X80高强度管线钢的焊接性分析

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20年第 3 08 7卷第 6期第 2 7页

石油矿场机械OI F E E L I LD QUI PMENT

文章编号：1 0 4 2 2 0 ) 6 0 2— 4 0卜3 8 ( 0 8 0— 0 7 0

X 0高强度管线钢的焊接性分析 8安琳，学利徐(安石油大学材料科学与工程学院，西安 7 0 6 ) 西 1 0 5

摘要：分析了 X8 0高性能管线钢的碳当量、热裂纹敏感性、裂纹敏感性以及焊接热影响区的脆化冷问题，讨了防止 X 0管线钢产生冷裂纹的工艺措施及提高焊接热影响区韧性的途径， X 0高探 8为 8

性能管线钢在实际管道建设中的应用提供了理论基础。关键词： 8 X 0管线钢；接性；当量；接热影响区焊碳焊

中图分类号：T 93 E7

文献标识码：A

S u y olW ed b lt fX8 p ln t e td i l a iiy o 0 Pi e i e S e lA N n, U u—i Li X X el

( c o l f Ma e ilS in ea d En ie rn S h o tra ce c n g n e ig,Xia h y u Unv r i o’ nS io iest y,Xia 1 0 5 h n ’ n7 0 6,C ia)

Ab ta t sr c:X80 p p lne s e l a b quia e,c l r c n e s b lt n t c a ki g s n i i e i t e c r on e v l nt o d c a ki g s n i iiy a d ho r c n e s— s biiy a d H AZ e lt n mbrtl m e pr blm s a e a l z d,t e m e ho t v i ol c a k r i— ite nt o e r na y e h t ds o a o d c d r c a e d sc se u s d,t e w a fpr po e he X8 p ln t e e d n A Z ou e n sc l u a e h y o o s d t 0 pi e i e s e lw l i g H t gh ni g i a c l t d,w hih c

p o i e h o y c ie i n n i e rn u d n e f r p p l e c n t u to . r v d s t e r rt ra a d e g n e i g g i a c o i e i o s r c i n

nKe r:X8 pe i t e; l a lt c r n e ui a e; y wo ds 0 pi lne s e l we d biiy; a bo q v lnt HAZ

长距离、管径、压输送已成为现代油、输大高气送管线的主体，了确保输送管线建设的经济性、为运

钢焊接性对于指导其焊接施工，证焊接质量和管保道安全可靠运行具有重要的意义。

行的安全性和可靠性， 8 X 0高性能管线钢在管线建设上的应用将越来越普遍。由于油、气输送管线的建设实质上是一项大规模的焊接成形 (制管 )长距和离的焊接安装工程 (场环焊 )其焊接质量在很大现，程度上决定了工程质量，而焊接质量与管线钢的焊接性密切相关。焊接性指金属材料在一定工艺条件下，能够焊接成具体的设计结构，并满足预期使用要求的能力。主要包括裂纹敏感性和使用性能 2个方面[。管线钢的焊接性与管线钢本身和焊接工艺条 1]件有关。管线钢的供货状态、表面状态、焊接材料的选用、焊接接头的尺寸形状、接方法、接工艺参焊焊数、前预热、焊后热和焊后热处理以及环境条件等对其焊接性都有较大影响L。分析 X 0高性能管线 2] 8

1碳当量分析X8 0高性能管线钢是一种低碳微合金控制轧制控制冷却钢， 4种典型 X 0高性能管线钢的化学成 8分如表 1碳当量、裂敏感指数和热裂敏感指数如，冷

表2。可以看出， 4种 X8 0高性能管线钢含碳量均比较小，由于合金元素含量较大，碳当量仍然较但其高。碳当量可以粗略反映钢材的淬硬倾向和焊接加工的难易程度，对碳当量进行适当的控制。4种应 X 0高性能管线钢的冷裂敏感指数和热裂敏感指数 8均较低，此具有优良的焊接性，别是热裂敏感指因特数低，裂纹不是 X8热 0高性能管线钢焊接的主要问题。

收稿日期： 0 7 1— 9 2 0—0 2

作者简介：安

琳 ( 92)女，肃天水人，士研究生，要从事管材成形工艺及其控制性能方向的研究， - i a p 1 8一，甘硕主 E ma:n i l

hna n h t i cm。 a - n@ omal o .

