CN1548265A - 一种现场快速消除小直径管道焊接接头残余应力的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及焊接结构延寿处理技术领域，具体地说是一种快速消除小直径管道焊接接头残余应力的方法。具体是采用温差形变处理，在小直径管道接头环焊缝两边的压应力区进行快速加热，造成加热区与焊缝部位的温差；工艺为：1)加热区以焊缝为中心对称分布，离开环缝距离为20mm～40mm；其加热宽度为10～30mm；2)迅速加热，使加热区与环缝达到150℃～550℃温差；然后自然冷却即可。本发明可以降低焊接接头拉应力80％～100％，本发明不但能消除大部分的应力，甚至完全消除SCC的危害，并且具有施工简便、效率极高特点，速度快、时间短，能耗低，特别是适合现场推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及焊接结构延寿处理技术领域，具体地说是一种快速消除小直径管道焊接接头残余应力的方法。
技术背景
在石油化工、冶金等行业，小直径管道(φ＜300mm)在运输管道系统中占有重要作用。管道内输送物质的腐蚀性和管道焊接接头部分存在残余拉伸应力的联合作用，常常会在管道焊接接头部位发生跑、冒、滴、漏等甚至完全开裂等事故，这种由于在特定材料上作用腐蚀介质和拉伸应力导致开裂的现象称为应力腐蚀开裂，简称SCC。由于彻底消除小直径管道焊接残余应力的困难，这一现象一直困扰化工、冶金等行业，存在安全隐患，造成很大的浪费和损失，因此有必要解决管道接头的SCC问题。
传统局部热处理一般采用电加热带缠在材料上，进行加热，靠蠕变减少应力，可以降低应力水平至材料屈服点的三分之二左右，但要求冷却速度不能太快、保温时间较长，仍存在较高的残余应力，因而不能完全消除SCC的危害。而且传统局部热处理有一个致命的弱点，就是处理效率低、能耗高，不适应现场推广应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种效果更优的快速消除小直径管道焊接接头残余应力的方法。
本发明的目的技术方案是：采用温差形变处理，利用加热设备，在小直径管道接头环焊缝两边的压应力区进行快速加热，使加热区与焊缝部位的温差达到一定大小；具体工艺为：
1)加热区以焊缝为中心对称分布，离开环缝距离为20mm～40mm；其加热宽度为10～30mm；
2)迅速加热，使加热区与环缝达到150℃～550℃温差；然后自然冷却即可。
其中：加热部位离开焊缝的距离选择在内表面轴向压应力区对应的外表面；对于20钢温差为150～550℃，对于16Mn钢温差为200～550℃，对于不锈钢温差为150～550℃；小直径管道可以为输送管道，管径直径范围：50～300mm；材料可以为：低碳钢、低合金结构钢、不锈钢等各种管道用钢；所述加热可采用火焰、远红外或电磁感应加热方法，如方便的话，在现场可用氧乙炔焰实现迅速加热。
本发明具有如下有益效果：
1.消除应力效果更优。加热区与非加热区的温差应该选择合适，太小不能有效消除焊缝区拉应力，太大又会在加热区形成新的高拉应力区，对不锈钢材料将是十分有害。由于本发明加热区与焊缝部位的温差合理，所以采用本方法不但能消除大部分的应力，甚至可以在接头附近造成压缩应力，与现有技术中局部热处理只能降低焊接接头焊接残余应力的1/3～1/4相比，本发明可以降低焊接接头拉应力80％～100％，甚至在焊接接头造成一定大小的压应力，完全消除SCC的危害。
2.本发明具有施工简便、效率极高特点，速度快、时间短，能耗低，特别是适合现场推广应用。
具体实施方式
实施例1
采用温差形变处理，在小直径管道接头环焊缝两边的压应力区进行快速加热，使加热区与焊缝部位的温差达到一定大小；具体工艺为：
取直径100mm、壁厚4.5mm的20钢管，加热区以焊缝为中心对称分布，用环形火焰加热器，加热离开焊缝的距离选择在内表面轴向压应力区对应的外表面，火焰有效加热宽度10mm，加热时间在30～40s之间(本实施例为35s)，火焰中心点距离焊缝中心线25～30mm(本实施例为25mm)。内壁与火焰中心正对的点，其最高温度达到400～500℃。500℃时，它与焊缝中心线上点的最高温差达到200℃，然后自然冷却即可。经测试残余应力的下降情况如下：
原始残余应力值(MPa)
| 与焊缝中心线距离(mm) | 5 | 10 | 20 | 30 | 40 | |
| 外表面 | 轴向 | -143 | -105 | 112 | 215 | 209 |
