CN112834723A - 一种确定s31803双相钢在含硫服役条件下焊接参数的工艺方法 - Google Patents

一种确定s31803双相钢在含硫服役条件下焊接参数的工艺方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种确定S31803双相钢在含硫服役条件下焊接参数的工艺方法，包括步骤：制作S31803双相钢试样，以不同的t8/5时间进行热模拟试验，得到多组对应的试样；将试样分别进行应力腐蚀开裂试验，再进行应力腐蚀开裂敏感性分析，最后选择出几组性能较优的试样；计算选出的试样的焊接热输入量，进而计算得到对应的焊接参数；按照焊接参数取S31803双相钢焊接得到对应的多组焊接试样；将焊接试样进行硫化氢应力腐蚀测试并选择出抗应力腐蚀开裂性能最优的，得到S31803双相钢在含硫服役条件下的焊接参数，实现在较低的经济成本下快速确定适合的焊接热输入，大大提高了S31803双相钢在湿硫化氢服役条件下焊接工艺的开发效率。

Description

一种确定S31803双相钢在含硫服役条件下焊接参数的工艺 方法
技术领域
本发明涉及S31803双相钢的焊接工艺，具体是一种确定S31803双相钢在含硫服役条件下焊接参数的工艺方法。
背景技术
双相不锈钢是近年来开发的一种新型钢，通过控制合金元素的比例与热处理工艺，使其中的铁素体相和奥氏体相各占固溶体结构的一半左右。由于具有双相组织的特征，双相不锈钢在保留了铁素体不锈钢良好导热性、较小膨胀系数和高强度的同时，具有更高的韧性，更好的耐晶间腐蚀性能和焊接性能以及更低的脆性转变温度；在具有奥氏体不锈钢的优异韧性和焊接性能的基础上，又具有更高的屈服强度和耐氯化物应力腐蚀开裂能力以及更低的裂纹敏感性，可以说兼有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的优点，因此广泛应用于化学和石化加工业、石油和天然气工业、运输业、化肥工业等领域，近些年来也被用于桥梁承重结构方面的研究，具有很好的发展前景。
第一代双相钢在提高耐氯化物的应力腐蚀开裂性能方面有较好的表现，但焊接状态下存在一定的局限，即焊缝的热影响区存在较多的铁素体，导致该区域韧性低，耐蚀性能也远不如母材。针对这种情况，出现了第二代双相钢。S31803属于第二代双相钢中的一种，与第一代双相钢相比它具有更高的含氮量，而碳的含量进一步降低，这促进了焊接接头中单相铁素体在冷却过程中向奥氏体的转化，使接头部位奥氏体与铁素体的含量趋于平衡，在保证双相钢的抗应力腐蚀性能的同时又改善了焊接热影响区的塑性和韧性。
目前S31803双相钢主要用于要求材料耐蚀性较强的场合，并已在很多可能发生应力腐蚀的环境下替代了奥氏体不锈钢。但值得注意的是，在一些气体的运输过程中可能会含有硫化氢，而存在湿硫化氢的服役条件下极易发生氢致开裂(HIC)和硫化物应力腐蚀开裂(SSCC)，造成材料性能的下降和构件的失效，这就对材料的耐蚀性提出了更高的要求。因此制定合理的焊接参数，进一步提高双相钢焊接接头的抗硫致应力腐蚀开裂敏感性对于该材料的发展仍具有十分重要的意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种确定S31803双相钢在含硫服役条件下焊接参数的工艺方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种确定S31803双相钢在含硫服役条件下焊接参数的工艺方法，包括步骤：
S1：制作S31803双相钢试样，以不同的t8/5时间进行热模拟试验，得到多组对应的试样；
S2：将S1中的试样分别进行应力腐蚀开裂试验，再进行应力腐蚀开裂敏感性分析，最后选择出几组性能较优的试样；
S3：计算S2中的选出的试样的焊接热输入量，进而计算得到每组试样对应的S31803双相钢焊接参数；
S4：取S31803双相钢并根据S3中得到的多组焊接参数分别焊接得到对应的多组焊接试样；
S5：将S4中得到的焊接试样进行硫化氢应力腐蚀测试，从焊接试样中选择出抗应力腐蚀开裂性能最优的一组，其对应的焊接参数即为S31803双相钢在含硫服役条件下的焊接参数。
进一步地，步骤S1中所述的热模拟试验具体试验工序为：
S101：制取试样：沿平行于S31803钢母材的轧制方向选取并加工出多组S31803双相钢试样；S31803双相钢试样为圆柱状，试样规格为φ10×100mm；
S102：以400℃/s的加热速度将试样加热到1345℃，保温1s，再以80℃/s的速度冷却至900℃；