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·

2· 8X 8O1

石油矿场机掀X 8O2

20 0 8年 6月

X 8O3

X 8O4

O O6

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5

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O

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表 2 O OX 0高性O 管线钢的碳当量、 l l O 1 4种 O 能 81 2 3 1

种条件的约束 .因此统称为约束应力。由于管线钢环焊时作用于焊缝上的约束应力相当于平板对接的 2倍，使得管线钢现场安装环焊缝焊接时的约束应力比同样条件下的平板对接要大且复杂。另外，

冷裂敏感指数和热裂敏感指数 O O O OOO

OO

OO

OO

2 8 O O0 7

4 O O O3 O

3 O O O8 3

O 6 O O6 】

管线钢在现场的安装焊接过程包括管道的预装、打底焊接和去掉内部对中夹具，并且用方木将管道垫起所产生的附加应力也是相当大的，而且局部预热不均匀也会产生附加应力。

O OO 5

O OO 5

O O6 6

O O5 9

O

O

O

O

O0L

Oj

O6

O

因此，对于管线钢焊接而言，一方面可以通过控制管线钢的碳当量和冷裂敏感指数使得管线钢的含碳量不大于 0 1,当量为 0 3~0 4,至小 .2碳 .5 .0甚于 03, . 5冷裂敏感指数不大于 0 2~0 2, .0 . 5允许的

4

8

6

2焊接冷裂纹OO2

OO2

OO3

OO3

冷裂纹是管线钢焊接时可能出现的一种具有延

2

O

O

O

迟特性危险的缺陷，是引起管线脆性断裂，生应它产O O2

O

O

3

2

2

力腐蚀破坏的发源地。冷裂纹一般是在焊接冷却过程中，在马氏体开始转变温度点附近或更低温度区38

4

0

O

2

最大硬度一般为 2

0HV,用低氢型焊条时，度 6采硬上限可放宽至 30 5 HV,气体保护焊时为 4 8 HV 0 另一方面进行焊前预热，控制层间温度，

O

O 17

O 11

O O3

间逐渐产生的，多发生在 lO℃以下。大量的生产 O

O

O

8

O

达到控制焊接接头的氢源及其分布和焊接接头的应力状态的目的，而降低冷裂纹倾向。从

实践和理论研究表明，的淬硬倾向、接接头中含钢焊O O O

氢量及其分布、焊接接头的应力状态是管线钢焊接时产生冷裂纹的 3大因素。由于在安装现场安装焊一

C C== 】 4

8

~

O

3热影响区的韧性韧性是管线钢焊接接头强度和塑性的综合性能指标，是对变形和断裂的综合描述，足够的韧性可以延缓或阻止断裂事件的进程。对于长距离、口径、大

接时受焊接工艺和施工环境条件的影响，于满足易O

一∞ 一8

冷裂纹产生的 3个条件，因而管线钢焊接冷裂纹主要产生在现场安装焊接的接头中。一 一 ~

管线钢焊接接头中的含氢量及其分布也是产生冷裂纹的重要因素之一，用纤维素型焊条焊接时，使 纤维素和药皮中的水分一起分解，管线钢焊接接使头中含氢量增加，加剧了产生冷裂纹的倾向。

高压输送管线而言，接接头韧性控制的基本出发焊点是经济性和安全性的统一，既要从经济性考虑，不

应过分提高安全系数，又要从安全性考虑，希望焊接接头具有足够的韧性储备。一般认为，度级别愈强高、壁愈厚、管管径愈大，对韧性的要求就愈高；气输管线比输油管线有较高的韧性要求；海洋管线、极地

管线钢焊接冷裂纹不仅取决于钢的淬硬倾向和氢的有害作用，且还取决于焊接接头所处的应力而状态，至在某些情况下，甚应力状态对焊接冷裂纹的形成还起着决定性作用。管线钢在焊接过程中的应力有 2方面的来源：一方面来自拘束应力，中包括其不均匀加热和冷却过程中产生的热应力、属相变金

高寒管线以及在严重腐蚀环境中服役的管线应具有较高的韧性水平。

目前，过微合金

化、纯净冶炼和现代控轧、通超控冷技术，已能够提供具有足够韧性的管线钢卷板。 管线钢经过局部快速高温的焊接过程，焊接接头使热影响区 ( HAZ的韧性严重下降，再具有管线钢 )不的许多优异性能。与母材相比，性损伤 2~韧 0 3,晶区韧性损失甚至达 7~8。虽然焊 0粗 0 0

时产生的组织应力、构自身拘束条件所造成的应结力；一方面来自焊接过程因焊接施工工艺引起的另附加应力。这 2个方面恶化了焊接接头的抗裂性。

由于热应力、织应力和自拘束应力都受到各组

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第3 7卷

第 6期

安

琳，:8等 X 0高强度管线钢的焊接性分析

接 HAZ一般只有几个毫米，晶区更为狭小，粗但粗

粗晶区具有在低中等焊接线能量下冲击韧性较高的特点。X 0 4管线钢粗晶区韧性随焊接线能量变 8()化程度最大，有最大的焊接热敏感性，具在低焊接线

晶区的韧性严重下降，得粗晶区成为整个焊接接使头的薄弱环节，很可能成为裂纹的开裂源或沿焊道方向长程扩展的通道。

能量条件下具有较高的冲击韧性，中等焊接线能量下冲击韧性大幅度下降，且随着热输入的进一步而增大，晶区韧性一直维持在较低水平。粗 焊接线能量对粗晶区冲击韧性的影响很大，适当调整焊接规范可改善管线钢粗晶区的韧性。但焊

