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        凸臺焊接對HFW焊管性能影響的模擬研究

        2018-04-19 05:27:17,,,,
        石油管材與儀器 2018年2期
        關(guān)鍵詞:晶區(qū)閥室熱循環(huán)

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        (1.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院,石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710077; 2.中石油管道聯(lián)合有限公司西部分公司 新疆 烏魯木齊 830013)

        0 引 言

        高頻電阻焊(high-frequency electric welding,HFW)管由于生產(chǎn)效率和尺寸精度高、易于防腐涂覆等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于西氣東輸二線站場/閥室的管道建設(shè)中[1,2]。為了滿足閥門、儀表和法蘭等的安裝需要,站場/閥室建設(shè)工程中經(jīng)常會遇到在主管上開孔、焊接凸臺(支管座)連接支管的情況[3-6]。在實(shí)際操作中,由于HFW高頻電阻焊管焊縫肉眼難以辨別,部分凸臺安裝位置距離焊管焊縫很近甚至重合,存在安全隱患。

        物理模擬技術(shù)通過對小型金屬試樣在不同受熱、受力條件下變形(或變態(tài))行為的模擬實(shí)驗(yàn),為金屬材料的物理冶金研究及科研開發(fā)提供既揭示微觀機(jī)理,又指導(dǎo)實(shí)際工藝的分析資料。本文以站場/閥室高頻電阻焊管上的凸臺焊接為研究對象,根據(jù)焊接時實(shí)時測量的熱循環(huán)曲線,利用Gleeble3 500熱-力學(xué)模擬試驗(yàn)機(jī),通過物理模擬方法研究凸臺焊接對HFW焊管管體和直焊縫拉伸、沖擊性能的影響規(guī)律。

        1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

        1.1 試驗(yàn)材料

        試驗(yàn)用鋼管選用西氣東輸二線站場/閥室中常用的HFW高頻電阻焊管,鋼級L415MB、規(guī)格Φ406.4 mm×12.5 mm,化學(xué)成分見表1。表1中同時列出計算所得的CEⅡw、Ceq和Pcm值。材料的拉伸和沖擊性能見表2。凸臺選用工作壓力為12 MPa、材料A350 LF2,規(guī)格DN400 mm×25 mm的焊接式凸臺。

        1.2 試驗(yàn)方法

        利用熱切割的方法在HFW高頻電阻焊管焊縫中心開直徑為Φ25 mm的小孔。根據(jù)西氣東輸二線管道規(guī)程站場/閥室焊接工藝規(guī)程,采用鎢極氬弧焊(GTAW)打底、焊條電弧焊(SMAW)填充蓋面的焊接方法焊接凸臺,具體的焊接工藝參數(shù)見表3。

        利用儲能焊機(jī)將K型熱電偶固定在焊管表面距離凸臺角焊縫0.89 mm和3.01 mm位置(焊接后實(shí)測位置)。測試設(shè)備采用日本基恩士TR-TH08高精度溫度/電壓測量儀,可同步查看和記錄不同位置的溫度變化情況[7,8],如圖1所示。

        制備HFW高頻電阻焊管管體和縱焊縫的Φ6 mm×71 mm、10.5 mm×10.5 mm×71mm的熱模擬試樣。利用Gleeble3 500熱-力學(xué)模擬試驗(yàn)機(jī),如圖2所示。將前文測得的焊接熱循環(huán)曲線溫度加載在制備的熱模擬試樣上。熱模擬試驗(yàn)后將試樣加工成標(biāo)準(zhǔn)的拉伸試樣和沖擊試樣。

        表1 L415MB高頻電阻焊管化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

        注: 1) CEⅡw=C+Mn/6+(Cu+Ni )/15 +(Cr + Mo +V)/5 2) Ceq=C+Mn/6+Si/24+Ni/15+Cr/5+Mo/4+Cu/13+P/2 3) Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+Ni/60+V/10+5B

        表2 L415MB電阻焊管力學(xué)性能

        表3 凸臺焊接工藝參數(shù)

        注:DCEN-表示與焊接材料相連的電極與電源的負(fù)極相關(guān)聯(lián);DCEP-表示焊條與電源的正極相關(guān)聯(lián)。

        圖1 TR-TH08型熱循環(huán)測量儀

        圖2 Gleeble 3500熱-力學(xué)模擬試驗(yàn)機(jī)

