CN114518273A - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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CN114518273A CN202210024675.4A CN202210024675A CN114518273A CN 114518273 A CN114518273 A CN 114518273A CN 202210024675 A CN202210024675 A CN 202210024675A CN 114518273 A CN114518273 A CN 114518273A
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徐连勇
赵雷
郝康达
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Abstract

本发明公开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，以一次热模拟为基础对待焊试样进行二次焊接热模拟试验；将热模拟后的试样加工成CTOD试样，计算断裂韧性参数；对热模拟后需要预应变的试样进行预加载，对热模拟后预应变前后的试样进行加工得到慢拉伸试样，进行慢拉伸实验计算腐蚀开裂敏感性参数；比较预应变前后试样延伸率的变化，计算预应变敏感性参数；结合预应变敏感性参数、断裂韧性参数和应力腐蚀开裂敏感性参数确定二次热模拟参数；按照三维传热公式将确定的二次热模拟参数通过计算转化为焊接热输入，从而确定焊接参数，并通过比较所确定的焊接参数与传统焊接参数的硫致应力腐蚀开裂强度系数确定该参数的优化作用。本发明目的是在预应变作用下实现管线钢焊接热影响区临界再热粗晶区的抗硫致应力腐蚀开裂和断裂韧性的协同提升。

Description

一种基于二次调控法的大变形管线钢填充焊参数确定方法
技术领域
本申请涉及焊接技术领域，尤其涉及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。
背景技术
在深海采油工程环境下，卷管式(Reel-lay)铺设是一种极具发展前景的高效铺管方案，但管线铺设时将受到往复极端载荷的作用，对材料的韧性提出了更高的要求。另一方面，越来越多的油气资源中含有硫化氢，含硫化氢的酸性介质将引起管道的腐蚀和应力腐蚀，并可能导致严重的安全问题。而焊管是管道制备的重要加工环节，在多层多道焊接中前一道次的焊缝将受到后一道次的热作用，形成复杂的热影响区，其中临界粗晶区是整个焊接接头中最为薄弱的区域，其韧性和抗应力腐蚀性能较母材相比均存在大幅下降。
因此，有必要开发设计具有高性能的多层多道焊接工艺，实现大变形条件下焊接热影响区临界再热粗晶区断裂韧性和抗硫致应力腐蚀开裂性能的协同提升，保证管线钢在工业实际应用中的安全性。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例提供了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，在预应变作用下实现管线钢焊接热影响区临界再热粗晶区的抗硫致应力腐蚀开裂和断裂韧性的协同。
为解决上述技术问题，本说明书实施例是这样实现的：
本说明书实施例提供的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，包括：
以一次热模拟为基础对待焊接试样进行二次焊接热模拟实验，得到热模拟后的试样；
将所述热模拟后的试样加工成CTOD试样，并计算断裂韧性参数；
对热模拟后需要预应变的试样通过单轴拉伸进行预加载，然后对热模拟后预应变前后的试样进行加工得到慢拉伸试样，进行慢拉伸实验并计算应力腐蚀开裂敏感性参数；
比较预应变前后试样延伸率的变化，并计算预应变敏感性参数；
结合预应变敏感性参数、断裂韧性参数和应力腐蚀开裂敏感性参数综合分析确定二次热模拟参数；
按照三维传热公式将确定的二次热模拟参数通过计算转化为焊接热输入参数；
根据所述焊接热输入参数确定焊接参数；
通过比较所述焊接参数与传统焊接参数的硫致应力腐蚀开裂强度系数确定该参数的优化作用。
可选的，所述待焊接试样为多个，且多个所述待焊接试样的二次热循环冷却速度不同。
可选的，所述断裂韧性参数包括CTOD值，所述断裂韧性参数的计算公式为：
Figure BDA0003463827130000021
Figure BDA0003463827130000022
其中：F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。
可选的，所述慢拉伸实验包括：
以第一预设拉伸速率在空气中对所述热模拟后的试样拉伸至指定应变；
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；