S103：分别设置多组不同的t8/5时间，将试样冷却到室温，得到不同t8/5时间对应的试样。
进一步地，步骤S2中所述的应力腐蚀开裂试验具体为：
S201：将S1中的试样加工成慢拉伸试验用试样；
S202：进行应力腐蚀开裂试验：试验温度为室温，拉伸速率为1×10-6mm/s，溶液为添加10-3mol/LS2O32-的标准NACE A溶液；
S203：根据应力腐蚀开裂试验结果，分析和计算各组试样的应力腐蚀敏感性参数；
S204：根据各组t8/5时间对应的试样的应力腐蚀开裂敏感性参数，分析比较选出耐应力腐蚀性能较好的几组试样。
进一步地，步骤S3中焊接热输入量的计算公式为：
Figure BDA0002886447640000031
其中t8/5为温度由800℃冷却到500℃时间；Tp为焊件预热温度；Q为焊接热输入量，F3为三维热流形状因子，F3＝0.9；
焊接参数的计算公式为：
Q＝IUv
E＝IUη/v
其中Q为焊接热输入量；E为焊接热输入；I为焊接电流；U为电弧电压；v为焊接速度；η为焊接热效率系数。
进一步地，步骤S4中焊接试样的焊接方式为手工电弧焊。
进一步地，步骤S5中所述的硫化氢应力腐蚀测试的步骤为：
S501：将焊接试样加工成115×15×5mm的板状；
S502：将板状的焊接试样进行四点弯曲实验，通过四点弯曲的方法加载至母材实际屈服强度的80％；
S503：将加载后的焊接试样放置在NACE A溶液中，通入氮气除氧后再通入硫化氢气体，并保持pH值小于4；
S504：将浸泡了720h的焊接试样取出，并观察焊接试样表面，选择表面无开裂的焊接试样，得到抗应力腐蚀开裂性能最优的焊接试样。
进一步地，所述的各组试样的应力腐蚀敏感性参数包括塑性应变比、断面收缩率比和应力腐蚀指数。
本发明的技术效果在于：本发明的一种确定S31803双相钢在含硫服役条件下焊接参数的工艺方法可以在较低的经济成本下快速确定适合的焊接热输入，且本方法各阶段参数控制严格，流程规范，可以大大提高S31803双相钢在湿硫化氢服役条件下焊接工艺的开发效率。
附图说明
图1是本发明的一种确定S31803双相钢在含硫服役条件下焊接参数的工艺方法的步骤流程图；
图2是慢拉伸试验用试样结构示意图；
图3是四点弯曲实验的示意图。
图中主要标号说明：
1-焊接试样、2-四点弯曲实验设备、3-玻璃棒、4-焊缝位置。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
图1是本发明的一种确定S31803双相钢在含硫服役条件下焊接参数的工艺方法的步骤流程图，参见图1，本发明的一个具体实施例中：
步骤S1：制作S31803双相钢试样，以不同的t8/5时间进行热模拟试验，得到多组对应的试样；具体包括以下的操作步骤：
准备好S31803钢母材，获取其力学性能(如下表所示)：
Figure BDA0002886447640000041
再制取试样，具体操作为：沿平行于S31803钢母材的轧制方向选取并加工出多组S31803双相钢试样；试样规格为φ10×100mm；S31803双相钢试样为圆柱状；并在每一组S31803双相钢试样的中心点焊上热电偶丝，用于检测温度与时间的关系。
热处理：以400℃/s的加热速度将每组试样加热到1345℃，保温1s，再以80℃/s的速度冷却至900℃；
以不同的t8/5时间设置多组试样：分别设置t8/5(800℃冷却到500℃所用的时间)为10s、20s、30s、50s，将试样冷却到室温，得到四组不同t8/5时间对应的试样。
应当理解的是，本实施例中设置的4组试样仅为示意，可以设置更多组t8/5时间，得到更多组试样参与试验和比较。
步骤S2：将S1中的试样分别进行应力腐蚀开裂试验，再进行应力腐蚀开裂敏感性分析，最后选择出几组性能较优的试样；具体包括以下的操作步骤：
制作试样：将步骤S1中的四组圆柱状试样分别加工成慢拉伸试验用试样，如图2所示，图2是拉伸试样结构示意图；
进行应力腐蚀开裂试验：试验温度为室温，拉伸速率为1×10-6mm/s，溶液为添加10-3mol/LS2O32-的标准NACE A溶液，标准的NACE A溶液为质量分数为5％NaCl和0.5％CH3COOH；
计算应力腐蚀敏感性参数：根据应力腐蚀开裂试验结果，分析和计算各组试样的应力腐蚀敏感性参数；
应力腐蚀敏感性参数包括塑性应变比RE、断面收缩率比Z和应力腐蚀指数I，计算方式为：
塑性应变比RE的计算公式为：
Figure BDA0002886447640000051
