CN113579413A - 一种管线钢焊接参数确定方法及焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种管线钢焊接参数确定方法及焊接方法，包括对待焊接试样进行焊接热模拟实验；将热模拟后的试样经氢脆方法加工成氢脆试样，并计算氢脆敏感性参数；将热模拟后的试样经CTOD实验方法加工成CTOD试样，并计算断裂韧性参数；对热模拟后的试样进行慢拉伸实验得到慢拉伸试样，并计算腐蚀开裂敏感性参数；结合氢脆敏感性参数、断裂韧性参数和腐蚀开裂敏感性参数分析确定目标冷却时间段；按照三维传热公式确定目标冷却时间段与焊接热输入的关系，并计算焊接热输入；根据焊接热输入与焊接参数的关系计算焊接参数。本发明通过在预应变作用下，实现管线钢在大变形条件下焊接热影响区粗晶区的抗硫致应力腐蚀开裂和断裂韧性的协同提升。

Description

一种管线钢焊接参数确定方法及焊接方法
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，特别是涉及一种管线钢焊接参数确定方法及焊接方法。
背景技术
目前我国石油储量较低，对外依存度逐年增加，已成为制约经济发展的难题，要解决石油供应问题还需加大对国内油气资源的开发。海洋地区具有很高的资源储量，且与陆地资源相比尚未开发完全，其勘探具有非常重要的意义和价值，特别是深海。而管线运输是油气运输过程中最为经济、有效、安全的运输方式，如何提高管线钢的服役寿命，降低开采成本和管线的失效风险是工程应用方面最需要解决的问题，尤其是深海这种恶劣的服役环境，对管线钢的性能提出了更严格的要求。
焊接是管线铺设和维护过程中最常用的连接方式，具有低成本、高效率的优势，但焊接带来的热输入使得焊缝区域相较于母材韧性严重下降。经研究，大多数焊缝的失效都发生于热影响区中晶粒最为粗大的粗晶区，因此提升焊该区域的性能具有重要的意义。
Reel-lay铺设作为一种发展前景十分可观的铺设形式，要求卷管和开卷，这一过程将引入相当程度的预变形，也将对管线的性能产生影响。在采用Reel-lay铺设进行油气运输时，管线将因为焊接过程造成性能下降，并受到预应变、应力、酸性腐蚀介质的联合影响。因此，制定合理的焊接参数，实现大变形条件下焊接热影响区粗晶区断裂韧性和抗硫致应力腐蚀开裂性能的协同提升对于管线钢在工业中的实际应用具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种管线钢焊接参数确定方法及焊接方法，通过在预应变作用下，实现管线钢在大变形条件下焊接热影响区粗晶区的抗硫致应力腐蚀开裂和断裂韧性的协同提升。
为实现上述目的，本发明提供了一种管线钢焊接参数确定方法，所述方法包括：
对待焊接试样进行焊接热模拟实验，得到热模拟后的试样；
将所述热模拟后的试样经氢脆方法加工成氢脆试样，并计算氢脆敏感性参数；
将所述热模拟后的试样经CTOD实验方法加工成CTOD试样，并计算断裂韧性参数；
对所述热模拟后的试样进行慢拉伸实验得到慢拉伸试样，并计算腐蚀开裂敏感性参数；
结合氢脆敏感性参数、断裂韧性参数和腐蚀开裂敏感性参数分析确定目标冷却时间段；
按照三维传热公式确定所述目标冷却时间段与焊接热输入的关系，并计算焊接热输入；
根据所述焊接热输入与焊接参数的关系计算焊接参数。
在一些实施例中，所述待焊接试样为多个，且多个所述待焊接试样相同或不同。
在一些实施例中，所述氢脆方法具体包括：
以第一预设拉伸速率在选定充氢溶液中对所述热模拟后的试样充氢至预设充氢时间；
所述氢脆敏感性参数包括断面收缩率损失，所述断面收缩率损失计算公式为
Figure BDA0003224704710000021
其中：Z0为未充氢的断面收缩率，ZH为充氢后的断面收缩率。
在一些实施例中，所述断裂韧性参数包括CTOD值，所述CTOD值的计算公式为
Figure BDA0003224704710000031
Figure BDA0003224704710000032
其中：P为载荷，S为跨距，W为宽度，B为厚度，a0为初始裂纹长度，v为泊松比，σYS为屈服强度，E为弹性模量，VP为缺口张开位移塑性分量，Z为刀口厚度。
在一些实施例中，所述慢拉伸实验具体包括：
在预设拉伸实验温度下，以第二预设拉伸速率在选定拉伸溶液中对所述热模拟后的试样拉伸；
所述腐蚀开裂敏感性参数包括SSCC敏感性系数，所述SSCC敏感性系数计算公式为
Figure BDA0003224704710000033