所述应力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 BDA0003463827130000031
其中，Sψ为SSCC敏感性系数，ψs为腐蚀介质中的延伸率，ψ0为空气中的延伸率。
可选的，所述预应变敏感性计算公式为
Figure BDA0003463827130000032
其中：ψp0为预应变前的延伸率，ψp1为预应变后的延伸率。
可选的，所述二次调控法中二次热模拟参数与焊接热输入的关系为：
Figure BDA0003463827130000033
其中，Δt为目标冷却时间段，即二次热模拟t8/5，T1、T2分别为冷却起止温度，T0为预热温度，Q为焊接热输入参数，d为板厚，l为热传导率，p为材料的密度，c为比热容。
可选的，所述根据所述焊接热输入参数确定焊接参数，具体包括：采用以下公式进行计算：
Q＝IUη/V；
其中，Q为焊接热输入参数，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。
可选的，所述硫致应力腐蚀开裂强度系数计算公式为：
Figure BDA0003463827130000034
其中，KISSC为硫致应力腐蚀开裂强度系数；P为平衡楔形块的载荷，加载面上的实测值；a为开裂长度；h为每一悬臂的高度；B为试件厚度；Bn为腹板厚度。
可选的，在根据所述焊接热输入参数确定焊接参数之后，还包括：
按照所述焊接参数采用二氧化碳药芯气体保护焊进行焊接，得到检测试样；
对所述检测试样进行CTOD实验、预应变实验和应力腐蚀实验，得到实验结果；
结合所述实验结果确定最终的焊接参数。
可选的，所述CTOD实验的实验速率为0.5mm/min，实验温度-10℃，所述预应变实验的实验速率为0.5mm/min，所述应力腐蚀实验的实验速率为2×10-5mm/s，实验温度23℃。
本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
(1)本发明可以在短时间内确定最为理想的多层多道焊接热输入，无需以各参数进行实际焊接，大幅降低了设计开发焊接工艺所需的时间与成本，效率大大提高。
(2)本发明在将最优热模拟参数转化为焊接热输入后进行了实际焊接与测试以验证实验结果的准确性，保证焊接管道服役过程的安全性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例提供的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的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的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是本发明实施例中双悬臂梁试样示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
在多层多道焊时，前一道次的焊缝将受到后一道次的热作用，形成复杂的热影响区，其中临界再热粗晶区是焊接管道中最为薄弱的区域，具有最低的断裂韧性并最容易发生硫致应力腐蚀开裂(SSCC)，影响管道服役过程的安全性。因此，本发明提供了一种预应变条件下基于二次调控法的X65管线钢多层多道焊接工艺参数确定方法，通过开发设计预应变作用下实现管线钢热影响区临界再热粗晶区的抗硫致应力腐蚀开裂和断裂韧性的协同提升的焊接工艺，来解决上述问题。
Gleeble3500热模拟试验机可以在确定加热速度、峰值温度的前提下通过改变冷却速度精确模拟不同热输入下热影响区临界再热粗晶区组织。将母材加工为截面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断裂韧性实验和预应变前后的应力腐蚀实验来确定最为理想的冷却速度，然后根据导热公式将该冷却速度转化为焊接热输入，以制定的工艺参数进行二氧化碳气体保护焊，对焊接的试样进行双悬臂梁实验，验证焊接工艺的安全性。
以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
图1为本发明实施例提供的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的流程示意图。如图1所示，该流程可以包括以下步骤：
步骤102：以一次热模拟为基础对待焊接试样进行二次焊接热模拟实验，得到热模拟后的试样；
步骤104：将所述热模拟后的试样加工成CTOD试样，并计算断裂韧性参数；
步骤106：对热模拟后需要预应变的试样通过单轴拉伸进行预加载，然后对热模拟后预应变前后的试样进行加工得到慢拉伸试样，进行慢拉伸实验并计算应力腐蚀开裂敏感性参数；
步骤108：比较预应变前后试样延伸率的变化，并计算预应变敏感性参数；
步骤110：结合预应变敏感性参数、断裂韧性参数和应力腐蚀开裂敏感性参数综合分析确定二次热模拟参数；
步骤112：按照三维传热公式将确定的二次热模拟参数通过计算转化为焊接热输入参数；
步骤114：根据所述焊接热输入参数确定焊接参数。
