焊缝余高对复合型坡口X80管线钢多层多道焊接残余应力的影响

基于熔池反演法获取与工程实际一致的热源模型和参数,采用非线性有限元软件MSC. Marc“生死单元”技术对X80管线钢复合型坡口GMAW多层多道焊接过程热–力耦合有限元程序,并进行了数值模拟计算,进一步分析了复合型坡口有无余高两种情况下焊接接头的残余应力分布情况. 结果表明,焊接余高对焊接热循环过程曲线无明显影响,对焊后残余应力影响显著,有余高和无余高的纵向、横向残余应力均呈现“双峰”现象,应力集中于焊趾处;有余高时的纵向与横向峰值应力均高于无余高情况,且超过了X80管线钢的屈服强度.     

残余元素Sb对X80管线钢力学性能的影响

采用真空感应炉熔炼了不同Sb含量的X80管线钢,探究了Sb在钢中的存在形式及对其显微组织的影响,并通过维氏硬度测试、-20℃夏比冲击试验以及室温拉伸试验,研究了Sb含量对X80管线钢力学性能的影响。结果表明,X80管线钢中的残余元素Sb均匀分布在钢基体中;随着试样中Sb含量从0.0006%增加至0.0980%,钢中铁素体和珠光体的平均晶粒尺寸先增大后减小,钢的维氏硬度先增大后基本趋于不变,冲击吸收能量基本逐渐降低,而抗拉强度和屈服强度先降低再升高后略有降低,屈强比呈先减小后增大的趋势,伸长率略微下降。为保证X80管线钢的力学性能,应尽量减少钢中残余元素Sb含量。     

超声滚压加工对X80管线钢焊接残余应力的影响

建立超声表面滚压加工（ultrasonic surface rolling process,USRP）的三维有限元模型,开发了模拟焊接的移动双椭球热源子程序,利用有限元软件ABAQUS模拟了X80管线钢焊缝不同方向的焊接残余应力,在此基础上叠加USRP的超声振动与静载荷的综合作用,模拟了表面塑形变形、应力和应变,耦合后分析了USRP前后残余应力的变化规律.结果表明,经过USRP处理,X80管线钢表面焊缝区由三向残余拉应力变为三向残余压应力,随着USRP次数的增加,残余压应力数值不断增大,残余应力σ_x,σ_y,σ_z变化规律基本相同.     

X80管线钢激光电弧复合焊接数值分析

根据激光电弧复合热源焊接的物理特征,建立双椭球体热源焊接模型。使用ANSYS有限元分析软件对X80管线钢激光电弧复合焊接的温度场和应力场进行耦合分析,在此基础上对10 mm厚X80管线钢进行对接焊试验,并对比分析数值计算结果和实际焊接试验结果。结果表明,数值仿真得到的焊缝截面形状、焊缝尺寸以及试件残余应力与焊接试验所得结果吻合,验证了选用热源模型的适用性,为焊缝组织和性能的预测奠定了基础。     

X80管线钢环焊缝接头残余应力的数值模拟

利用SYSWELD有限元分析软件,以热弹塑性理论为基础,采用双椭球焊接热源模型,对X80管线钢环焊缝接头的焊接温度场和应力场进行了模拟仿真.得到了焊接残余应力的分布规律,即焊缝及近缝区的残余应力值较大,远离焊缝中心残余应力值逐渐减小;由于表面和心部散热条件不同,造成了管道表面和心部的残余应力方向上的差异或数值大小的不同.研究了焊接工艺参数对残余应力的影响规律.结果表明,随着热输入的增大和预热温度的提高残余应力值逐渐降低;为了减小焊接残余应力,应尽量采用较大热输入和较高预热温度进行焊接.     

X70管线钢硫化氢应力腐蚀

测试了在含硫化氢(H2S)的介质中不同成分X70管线钢母材、焊缝及焊缝消除残余应力退火后的H2S应力腐蚀性能。在此基础上，讨论了成分及焊后退火处理对管线钢H2S应力腐蚀的影响。试验结果表明，对X70管线钢由H2S引起的应力腐蚀开裂SSCC(Sulfide Stress Corrosion Cracking)的主要影响因素是Mn、P元素，而不是C元素。相对母材而言，焊缝的抗SSCC的能力有所降低，这是由于在焊接过程中，焊缝的成分，组织及性能等发生了一系列变化。同时，焊缝中存在的焊接缺陷也会导致焊缝的SSCC抗力降低。此外，通过消除残余应力退火处理可提高管线钢SSCC抗力。     

X80钢补焊残余应力影响下的氢扩散模拟

通过有限元软件ABAQUS建立了X80钢三维补焊模型,综合考虑焊接残余应力和组织不均匀性的影响,采用顺序间接耦合方法,对平板补焊的温度场、应力场和氢扩散进行耦合计算。研究了在不同补焊热输入条件下的补焊残余应力变化规律。结果表明：补焊后最大残余应力出现在补焊焊缝区域,横向残余应力S11应力峰值增加55%,纵向残余应力S22超过材料屈服强度。不同补焊热输入对S11影响较大。无残余应力影响时氢扩散呈现梯度分布,有应力影响时,氢在残余应力集中区域浓度较大,残余应力促进了氢的扩散和聚集。     