其中：Epe为腐蚀介质中断裂失效时塑性应变，Epc为惰性或空气环境中断裂失效时塑性应变；失效时塑性应变Ep等于失效时总应变减去弹性应变。
RE的值越大，耐应力腐蚀性能越好；通常认为RE≥0.80时材料对应力腐蚀开裂不敏感。
断面收缩率Z等于标距段内断口处截面积的收缩量除以原始截面积。
采用断面收缩率比值RZ来评价耐应力腐蚀敏感性，RZ的计算公式为：
Figure BDA0002886447640000052
其中：Ze为腐蚀介质中断面收缩率，Zc为惰性或空气环境中断面收缩率。RZ越大，耐应力腐蚀性能越好。通常认为RZ>0.95时材料对应力腐蚀开裂不敏感。
应力腐蚀指数I综合考虑了慢应变速率测试获得的各项力学性能参数，如抗拉强度、失效时塑性应变、断面收缩率等，计算公式为：
Figure BDA0002886447640000061
其中：Rme为腐蚀介质中抗拉强度，Rmc为惰性或空气环境中抗拉强度；Epe为腐蚀介质中断裂失效时塑性应变，Epc为惰性或空气环境中断裂失效时塑性应变；Ze为腐蚀介质中断面收缩率，Zc为惰性或空气环境中断面收缩率。应力腐蚀指数较单项力学性能指数能更全面、更准确地评价应力腐蚀开裂敏感性。I从0到1，表示应力腐蚀敏感性渐增。通常，当I<0.25时，材料对应力腐蚀开裂不敏感。
筛选：根据计算得到四组试样的各项应力腐蚀开裂敏感性参数，分析比较最后选出耐应力腐蚀性能较好的几组试样。
步骤S3：计算S2中的选出的试样的焊接热输入量，进而计算得到每组试样对应的S31803双相钢焊接参数；
焊接热输入量Q的计算公式为：
Figure BDA0002886447640000062
其中t8/5为温度由800℃冷却到500℃时间；Tp为焊件预热温度；Q为焊接热输入量，F3为三维热流形状因子，通过查表取F3＝0.9；
焊接参数的计算公式为：
Q＝IUv
E＝IUη/v
其中Q为焊接热输入量；E为焊接热输入；I为焊接电流；U为电弧电压；v为焊接速度；η为焊接热效率系数。
按照上述步骤把得到的焊接热输入带入到下列公式中就可以得到焊接电流、电弧电压与焊接速度之间的关系，从而得到步骤S2选出的几组耐应力腐蚀性能较好的试样所分别对应的S31803双相钢的焊接参数。
步骤S4：取S31803双相钢并根据S3中得到的多组焊接参数分别焊接得到对应的多组焊接试样；
按照步骤S3中计算得到的几组焊接参数，采用手工电弧焊进行S31803母材焊接，得到焊接试样。
步骤S5：将S4中得到的焊接试样进行硫化氢应力腐蚀测试，从焊接试样中选择出抗应力腐蚀开裂性能最优的一组，其对应的焊接参数即为S31803双相钢在含硫服役条件下的焊接参数，具体包括以下的操作步骤：
制作试样：将焊接试样按照标准NACE TM 0177分别加工成115×15×5mm的板状；
四点弯曲：图3是四点弯曲实验的示意图，如图3所示，将板状的焊接试样1进行四点弯曲实验，将焊接试样1放置在四点弯曲实验设备2上，在四点的位置分别放上玻璃棒3，焊接试样1的焊缝位置4位于处于四点弯曲实验设备2的中部，通过四点弯曲的方法加载至母材实际屈服强度的80％；
浸泡：将四点弯曲实验后后的焊接试样放置在标准NACE A溶液中，先通入氮气除氧，再通入硫化氢气体，每周进行溶液pH值测量，确保pH值始终在4.0以下；
分析筛选：浸泡720h后，将浸泡了720h的焊接试样取出，并观察各组焊接试样的表面情况，选择表面无开裂的焊接试样，得到抗应力腐蚀开裂性能最优的焊接试样；表面开裂说明对应的焊接参数不合格，反之就是合适的焊接参数，从而确定S31803双相钢焊接接头热影响区抗应力腐蚀开裂的焊接参数。
经过上述试验步骤，最终得出的不同t8/5下的应力腐蚀开裂敏感性参数如下表所示。
Figure BDA0002886447640000071
从表格中可看出t8/5＝30s时的断面收缩率比RZ、塑性应变比RE最高，而应力腐蚀指数I最低，表现出最强的抗应力腐蚀开裂性能。随后根据三维传热公式，即可求出焊接热输入Q，根据它与焊接电流、电弧电压以及焊接速度之间的关系，确定合适的焊接工艺。
通过本发明的方法可以在较低的经济成本下快速确定适合的焊接热输入，且方法的各阶段参数控制严格，流程规范，可以大大提高S31803双相钢在湿硫化氢服役条件下焊接工艺的开发效率。此外，采用本发明，在焊接过程中不需要进行对母材的焊前预热处理和对焊缝的焊后热处理。这样，在保证焊接质量的情况下，简化了焊接操作步骤，提高了焊接工作效率。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (8)