| 环向 | -25 | 13 | 32 | 143 | 175 | |
| 内表面 | 轴向 | 258 | 254 | 19 | -118 | -139 |
| 环向 | 150 | 206 | -159 | -212 | -145 | |
处理后残余应力值(MPa)
| 与焊缝中心线距离(mm) | 5 | 10 | 20 | 30 | 40 | |
| 外表面 | 轴向 | -180 | -203 | -48 | -118 | 5 |
| 环向 | -105 | -184 | 47 | 157 | 134 | |
| 内表面 | 轴向 | -134 | -46 | 117 | 234 | 48 |
| 环向 | -93 | -222 | -238 | 103 | -252 | |
可见，本实施例可以使焊接接头内表面由接近材料屈服点的拉应力变为压应力，可完全消除SCC的危害。
本发明原理如下：
由于小直径管道环焊缝缩短造成管内壁存在轴向拉应力，这是造成SCC的主要因素。在焊缝两边的压应力区加热使加热区与未加热区-中心焊缝区产生温差，温差造成焊缝两边的加热区的受热膨胀受到与之相邻的非加热区-中心焊缝区的限制。当温差达到相当大的数值时，便会使加热区产生压缩塑性变形，这样在温度平衡后，就会使焊缝两边加热区缩短，与中心焊缝区相协调，从而使焊缝区应力降低乃至消除。
本发明加热区与非加热区的温差应该选择合适，太小不能有效消除焊缝区拉应力，太大又会在加热区形成新的高拉应力区，对不锈钢材料将是十分有害。
实施例2
与实施例1不同之处在于：
取不锈钢钢管，直径：300mm，壁厚4.5mm，加热区离开环缝距离为30mm；其加热宽度为20mm，加热为40s，使加热区与环缝达到600℃，温差为400℃，然后自然冷却即可。
其结果：
原始残余应力值(MPa)
| 与焊缝中心线距离(mm) | 5 | 10 | 20 | 30 | 40 | |
| 外表面 | 轴向 | 1 | 1 | 22 | 247 | 166 |
| 环向 | 76 | 42 | -11 | 18 | 80 | |
| 内表面 | 轴向 | 250 | -31 | -88 | -190 | -134 |
| 环向 | 169 | 61 | -63 | -78 | -14 | |
处理后残余应力值(MPa)
| 与焊缝中心线距离(mm) | 5 | 10 | 20 | 30 | 40 | |
| 外表面 | 轴向 | 127 | 16 | -156 | -134 | 6 |
| 环向 | -100 | 30 | 23 | 47 | 33 | |
| 内表面 | 轴向 | 29 | -39 | 53 | 72 | -11 |
| 环向 | -17 | 10 | -15 | 28 | -21 | |
本发明还可以取低合金结构钢等各种管道用钢。
采用本发明可根据具体管道的材料、直径和壁厚，确定处理工艺参数，包括加热器的选择、离开焊缝的距离以及加热时间的选定。其中加热器的选择可以根据现场的具体情况来定，一般来说采用火焰加热在现场更加方便实用；其加热时间可以通过试验预先进行确定。各种管道用钢所需温差的确定原理是根据钢的热膨胀系数和处理所要达到的应力值来确定。
Claims (4)
1.一种现场快速消除小直径管道焊接接头残余应力的方法，其特征在于：采用温差形变处理，在小直径管道接头环焊缝两边的压应力区进行快速加热，造成加热区与焊缝部位的温差；具体工艺为：
1)加热区以焊缝为中心对称分布，离开环缝距离为20mm～40mm；其加热宽度为10～30mm；
2)迅速加热，使加热区与环缝达到150℃～550℃温差；然后自然冷却即可。
2.按照权利要求1所述现场快速消除小直径管道焊接接头残余应力的方法，其特征在于：加热离开焊缝的距离选择在内表面轴向压应力区对应的外表面。
3.按照权利要求1所述现场快速消除小直径管道焊接接头残余应力的方法，其特征在于：小直径管道可以为输送管道，管径直径范围：50～300mm；材料可以为：低碳钢、低合金结构钢、不锈钢各种管道用钢。
4.按照权利要求1所述现场快速消除小直径管道焊接接头残余应力的方法，其特征在于：对于20钢温差为150～550℃，对于16Mn钢温差为200～550℃，对于不锈钢温差为150～550℃。
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2003
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