其中，Sψ为SSCC敏感性系数，ψs为腐蚀介质中的断面收缩率，ψ0为空气中的断面收缩率。
在一些实施例中，所述所述目标冷却时间段与焊接热输入的关系为
Figure BDA0003224704710000034
其中，t8/5为目标冷却时间段，Tp为焊件预热温度，Q为焊接热输入，F3为三维热流形状因子。
在一些实施例中，所述焊接热输入与焊接参数的关系为Q＝IUη/V，其中Q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。
在一些实施例中，在根据所述焊接热输入与焊接参数的关系计算焊接参数之后还包括：
按照所述焊接参数采用手工电弧焊进行焊接，得到检测试样；
对所述检测试样分别进行变形实验、氢脆实验和CTOD实验，得到实验结果；
结合实验结果确定最终的焊接参数。
在一些实施例中，所述CTOD实验的实验速率为0.5mm/s，实验温度-10℃。
另一方面，本发明还提供了一种管线钢焊接方法，所述方法包括：
按照如前所述的方法确定的焊接热输入及焊接参数确定焊接工艺；
按照所述焊接工艺实施焊接。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
(1)本发明可以在较低的经济成本下快速确定适合的焊接热输入。各阶段参数控制严格，流程规范，可以大大提高开发效率。
(2)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。
(3)本发明在热模拟后进行了实际焊接验证，确保了实验结果的准确性，安全可靠。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中氢脆试样示意图。
图2是本发明实施例中CTOD试样示意图。
图3是本发明实施例中慢拉伸试样示意图。
图4是本发明实施例中四点弯曲加载形式示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
越来越多的原油具有较高的含硫量，以硫化氢为代表，当湿硫化氢与酸性介质共存时，会发生氢致开裂(HIC)，即在无外力的情况下，由于氢的存在造成裂纹的萌生与扩展。实际服役过程中，管线受到浪、流的冲击和地壳变化等外界因素的影响，将存在应力的作用，在应力和腐蚀介质的联合作用下，会产生硫致应力腐蚀开裂(SSCC)，加速失效过程。
因此，本发明提供了一种管线钢焊接参数确定方法及焊接方法，通过在预应变作用下，实现管线钢在大变形条件下焊接热影响区粗晶区的抗硫致应力腐蚀开裂和断裂韧性的协同提升，来解决上述问题。
Gleeble3500热模拟试验机可以在保证低成本、高效率的情况下实现对不同区域不同热输入焊接组织的精确模拟，通过改变峰值温度、冷却速度等焊接参数获得不同热输入的热影响区粗晶区组织。将母材加工为φ10mm的棒状试样、10×10mm2的块状试样和2mm厚的板状试样后采用Gleeble3500进行不同冷却速度的焊接热模拟。首先对热模拟的试样进行氢脆敏感性试验和断裂韧性实验初步筛选参数，然后进行有无预应变的应力腐蚀开裂实验来确定合适的焊接工艺，以制定的工艺参数进行手工电弧焊，对焊接的试样施加预应变后进行耐硫化氢应力腐蚀实验，验证焊接工艺是否适合。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
步骤一，对待焊接试样进行焊接热模拟实验，得到热模拟后的试样；
在具体实施时，首先进行母材材料选择：选用X65管线钢母材，材料的力学性能如下表。
Figure BDA0003224704710000051
再进行待焊接试样加工：沿轧制方向加工出φ10mm的棒状试样、10×10mm2的块状试样和2mm厚的板状试样用于热模拟。本实施例采用了三个不同的待焊接试样，这样可以对不同形状的试样进行相关性能测试，保证实验的全面性。但也可以采用部分相同或完全相同的待焊接试样，对于待焊接试样的形状、尺寸、材质、力学性能等的变更选择均在本发明的保护范围内。
最后进行热模拟实验，具体热模拟实验方法可以包括但不限以下步骤：
在上述待焊接试样的中心点焊上热电偶丝用于检测温度与时间的关系；
以130℃/s的加热速度将试样加热到1350℃，保温1s；
以80℃/s的速度冷却至900℃；
分别以冷却时间段t8/5(800℃冷却到500℃所用的时间)为10s、15s、20s、25s、30s、40s、50s、60s、80s冷却到室温，得到热模拟后的试样。
步骤二，将所述热模拟后的试样经氢脆方法加工成氢脆试样，并计算氢脆敏感性参数；
