大量的钢管一根一根连接起来的，而这些钢管来源于不同钢管厂采用不同钢厂的钢板制造而成，其实际强度是波动分散的。如果仍用标准规定钢管管体周向强度来选择焊接材料是根本解决不了环焊缝接头强度匹配的问题，极有可能导致管道环焊缝断裂失效，从而发生灾难性事故。
发明内容
本发明的目的在于针对管道环焊缝焊接材料选择方法的局限性，提供了一种管道环焊缝强度匹配的焊接材料选择方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种管道环焊缝强度匹配的焊接材料选择方法，具体包括如下步骤：
S1，收集钢管纵向拉伸强度数据；
S2，对收集的钢管纵向拉伸强度数据进行正态分布统计，计算钢管纵向拉伸强度的均值μ和标准差σ；
S3，根据正态分布的3σ准则，利用钢管纵向拉伸强度的均值μ和标准差σ计算钢管最大强度Rm；
S4，确定焊接接头强度匹配系数η；
S5，根据焊接接头强度匹配系数η和钢管最大强度Rm计算所需焊材的强度等级Rw；
S6，根据焊材的强度等级Rw筛选满足要求的焊材，并焊接强度为钢管最大强度Rm的钢管；
S7，测试焊接接头的强度Rt；
S8，根据焊接接头的强度Rt和钢管最大强度Rm之间的大小，判断环焊缝接头是否为等强匹配或高强匹配，若是，进行S9，若不是，则返回至S6；
S9，采用选取的焊材制定焊接工艺规程。
优选的，S1中，从不同钢管制造厂收集钢管纵向拉伸强度数据。
优选的，S3中，钢管最大强度Rm＝μ+3σ，其中μ为钢管纵向拉伸强度的均值，σ为钢管纵向拉伸强度的标准差σ。
优选的，S4中，根据管道设计要求，确定环焊缝接头的强度匹配系数η。
优选的，S5中，所需焊材的强度等级Rw＝ηRm，其中Rm为钢管最大强度，η为焊接接头强度匹配系数。
优选的，S6中，根据计算所需的强度选择满足要求的焊材，并采用相应的焊接方法对强度为钢管最大强度Rm的钢管进行环焊缝焊接。
优选的，S7中，将焊接接头加工成圆棒试样进行拉伸试验，测试所焊接的环焊缝接头的强度Rt。
优选的，S8中，当焊接接头的强度Rt≥钢管最大强度Rm时，判断环焊缝接头为等强匹配或高强匹配，否则为低强匹配。
优选的，S9中，根据所选择满足强度匹配要求的焊材和焊接工艺评定试验结果，制定焊接工艺规程，用于管道现场环焊缝焊接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明管道环焊缝强度匹配的焊接材料选择方法利用正态分布的3σ准则确定管道所采用钢管的最大纵向拉伸强度，并根据最大纵向拉伸强度来筛选满足强度匹配要求的焊接材料，确保管道环焊缝实际强度高于管体纵向强度，避免了原有采用标准规定的钢管周向最小拉伸强度来选择焊接材料所导致的环焊缝实际强度低于钢管纵向强度，从而极大降低了管道环焊缝断裂事故的发生，保障了管道安全运行。
附图说明
图1为本发明管道环焊缝强度匹配的焊接材料选择方法的流程图。
图2为本发明是实施例中基于正态分布X80管道环焊缝高强匹配实芯焊丝选择示例图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述。
参见图1，本发明管道环焊缝强度匹配的焊接材料选择方法，包括如下步骤：
第一步，收集钢管纵向拉伸强度数据：从不同钢管制造厂收集钢管纵向拉伸强度数据；
第二步，正态分布统计，计算均值μ和标准差σ：将不同钢管厂收集到的钢管纵向拉伸性能进行正态分布统计处理，计算钢管纵向拉伸强度的均值μ和标准差σ；
第三步，确定钢管最大强度Rm：根据正态分布的“3σ”原则，计算管道环焊缝焊接所用钢管的最大纵向强度为Rm＝μ+3σ；
第四步，确定焊接接头强度匹配系数η：根据管道设计要求，确定环焊缝接头的强度匹配系数η；
第五步，计算所需焊材的强度等级Rw：根据钢管最大强度和焊接接头强度匹配系数，计算所需要采用的焊接材料的强度等级为Rw＝ηRm；
第六步，筛选满足要求的焊材并焊接强度为Rm的钢管：根据计算所需的强度选择满足要求的焊接材料，并采用相应的焊接方法对强度为Rm的钢管进行环焊缝焊接；
第七步，测试焊接接头的强度Rt：将焊接接头加工成圆棒试样进行拉伸试验，测试所焊接的环焊缝接头的强度Rt；
第八步，判断是否Rt≥Rm：将所测试的环焊缝接头强度Rt与钢管最大纵向强度Rm比较，当Rt≥Rm时，判断环焊缝接头是否为等强匹配或高强匹配，若结果为“是”则进入第九步；否则转至第六步，重新选择焊接材料再焊接并测试，直至满足管道环焊缝强度匹配要求；
