管線鋼的異種填充金屬焊接性能、殘余應(yīng)力控制與腐蝕性能.pdf

1、油氣輸送管道焊接接頭的可靠性是石油工程安全不可忽視的問(wèn)題。高強(qiáng)度、大口徑的管道鋼可提升輸送壓力進(jìn)而使得輸送效率提高、輸送管道管壁減薄，相應(yīng)的焊接材料的消耗也會(huì)降低油氣輸送管道的成本。隨著管線鋼強(qiáng)度級(jí)別的提高，焊接接頭處產(chǎn)生焊接缺陷的傾向越大，焊接殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中的傾向也更大，可引起導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度降低，焊接氫致裂紋、脆性斷裂、應(yīng)力腐蝕裂紋等失效傾向增大。傳統(tǒng)的焊接殘余應(yīng)力消除手段在管道的現(xiàn)場(chǎng)焊接過(guò)程中實(shí)施困難且不可避免的提高成本。合理控制

2、管線鋼焊接接頭中殘余應(yīng)力的分布和大小是保障其焊接結(jié)構(gòu)安全的重要方法。特殊焊接填充材料法可利用焊接過(guò)程中發(fā)生的一系列組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的相變體積膨脹補(bǔ)償熱收縮過(guò)程產(chǎn)生的體積收縮，從而得到焊接殘余壓縮應(yīng)力，這一方法無(wú)需焊前及焊后熱處理，可直接在焊接過(guò)程中達(dá)到降低甚至消除殘余應(yīng)力的目的，除了成本低外更適合于很多難以進(jìn)行焊后熱處理的大型和復(fù)雜結(jié)構(gòu)及條件苛刻的現(xiàn)場(chǎng)焊接，具有廣闊的應(yīng)用前景。
　　本文通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)合金元素在鋼中的作用

3、及合金元素對(duì)馬氏體轉(zhuǎn)變溫度的影響進(jìn)行分析，結(jié)合舍弗勒相圖研制了三種具有不同馬氏體轉(zhuǎn)變溫度的焊絲，稱其為低溫相變焊絲（LTT），分別命名為L(zhǎng)TT1、LTT2、LTT3。以X65管線鋼為母材，同質(zhì)焊絲及低溫相變焊絲為填充材料，利用手工鎢極氬弧焊（TIG）的方法進(jìn)行焊接。焊后利用光學(xué)顯微鏡（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射（XRD）對(duì)焊接接頭的微觀組織進(jìn)行觀察并分析了焊接接頭中的相組成，合金元素?cái)U(kuò)散及顯微組織形貌，結(jié)果表明低溫相變

4、焊接接頭中微觀組織主要由馬氏體及少量殘余奧氏體組成（10％~15%），母材與焊縫金屬熔合良好，母材與焊縫熔合處存在合金元素的擴(kuò)散現(xiàn)象，主要合金元素在熔合區(qū)和焊縫處呈連續(xù)變化趨勢(shì)。對(duì)焊接接頭的低溫沖擊韌性、顯微硬度、拉伸強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明低溫相變焊縫焊縫金屬的顯微硬度和抗拉強(qiáng)度均高于同質(zhì)填充焊絲，室溫下三種低溫相變焊絲的沖擊韌性良好，但是隨溫度降低，LTT1，LTT3焊接接頭的沖擊韌性明顯下降，而LTT2焊接接頭的沖擊韌性隨溫度變化不

5、大。利用盲孔法對(duì)焊接接頭的殘余應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示同質(zhì)焊接接頭中焊縫區(qū)域分布著較大數(shù)量級(jí)的殘余拉伸應(yīng)力，其縱向峰值可達(dá)450MPa、橫向峰值可達(dá)到250MPa左右；低溫相變焊接接頭焊縫中心的應(yīng)力狀態(tài)為殘余壓縮應(yīng)力或較小數(shù)量級(jí)的殘余拉伸應(yīng)力，其縱向應(yīng)力在-300~200MPa之間，其橫向應(yīng)力在-200~200MPa之間。此外，焊后同質(zhì)焊絲填充的鋼板變形方向與低溫相變材料填充的方向相反，變形弧度分別為：LTT1焊后焊接接頭變形為0.0

6、56rad，LTT2焊后焊接接頭變形為0.083rad，LTT3焊后焊接接頭變形為0.033rad，同質(zhì)焊絲焊后焊接接頭變形為0.14rad。造成這種結(jié)果的主要原因即為殘余應(yīng)力狀態(tài)改變。利用電化學(xué)方法對(duì)低溫相變填充的焊接接頭在含有不同NaCl濃度和不同PH值的兩組0.2mol/L H2S的飽和溶液中的耐腐蝕性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明隨著NaCl濃度的增加，焊接接頭的耐蝕性下降，隨著溶液 PH的增加，焊接接頭的耐蝕性提高，當(dāng)溶液由酸性變化為弱