        2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

        凸臺焊接總共為四道次,第一道次為打底焊接、第二、三道次為填充焊接,第四道次為蓋面焊接。圖3為凸臺焊接時距離角焊縫0.89 mm、3.01 mm(焊接結(jié)束后實(shí)測距離)處熱電偶測得的熱循環(huán)曲線。凸臺打底焊接采用的是鎢極氬弧焊接,通過對距離角焊縫0.89 mm處的焊接熱循環(huán)曲線分析可知,第一道次焊接的加熱階段可以分為三個階段:0~600 ℃,加熱速度為150 ℃/s;600~850 ℃的加熱速度增加為256 ℃;850~915 ℃則加熱速度降為50 ℃/s。熱循環(huán)峰值溫度達(dá)到了915 ℃后緩慢冷卻,從915 ℃降低到800、700、650和400 ℃的冷卻速度依次為82、52、32和23 ℃/s。凸臺填充和蓋面焊接采用焊條電弧焊。三道次的平均加熱速度依次為:59、278和414 ℃/s,峰值溫度則依次為:586、1 355和1 372 ℃。在蓋面焊接時,測點(diǎn)在1 372 ℃的停留時間約為2 s。測點(diǎn)在高溫的停留時間(1 000 ℃)依次為9.2和6 s。焊接后800 ℃到500 ℃的停留時間依次為:10、9、8.5 s。通過上述統(tǒng)計可知,隨著焊接道次的增加,凸臺角焊縫附近區(qū)域的加熱速度、峰值溫度、高溫停留時間以及冷卻速度都逐漸增加。在每個道次的焊接中,加熱速度在焊接溫度快速達(dá)到高溫后(1 000 ℃)、峰值溫度前,存在快速降低的情況,而焊后冷卻速度則隨著溫度的降低而逐漸小。距離凸臺角焊縫3.01 mm處的焊接熱循環(huán)的規(guī)律同上述一致,峰值溫度在最后焊接道次也達(dá)到了約1 004 ℃。

        圖3 凸臺焊接后ERW焊管外表面焊接熱循環(huán)曲線

        HFW焊管管體和直焊縫橫向拉伸試樣經(jīng)過圖3所示峰值溫度高達(dá)1 372 ℃和1 004 ℃的焊接熱循環(huán)后,測得的拉伸試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。由圖4可知,HFW焊管直焊縫的抗拉強(qiáng)度最低,為524.5 MPa,約為HFW管體的88%。通過凸臺焊接的熱模擬試驗(yàn)后,HFW管體粗晶區(qū)(1 372 ℃)和細(xì)晶區(qū)(1 004 ℃)的抗拉強(qiáng)度相對于管體降低,其中細(xì)晶區(qū)抗拉強(qiáng)度降低為535 MPa,約為HFW管體的90%。ERW焊管直焊縫橫向拉伸試樣經(jīng)過焊接熱循環(huán)后,模擬焊接粗晶區(qū)(1 372 ℃)和細(xì)晶區(qū)(1 004 ℃)的抗拉強(qiáng)度則稍有上升,粗晶區(qū)和細(xì)晶區(qū)抗拉強(qiáng)度分別增加為564、551.5 MPa,約為ERW管體的94.8%和92.7%。

        HFW管體和直焊縫沖擊試樣經(jīng)過峰值溫度高達(dá)1 372 ℃和1 004 ℃的焊接熱循環(huán)后,測得在0 ℃和-40 ℃的沖擊試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示:在0 ℃時,管體和縱焊縫的沖擊韌性值分別為207 J和365 J,都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求。通過凸臺焊接熱模擬試驗(yàn)后,粗晶區(qū)和細(xì)晶區(qū)試樣的沖擊韌性都遠(yuǎn)高于ERW焊管原始性能。在-40 ℃,管體和縱焊縫的沖擊韌性值稍有降低,分別為191 J和344 J,凸臺焊接熱模擬后,粗晶區(qū)組織韌性低于焊縫而高于管體,約為249 J,細(xì)晶區(qū)組織則高于管體和縱焊縫,在-40 ℃仍然高達(dá)379 J。

        圖5 HFW焊管管體和直焊縫沖擊性能

        3 結(jié) 論

        以站場/閥室高頻電阻焊管上的凸臺焊接為研究對象,根據(jù)焊接時實(shí)時測量的熱循環(huán)曲線,通過物理模擬方法研究凸臺焊接對HFW焊管管體和直焊縫拉伸、沖擊性能的影響規(guī)律,結(jié)論如下:

        1)凸臺焊接時焊縫附近HFW焊管外表面距離角焊縫0.89 mm和3.01 mm處峰值溫度分別高達(dá)1 372 ℃和1 004 ℃。

        2)凸臺焊接后HFW焊管管體和直焊縫模擬粗晶區(qū)和細(xì)晶區(qū)的抗拉強(qiáng)度高于HFW焊管直焊縫。

        3)凸臺焊接后HFW焊管管體和直焊縫模擬粗晶區(qū)和細(xì)晶區(qū)的沖擊韌性高于HFW焊管管體。

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