第九步，制定焊接工艺规程：根据所选择满足强度匹配要求的焊接材料和焊接工艺评定试验结果，制定焊接工艺规程，用于管道现场环焊缝焊接。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
参见图2，本实施例以X80管道环焊缝高强匹配实芯焊丝选择为例。
X80管道环焊缝高强匹配实芯焊丝选择方法，包括以下步骤：
第一步，数据收集：从不同钢管制造厂收集X80钢管纵向拉伸强度数据；
第二步，正态分布统计分析：将不同钢管厂收集到的钢管纵向拉伸性能进行正态分布统计处理，计算钢管纵向拉伸强度的均值μ＝653MPa，标准差σ＝23MPa；
第三步，确定钢管最大强度Rm：根据正态分布的“3σ”原则，计算管道环焊缝焊接所用钢管的最大纵向强度为Rm＝μ+3σ＝722MPa；
第四步，确定焊接接头强度匹配系数η：根据管道设计要求，确定环焊缝接头的强度匹配系数η＝1.05；
第五步，计算所需焊材的强度等级Rw：根据钢管最大强度和焊接接头强度匹配系数，计算所需要采用的焊接材料的强度等级为Rw＝ηRm＝758MPa；
第六步，筛选焊材并焊接强度为Rm的钢管：根据计算所需的焊材强度，并选择实际焊缝金属强度相近ER90S-G焊丝，并采用相应的气体保护焊接方法(GMAW)对强度为722MPa的X80钢管进行环焊缝焊接；
第七步，测试焊接接头的强度Rt：将焊接接头加工成圆棒试样进行拉伸试验，测试所焊接的环焊缝接头的强度Rt＝730MPa；
第八步，判断是否Rt≥Rm：将所测试的环焊缝接头强度Rt与钢管最大纵向强度Rm比较，判断环焊缝接头为高强匹配，结果为“是”；
第九步，制定焊接工艺规程；根据所选择满足强度匹配要求的焊接材料和焊接工艺评定试验结果，制定焊接工艺规程，用于管道现场环焊缝焊接。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种管道环焊缝强度匹配的焊接材料选择方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，收集钢管纵向拉伸强度数据；
S2，对收集的钢管纵向拉伸强度数据进行正态分布统计，计算钢管纵向拉伸强度的均值和标准差；
S3，根据正态分布的3σ准则，利用钢管纵向拉伸强度的均值和标准差计算钢管最大强度；
S4，确定焊接接头强度匹配系数；
S5，根据焊接接头强度匹配系数和钢管最大强度计算所需焊材的强度等级；
S6，根据焊材的强度等级筛选满足要求的焊材，并焊接强度为钢管最大强度的钢管；
S7，测试焊接接头的强度；
S8，根据焊接接头的强度和钢管最大强度之间的大小，判断环焊缝接头是否为等强匹配或高强匹配，若是，进行S9，若不是，则返回至S6；
S9，采用选取的焊材制定焊接工艺规程。
2.根据权利要求1所述的一种管道环焊缝强度匹配的焊接材料选择方法，其特征在于，S1中，从不同钢管制造厂收集钢管纵向拉伸强度数据。
3.根据权利要求1所述的一种管道环焊缝强度匹配的焊接材料选择方法，其特征在于，S3中，钢管最大强度Rm＝μ+3σ，其中μ为钢管纵向拉伸强度的均值，σ为钢管纵向拉伸强度的标准差σ。
4.根据权利要求1所述的一种管道环焊缝强度匹配的焊接材料选择方法，其特征在于，S4中，根据管道设计要求，确定环焊缝接头的强度匹配系数η。
5.根据权利要求1所述的一种管道环焊缝强度匹配的焊接材料选择方法，其特征在于，S5中，所需焊材的强度等级Rw＝ηRm，其中Rm为钢管最大强度，η为焊接接头强度匹配系数。
6.根据权利要求1所述的一种管道环焊缝强度匹配的焊接材料选择方法，其特征在于，S6中，根据计算所需的强度选择满足要求的焊材，并采用相应的焊接方法对强度为钢管最大强度的钢管进行环焊缝焊接。
7.根据权利要求1所述的一种管道环焊缝强度匹配的焊接材料选择方法，其特征在于，S7中，将焊接接头加工成圆棒试样进行拉伸试验，测试所焊接的环焊缝接头的强度。
8.根据权利要求1所述的一种管道环焊缝强度匹配的焊接材料选择方法，其特征在于，S8中，当焊接接头的强度≥钢管最大强度时，判断环焊缝接头为等强匹配或高强匹配，否则为低强匹配。
9.根据权利要求1所述的一种管道环焊缝强度匹配的焊接材料选择方法，其特征在于，S9中，根据所选择满足强度匹配要求的焊材和焊接工艺评定试验结果，制定焊接工艺规程，用于管道现场环焊缝焊接。
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