热处理对X80管线钢在模拟海水中应力腐蚀的影响

利用电化学工作站测试了经不同工艺热处理后X80钢在海水模拟液中的极化曲线,并采用慢应变拉伸试验（SSRT）对其在模拟海水环境中进行了应力腐蚀试验。用扫描电镜（SEM）观察试样的断口形貌,并结合腐蚀试验结果分析在模拟海水环境中X80钢的应力腐蚀开裂机理。极化曲线表明未经过热处理的X80钢耐蚀性最差,腐蚀电流密度最大,热处理有效改善了钢样在模拟海水中的耐蚀性能,在回火温度为650 ℃时,腐蚀电流密度最小;SSRT试验结果表明,热处理后试样的断裂强度和伸长率增加,说明应力腐蚀开裂敏感性降低,并且回火温度越高,应力腐蚀开裂敏感性越低;电镜扫描结果显示经热处理后的试样断口出现了韧性断裂特征,宏观断口出现颈缩,微观上也可以观察到韧窝。     

X80钢焊接残余应力耦合接头组织不均匀下氢扩散的数值模拟

采用ABAQUS软件建立了煤制气管线X80钢螺旋焊管三维模型,综合考虑焊接残余应力和组织不均匀性的影响,进行了焊接接头氢扩散的数值模拟。结果表明,残余应力和组织不均匀都会导致氢扩散的发生,氢浓度的分布规律与静水应力分布特征相似,即静水应力越高的区域,相应的氢浓度也较高,说明残余应力的影响大于组织不均匀性的影响。氢浓度最高的焊缝区比不考虑残余应力时提高了2.7倍,通过等效充氢压力下的慢应变速率拉伸实验发现,氢脆系数由不考虑残余应力时的18.56%上升至考虑残余应力所致氢富集条件下的32.53%,增加幅度达到75.27%。因此,残余应力是导致焊接接头氢富集进而影响氢脆失效的重要因素,采用数值模拟方法确定氢富集程度则是评估煤制气管线焊接接头安全性的重要基础。     

X80管线钢的焊接性

采用管道输送石油或天然气是最经济、最安全的运输方式.随着国民经济的发展,天然气工业越来越受到重视.我国在西气东输国家重点工程建设中,对X70、X80管线钢进行了成功的研制、开发.在西气东输二线工程中,将大规模的采用X80钢进行管线铺设.介绍了西气东输二线工程的几个突出特点.论述了高强度管线钢的发展历程.并且对于管线钢的三个类型进行了分析.重点论述了X80钢的焊接性,分析了焊接裂纹、HAZ的软化、焊缝与管材的强韧匹配等.并且对于X80钢的试验、研究、以及焊接等应用情况做了介绍.     

表面纳米化对X80管线钢应力腐蚀开裂行为的影响

通过超声表面滚压(ultrasonic surface rolling processing,USRP)方法对X80管线钢进行表面纳米化处理,利用金相显微镜和透射电镜对材料表面的微观组织进行了分析.采用慢应变速率拉伸试验(SSRT)和扫描电镜观察研究USRP对X80管线钢在NS4溶液中的应力腐蚀行为.结果表明,USRP处理使X80管线钢表层晶粒细化至纳米量级,X80管线钢随着外加电位的负移,断裂时间、断面收缩率、应变量都明显缩短,X80管线钢的SCC敏感性增加,应力腐蚀断口呈穿晶准解理特征,表面纳米化延长了X80管线钢的断裂时间,增加了应力腐蚀抗力.     

X80管线钢三丝埋弧焊纵向残余应力数值模拟

基于ANSYS软件建立了X80管线钢(Nb-Mo系)三丝埋弧焊的三维热力耦合数值模型。研究三丝埋弧焊接头温度与焊后纵向残余应力的分布情况,以及焊接工艺参数(焊接速度、焊丝间距)对三丝埋弧焊接头应力场分布的影响。计算结果表明:焊接是一个温度急剧变化的过程,温度的分布不均匀是导致残余应力出现的主要原因。焊后最高纵向残余应力存在于焊缝区,在边界处纵向残余应力趋于0。增大焊接速度或焊丝间距均会引起焊后纵向残余应力的升高。使用盲孔法测量焊缝附近一些点的纵向残余应力,测量结果与模拟结果基本吻合。     