步骤116：通过比较所述焊接参数与传统焊接参数的硫致应力腐蚀开裂强度系数确定该参数的优化作用。
基于图1的方法，本说明书实施例还提供了该方法的一些具体实施方式，下面进行说明。
步骤一，以一次热模拟为基础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 BDA0003463827130000061
再进行待焊接试样加工：沿轧制方向加工截面10×10mm2的块状试样和2mm厚的板状试样用于热模拟。本实施例采用了两种形状不同的待焊接试样，这样可以对试样进行全面的性能测试。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。
随后进行二次热模拟实验，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；一次热模拟：
以130℃/s的加热速度将试样加热到1350℃，保温1s；
以冷却时间段t8/5(800℃冷却到500℃所用的时间)为20s冷却到200℃。
二次热模拟：
以130℃/s的加热速度将试样加热到750℃，保温1s；
以80℃/s的速度冷却至900℃；
以冷却时间段t8/5为20s，30s，40s，50s冷却到室温。
步骤二，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：将热模拟后的块状试样加工成CTOD试样，具体尺寸如图3所示。实验速率为0.5mm/s，实验温度-10℃，。
断裂韧性计算：对CTOD实验后的试样断口进行测量，计算出CTOD值，评价不同t8/5条件下的断裂韧性。
CTOD值δ计算如下：
Figure BDA0003463827130000071
Figure BDA0003463827130000072
其中：F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 BDA0003463827130000073
表明随t8/5的增加试样的断裂韧性不断降低。
步骤三，对所述热模拟后的试样进行预应变或不操作，然后加工成慢拉伸试样进行慢拉伸实验，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2×10-5mm/s，溶液为添加10-3mol/L S2O3 2的标准的NACE A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，并由此选择出最优t8/5。SSCC敏感性系数(Sψ)的计算如公式(4)所示：
Figure BDA0003463827130000081
其中：ψs为腐蚀介质中的延伸率，ψ0为空气中的延伸率。
预应变敏感性计算：通过预应变前后延伸率损失来反映试样的预应变敏感性，并由此选择出最优t8/5。预应变敏感性系数(I)的计算如公式(5)所示：
Figure BDA0003463827130000082
其中：ψp0为预应变前的延伸率，ψp1为预应变后的延伸率。
步骤四，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 BDA0003463827130000083
其中，Δt为目标冷却时间段，T1、T2分别为冷却起止温度，T0为预热温度，Q为焊接热输入，d为板厚，l为热传导率，p为材料的密度，c为比热容。
按照上述步骤得到焊接热输入后根据公式(7)就可以规划焊接电流(I)，电弧电压(U)与焊接速度(V)，从而得到焊接参数。
Q＝IUη/V (7)
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。
步骤五，焊件抗硫化氢应力腐蚀性能检测：按照最终确定的焊接参数及传统焊接工艺参数，采用工业中常用的二氧化碳气体保护焊进行焊接，按照标准NACE TM 0177将焊后试样加工成图4所示，将试样测量尺寸并用楔形块加载后置于NACEA溶液中，在通入氮气除氧后通入硫化氢气体，浸泡720h后取出，使用拉伸机进行拉伸获得应力-应变曲线，并计算硫致应力腐蚀临界应力强度系数。
Figure BDA0003463827130000091
其中KISSC为硫致应力腐蚀开裂强度系数；P为平衡楔形块的载荷，加载面上的实测值；a为开裂长度；h为每一悬臂的高度；B为试件厚度；Bn为腹板厚度。
当所确定的焊接工艺KISSC较大说明该工艺与传统工艺相比可以优化提高焊缝性能，反之则没有优化效果，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敏感性系数及预应变敏感性系数如下表所示：
Figure BDA0003463827130000092
Figure BDA0003463827130000093
t8/5＝30s时试样在预应变前后的SSCC敏感性均较低，且在不同介质中的预应变敏感性最低，断裂韧性也处于较高水平，说明在预应变作用下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，设计开发合适的多层多道焊接工艺。