由于需要测量焊接过程中性能最差的热影响区粗晶区的氢脆敏感性，设计出特殊尺寸试样以保证断裂发生在热模拟区域。因此本实施例采用的氢脆方法具体包括：以实验温度为室温，第一预设拉伸速率为1mm/s，选定充氢溶液为1.0mol/LH2SO4+1.0g/LCH4N2S，预设充氢时间24h，将热模拟后的棒状试样加工成氢脆试样，具体尺寸如图1所示。
氢脆敏感性计算：对充氢前后的试样进行尺寸测量，计算出断面收缩率损失IZ，评价不同t8/5条件下的抗氢脆性能。
断面收缩率损失IZ计算如公式(1)所示：
Figure BDA0003224704710000061
其中：Z0为未充氢的断面收缩率，ZH为充氢后的断面收缩率。计算后得到下表对应关系：
Figure BDA0003224704710000062
步骤三，将所述热模拟后的试样经CTOD实验方法加工成CTOD试样，并计算断裂韧性参数；
CTOD实验：以实验速率为0.5mm/s，实验温度-10℃，将热模拟后的块状试样加工成CTOD试样，具体尺寸如图2所示。
断裂韧性计算：对CTOD实验前后的试样进行尺寸测量，计算出CTOD值，评价不同t8/5条件下的断裂韧性，并结合IZ选择出几组最优t8/5。
CTOD值δ计算如下：
Figure BDA0003224704710000071
Figure BDA0003224704710000072
其中：P为载荷，S为跨距，W为宽度，B为厚度，a0为初始裂纹长度，v为泊松比，σYS为屈服强度，E为弹性模量，VP为缺口张开位移塑性分量，Z为刀口厚度。计算后得到下表对应关系：
Figure BDA0003224704710000073
结合IZ，确定t8/5＝20s，25s，30s，60s时抗氢脆性能和断裂韧性较优良。
步骤四，对所述热模拟后的试样进行慢拉伸实验得到慢拉伸试样，并计算腐蚀开裂敏感性参数；
慢拉伸实验：以实验温度为室温，第二预设拉伸速率为2×10-6mm/s，溶液为添加10-3mol/L S2O3 2-的标准的NACEA溶液，即：质量分数为5％NaCl和0.5％CH3COOH，将热模拟后的板状试样加工成慢拉伸试样，具体尺寸如图3所示。
SSCC敏感性计算：通过延伸率损失来反映试样的SSCC敏感性，并由此选择出几组最优t8/5。SSCC敏感性系数(Sψ)的计算如公式(4)所示：
Figure BDA0003224704710000074
其中：ψs为腐蚀介质中的断面收缩率，ψ0为空气中的断面收缩率。
步骤五，焊接热输入计算：根据标准NACE SP0472-2010中的三维传热公式，计算出选用的t8/5与焊接热输入的关系：
Figure BDA0003224704710000081
其中t8/5为目标冷却时间段，Tp为焊件预热温度，Q为焊接热输入，F3为三维热流形状因子，通过查表取F3＝0.9。
按照上述步骤把得到的焊接热输入带入到下列公式(6)中就可以得到焊接电流(I)，电弧电压(U)与焊接速度(V)之间的关系，从而得到焊接参数。
Q＝IUη/V (6)
其中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。
步骤六，焊件耐腐蚀性检测：按照最终确定的焊接参数，采用手工电弧焊进行焊接，按照标准NACE TM 0177将得到的母材加工成115×15×5mm的试样，进行四点弯曲实验，如图4所示，其中预变形试样首先进行塑性变形，然后四点弯曲。所有硫化氢应力腐蚀(SSC)试样均加载至母材实际屈服强度的80％，将加载后的试样置于NACEA溶液中，在通入氮气除氧后通入硫化氢气体。每周进行溶液pH值测量，确保pH值在4.0以下，浸泡720h后取出，并观察其表面有无开裂。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，从而最终确定X65管线钢焊接接头热影响区抗应力腐蚀开裂的焊接工艺。
经慢应变速率拉伸和相关的计算，不同t8/5下的SSCC敏感性参数如下表所示：
Figure BDA0003224704710000082
t8/5＝60s时SSCC敏感性最低，但经历5％预应变后SSCC敏感性大幅提升，不满足大变形条件下工程应用的需求。除t8/5＝60s，t8/5＝20s时在有无预应变作用时SSCC敏感性均最低，说明在预应变作用下表现出最强的抗应力腐蚀开裂性能，有利于实现断裂韧性和抗硫化氢应力腐蚀开裂性能的协同提升。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。