考虑应力三轴度影响的X80管线钢延性断裂研究

为了得到X80管线钢在不同应力三轴度下的延性断裂特征,通过标准拉伸试件的准静态拉伸试验标定了X80管线钢的Johnson-Cook本构模型参数。通过不同应力三轴度下的准静态试验和有限元分析得到了各试件的平均应力三轴度和断裂应变,并得到了应力三轴度对断裂应变、抗拉强度和延性的影响规律。结果表明,建立的X80管线钢本构模型与失效模型能够较好地表征X80管线钢在不同应力三轴度下的力学行为与断裂特征。在不同的应力三轴度区间内,X80管线钢的断裂应变与平均应力三轴度的关系满足不同的函数类型,当应力三轴度为0.80～1.56时为递减的Johnson-Cook失效模型函数,当应力三轴度为0～0.80时为递增的线性函数,当应力三轴度为-1/3～0时为递减的幂函数。X80管线钢的抗拉强度与应力三轴度的函数关系满足二次函数的分布形式并单调递增,而延性随着应力三轴度的增加而降低。     

X80管线钢焊接工艺参数研究

采用热模拟技术、工程测试手段和显微分析方法,研究了线能量和预热温度对X80管线钢焊接热影响冲击韧度的影响规律，并分析了其原因，从而推荐出最佳焊接工艺参数.     

应变速率对X80管线钢在库尔勒土壤环境中应力腐蚀开裂的影响

利用慢应变速率拉伸试验(SSRT)、动电位扫描及扫描电镜(SEM)技术研究了X80管线钢在库尔勒模拟溶液中应力腐蚀开裂(SCC)行为.结果表明,随着应变速率的增加,X80管线钢在模拟溶液中的腐蚀速率先增大后减小.当应变速率为5×10-7/s时,试样腐蚀较为缓慢,此过程电化学腐蚀起决定性作用;当应变速率为5×10-6/s时,试样的腐蚀情况最为严重,此时力学作用占主导地位.     

X80钢级管线钢焊接工艺试验

在选定焊接方法、焊接材料和工艺参数条件下,进行了X80管线钢试件焊接和接头性能试验。结果表明,X80管线钢具有良好的可焊性,选用的焊接材料和工艺参数可用于这种材料管道的现场焊接及焊缝返修。     

焊接残余应力对管线钢防腐性能的影响

借助有限元分析手段对X80管线钢对接接头的残余应力进行仿真计算,得到残余应力分布情况.采用X射线衍射法和盲孔法对预测结果进行试验验证.结果表明,周向残余应力总体变化趋势呈现先增大,稳弧后应力平稳达到峰值位置保持,在接近收弧位置,残余应力值减小;轴向残余应力总体变化趋势呈现先增大,残余应力达到峰值位置后平稳下降.残余应力仿真预测结果与两种测量方法所得结果相吻合,X射线衍射法结果高于盲孔法应力结果.通过有限元仿真技术预测应力较大位置,此技术对有效防止应力腐蚀开裂有一定的工程应用指导意义.     

外加电位对X80管线钢在库尔勒土壤模拟溶液中应力腐蚀行为的影响

采用动电位扫描方法和慢应变速率拉伸试验(SSRT)研究了X80管线钢在库尔勒土壤模拟溶液中的应力腐蚀行为,并用扫描电镜观察分析了不同外加电位下的断口形貌。结果表明,X80管线钢在库尔勒土壤模拟溶液中的极化曲线具有典型的活性溶解特征。随外加电位的负移,X80管线钢的应力腐蚀敏感性明显增加。阴极极化条件下,X80管线钢在库尔勒土壤模拟溶液中的SCC的开裂机制为氢致破裂(HIC)。     

国产X80管线钢的H2S应力腐蚀开裂行为

采用三点弯曲加载法,研究了国产X80管线钢及其焊接接头的抗H2S环境应力腐蚀开裂（SSCC）行为.结果表明,热影响区（HAZ）对应力腐蚀开裂最为敏感,主要是HAZ组织不均匀、晶粒粗大、硬度大,易引起局部腐蚀,从而导致该区SSCC敏感性高。母材的纵向和横向取样对H2S应力腐蚀不敏感,薄壁管材较厚壁管材有更好的H2S环境应力腐蚀抗力.      

外加电位下X80双相管线钢在模拟沿海土壤环境中的应力腐蚀行为

采用交流阻抗谱、极化试验、慢应变拉伸试验研究了不同外加电位下在模拟沿海土壤环境中X80双相管线钢的应力腐蚀行为,对拉伸断口和极化后试样进行SEM表面形貌及能谱分析。结果表明,与慢扫极化(模拟的非裂尖区域)相比,X80双相管线钢快扫极化模拟的裂尖腐蚀电位较负且腐蚀电流较大。-750 mV外加阴极电位处于裂尖自腐蚀电位范围,不足以起到阴极保护的作用,对应力腐蚀仍十分敏感。外加电位为-1050 mV时,阴极反应速率显著大于阳极反应,阴极反应产生的氢被金属吸收且扩散,慢应变拉伸未经颈缩即发生断裂,为准解理断裂。外加阴极电位为-900 mV,阴极电流有效抑制了阳极溶解反应,因此管线钢在模拟沿海土壤溶液中慢应变拉伸抗拉强度和断面收缩率都最高,断口表现为韧性断裂,侧面裂纹细小,阻抗模值最大,应力腐蚀敏感性最小。