步骤六，通过进行优化参数与传统焊接参数的双悬臂梁试验，计算硫致应力腐蚀开裂强度系数，从而验证该参数对管道焊接性能的优化作用。
Figure BDA0003463827130000101
其中，KISSC为硫致应力腐蚀开裂强度系数；P为平衡楔形块的载荷，加载面上的实测值；a为开裂长度；h为每一悬臂的高度；B为试件厚度；Bn为腹板厚度。
需要说明的是上述步骤二和三可以互换顺序，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。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种基于二次调控法的大变形管线钢填充焊参数确定方法，其特征在于，包括：
以一次热模拟为基础对待焊接试样进行二次焊接热模拟实验，得到热模拟后的试样；
将所述热模拟后的试样加工成CTOD试样，并计算断裂韧性参数；
对热模拟后需要预应变的试样通过单轴拉伸进行预加载，然后对热模拟后预应变前后的试样进行加工得到慢拉伸试样，进行慢拉伸实验并计算应力腐蚀开裂敏感性参数；
比较预应变前后试样延伸率的变化，并计算预应变敏感性参数；
结合预应变敏感性参数、断裂韧性参数和应力腐蚀开裂敏感性参数综合分析确定二次热模拟参数；
按照三维传热公式将确定的二次热模拟参数通过计算转化为焊接热输入参数；
根据所述焊接热输入参数确定焊接参数；
通过比较所述焊接参数与传统焊接参数的硫致应力腐蚀开裂强度系数确定该参数的优化作用。
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的二次热循环冷却速度不同。
3.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，所述断裂韧性参数的计算公式为：
Figure FDA0003463827120000011
Figure FDA0003463827120000012
其中：F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。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述慢拉伸实验包括：
以第一预设拉伸速率在空气中对所述热模拟后的试样拉伸至指定应变；
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；
所述应力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 FDA0003463827120000021
其中，Sψ为SSCC敏感性系数，ψs为腐蚀介质中的延伸率，ψ0为空气中的延伸率。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预应变敏感性计算公式为
Figure FDA0003463827120000022
其中：ψp0为预应变前的延伸率，ψp1为预应变后的延伸率。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述二次调控法中二次热模拟参数与焊接热输入的关系为：
Figure FDA0003463827120000023
其中，Δt为目标冷却时间段，即二次热模拟t8/5，T1、T2分别为冷却起止温度，T0为预热温度，Q为焊接热输入参数，d为板厚，l为热传导率，p为材料的密度，c为比热容。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述焊接热输入参数确定焊接参数，具体包括：采用以下公式进行计算：
Q＝IUη/V；
其中，Q为焊接热输入参数，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，所述硫致应力腐蚀开裂强度系数计算公式为：
Figure FDA0003463827120000031
其中，KISSC为硫致应力腐蚀开裂强度系数；P为平衡楔形块的载荷，加载面上的实测值；a为开裂长度；h为每一悬臂的高度；B为试件厚度；Bn为腹板厚度。
9.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参数确定焊接参数之后，还包括：
按照所述焊接参数采用二氧化碳药芯气体保护焊进行焊接，得到检测试样；
对所述检测试样进行CTOD实验、预应变实验和应力腐蚀实验，得到实验结果；
结合所述实验结果确定最终的焊接参数。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述CTOD实验的实验速率为0.5mm/min，实验温度-10℃，所述预应变实验的实验速率为0.5mm/min，所述应力腐蚀实验的实验速率为2×10-5mm/s，实验温度23℃。
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