需要说明的是上述步骤二至四可以互换顺序，也可以同时进行，对于目标冷却时间段t8/5的选择可以在得到三个性能参数后综合选定，也可按具体实验顺序逐级选定，本实施例示出的顺序不对本发明产生限定作用，只要包含本发明的相关步骤都在本发明的保护范围之内。
本发明另一实施例提供了一种利用上述实施例获得的焊接参数进行焊接的方法，具体可以包括：
按照如前所述的方法确定的焊接热输入及焊接参数确定焊接工艺；
按照所述焊接工艺实施焊接。
具体的焊接工艺确定方法为本领域的常识，可以按照本领域常识结合焊接参数进行焊接工艺确定。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种管线钢焊接参数确定方法，其特征在于，所述方法包括：
对待焊接试样进行焊接热模拟实验，得到热模拟后的试样；
将所述热模拟后的试样经氢脆方法加工成氢脆试样，并计算氢脆敏感性参数；
将所述热模拟后的试样经CTOD实验方法加工成CTOD试样，并计算断裂韧性参数；
对所述热模拟后的试样进行慢拉伸实验得到慢拉伸试样，并计算腐蚀开裂敏感性参数；
结合氢脆敏感性参数、断裂韧性参数和腐蚀开裂敏感性参数分析确定目标冷却时间段；
按照三维传热公式确定所述目标冷却时间段与焊接热输入的关系，并计算焊接热输入；
根据所述焊接热输入与焊接参数的关系计算焊接参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待焊接试样为多个，且多个所述待焊接试样相同或不同。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氢脆方法具体包括：
以第一预设拉伸速率在选定充氢溶液中对所述热模拟后的试样充氢至预设充氢时间；
所述氢脆敏感性参数包括断面收缩率损失，所述断面收缩率损失计算公式为
Figure FDA0003224704700000011
其中：Z0为未充氢的断面收缩率，ZH为充氢后的断面收缩率。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述断裂韧性参数包括CTOD值，所述CTOD值的计算公式为
Figure FDA0003224704700000021
Figure FDA0003224704700000022
其中：P为载荷，S为跨距，W为宽度，B为厚度，a0为初始裂纹长度，v为泊松比，σYS为屈服强度，E为弹性模量，VP为缺口张开位移塑性分量，Z为刀口厚度。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述慢拉伸实验具体包括：
在预设拉伸实验温度下，以第二预设拉伸速率在选定拉伸溶液中对所述热模拟后的试样拉伸；
所述腐蚀开裂敏感性参数包括SSCC敏感性系数，所述SSCC敏感性系数计算公式为
Figure FDA0003224704700000023
其中，Sψ为SSCC敏感性系数，ψs为腐蚀介质中的断面收缩率，ψ0为空气中的断面收缩率。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述所述目标冷却时间段与焊接热输入的关系为
Figure FDA0003224704700000024
其中，t8/5为目标冷却时间段，Tp为焊件预热温度，Q为焊接热输入，F3为三维热流形状因子。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述焊接热输入与焊接参数的关系为Q＝IUη/V，其中Q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。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在根据所述焊接热输入与焊接参数的关系计算焊接参数之后还包括：
按照所述焊接参数采用手工电弧焊进行焊接，得到检测试样；
对所述检测试样分别进行变形实验、氢脆实验和CTOD实验，得到实验结果；
结合实验结果确定最终的焊接参数。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述CTOD实验的实验速率为0.5mm/s，实验温度-10℃。
10.一种管线钢焊接方法，其特征在于，所述方法包括：
按照如权利要求1-9任一项所述的方法确定的焊接热输入及焊接参数确定焊接工艺；
按照所述焊接工艺实施焊接。
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