1.一种确定S31803双相钢在含硫服役条件下焊接参数的工艺方法，其特征在于，包括步骤：
S1：制作S31803双相钢试样，以不同的t8/5时间进行热模拟试验，得到多组对应的试样；
S2：将S1中的试样分别进行应力腐蚀开裂试验，再进行应力腐蚀开裂敏感性分析，最后选择出几组性能较优的试样；
S3：计算S2中的选出的试样的焊接热输入量，进而计算得到每组试样对应的S31803双相钢焊接参数；
S4：取S31803双相钢并根据S3中得到的多组焊接参数分别焊接得到对应的多组焊接试样；
S5：将S4中得到的焊接试样进行硫化氢应力腐蚀测试，从焊接试样中选择出抗应力腐蚀开裂性能最优的一组，其对应的焊接参数即为S31803双相钢在含硫服役条件下的焊接参数。
2.根据权利要求1所述的确定S31803双相钢在含硫服役条件下焊接参数的工艺方法，其特征在于，步骤S1中所述的热模拟试验具体试验工序为：
S101：制取试样：沿平行于S31803钢母材的轧制方向选取并加工出多组S31803双相钢试样；S31803双相钢试样为圆柱状，试样规格为φ10×100mm；
S102：以400℃/s的加热速度将试样加热到1345℃，保温1s，再以80℃/s的速度冷却至900℃；
S103：分别设置多组不同的t8/5时间，将试样冷却到室温，得到不同t8/5时间对应的试样。
3.根据权利要求2所述的确定S31803双相钢在含硫服役条件下焊接参数的工艺方法，其特征在于，步骤S2中所述的应力腐蚀开裂试验具体为：
S201：将S1中的试样加工成慢拉伸试验用试样；
S202：进行应力腐蚀开裂试验：试验温度为室温，拉伸速率为1×10-6mm/s，溶液为添加10-3mol/LS2O32-的标准NACE A溶液；
S203：根据应力腐蚀开裂试验结果，分析和计算各组试样的应力腐蚀敏感性参数；
S204：根据各组t8/5时间对应的试样的应力腐蚀开裂敏感性参数，分析比较选出耐应力腐蚀性能较好的几组试样。
4.根据权利要求1所述的确定S31803双相钢在含硫服役条件下焊接参数的工艺方法，其特征在于，步骤S3中焊接热输入量的计算公式为：
Figure FDA0002886447630000021
其中t8/5为温度由800℃冷却到500℃时间；Tp为焊件预热温度；Q为焊接热输入量，F3为三维热流形状因子，F3＝0.9；
焊接参数的计算公式为：
Q＝IUv
E＝IUη/v
其中Q为焊接热输入量；E为焊接热输入；I为焊接电流；U为电弧电压；v为焊接速度；η为焊接热效率系数。
5.根据权利要求1所述的确定S31803双相钢在含硫服役条件下焊接参数的工艺方法，其特征在于，步骤S4中焊接试样的焊接方式为手工电弧焊。
6.根据权利要求1所述的确定S31803双相钢在含硫服役条件下焊接参数的工艺方法，其特征在于，步骤S5中所述的硫化氢应力腐蚀测试的步骤为：
S501：将焊接试样加工成115×15×5mm的板状；
S502：将板状的焊接试样进行四点弯曲实验，通过四点弯曲的方法加载至母材实际屈服强度的80％；
S503：将加载后的焊接试样放置在NACE A溶液中，通入氮气除氧后再通入硫化氢气体，并保持pH值小于4；
S504：将浸泡了720h的焊接试样取出，并观察焊接试样表面，选择表面无开裂的焊接试样，得到抗应力腐蚀开裂性能最优的焊接试样。
7.根据权利要求3所述的确定S31803双相钢在含硫服役条件下焊接参数的工艺方法，其特征在于，所述的各组试样的应力腐蚀敏感性参数包括塑性应变比、断面收缩率比和应力腐蚀指数。
8.根据权利要求2所述的确定S31803双相钢在含硫服役条件下焊接参数的工艺方法，其特征在于，步骤S101中，在每组所述的S31803双相钢试样的中心点焊上热电偶丝，用于检测温度与时间的关系。
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CN114518273A (zh) * 2022-01-11 2022-05-20 天津大学 一种基于二次调控法的大变形管线钢填充焊参数确定方法

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CN111015005A (zh) * 2018-10-09 2020-04-17 天津大学 一种应用热模拟技术确定x100管线钢抗应力腐蚀开裂焊接参数的方法

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