【摘要】：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降低油氣輸送管道的成本。隨著管線鋼強(qiáng)度級別的提高,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)場焊接過程中實施困難且不可避免的提高成本。合理控制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,這一方法無需焊前及焊后熱處理,可直接在焊接過程中達(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)場焊接,具有廣闊的應(yīng)用前景。本文通過理論與實驗相結(jié)合的方法對合金元素在鋼中的作用及合金元素對馬氏體轉(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LTT1、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,合金元素擴(kuò)散及顯微組織形貌,結(jié)果表明低溫相變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。對焊接接頭的低溫沖擊韌性、顯微硬度、拉伸強(qiáng)度進(jìn)行測試,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大。利用盲孔法對焊接接頭的殘余應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行檢測,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0.056rad,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堿性時,焊接接頭在腐蝕介質(zhì)中的腐蝕情況幾乎不受溶液PH值影響。
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TG40

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本文編號：2567371