3 1化学成分因素的影响 .管线钢焊接粗晶区的韧性不仅取决于焊接热循

环特性，而且还取决于管线钢的化学成分，别是其特中所含合金元素形成沉淀相的稳定性、尺寸、状及形其体积分数等口。不同合金元素的碳、化物沉淀]氮相在焊接热过程中对奥氏体晶粒长大的作用效果不同，中 Ti其 N具有最高的稳定性，在高达 1 0 0℃以 4

接规范受生产效率和质量控制的制约不可能有大幅度的调整，热敏感性强的管线钢 ( X 0 4管线对如 8 ()钢 )焊接规范调整几乎是不可能的。用 3 3组织结构因素的影响 .组织结构是影响材料力学性能的内因，管线钢焊接粗晶区的组织结构在决定其韧性中起着举足轻

上的温度下，有 2发

生分解；次为 Nb C,只 5其 (N)最不稳定的是碳化物，其是 V最易早期分；尤 C解。因而在管线钢中常采用 TiNb微合金化，过、通 Ti Nb C,来控制焊接粗晶区的晶粒尺寸，到 N、 ( N)达

重的作用。焊接粗晶区组织结构特点及其相比例主要受钢化学成分和所经历的焊接热循环特性的影响，呈现出多样性和非均匀性。一般情况下，主体组

改善韧性的目的。4种 X 0高性能管线钢焊接粗晶 8区冲击韧性随焊接线能量的变化规律如图 1所示]。可以看出， 4种 X 0高性能管线钢焊接粗晶 8区的冲击韧性随焊接线能量的大小呈非线性变化。

织为针状铁素体和细小的粒状贝氏体时具有较高的韧性。一般认为，状铁素体是管线钢在组织结构针上的重要标志，保证强度的同时，在也具有最低的韧

对于不同的管线钢，在相同的焊接线能量条件下，其焊接粗晶区具有不同的冲击韧性，中 X 0 3管线其 8 ()钢粗晶区具有较高的冲击韧性，乎不受焊接线几能量大小的影响，有较小的焊接热敏感性。具 X 0 1、 8 ( ) X 0 4三种管线钢粗晶区韧性 8 ()X 0 2和 8 ( )随焊接线能量的变化而呈较大变化，焊接热敏感对性较大。

脆转变温度]。针状铁素体对韧性的贡献首先归功于它的多位向析出形态，由于针状铁素体尺寸参差不齐，彼此交错分布，间具有大角度晶界，其因而对裂纹具有阻止作用，不仅具有较小的等效晶粒尺其寸，而且在铁素体内具有细小的亚结构。由于体心立方结构位错能小，易分解成扩展位错而易发生不

滑移，针状铁素体具有良好的强韧性。同时，使限制卜 1

\

粗晶区奥氏体晶粒长大和控制粗晶区的组织转变， 也能达到粗晶区韧化的目的。

j四掣

犀佰是

4结论 1冷裂纹和焊接热影响区脆化是 X8 ) 0高性

能管线钢焊接的主要问题。由于 X 0高性能管线 8焊接线能量/ ( J· .-) k e m

钢热裂敏感指数低，裂纹不是 X 0高性能管线钢热 8焊接的主要问题。 2在实际焊接施工过程中，以通过焊前

预 )可

图 1不同焊接线能量对管线钢粗晶区韧性的影响

3 2焊接线能量因素的影响 .

焊接线能量对焊接粗晶区奥氏体晶粒在长大区问的持续时间的长短有很大影响，一般随焊接线能

热，制层问温度等因素来降低 X 0高性能管线钢控 8焊接冷裂纹倾向。

量的增加而增加，而加剧了管线钢中碳、从氮化物的 溶解和奥氏体晶粒的粗化进程，韧性恶化。中等使

3 X0 ) 8高性能管线钢焊接热影响区韧性与管线钢的化学成分和焊接线能量有关。对于同种管线

焊接线能量下的焊接粗晶区具有较高的韧性值的原因在于其具有特殊的组织结构及相比例的不同。由图 1可以看出， 8 ( ) X 0 1管线钢粗晶区具有在中等焊

钢在不同的焊接线能量条件下，焊接粗晶区韧性其降低的幅度不同。不同管线钢在相同的焊接线能量条件下，粗晶区的韧性下降程度也不同。其4焊接线能量对粗晶区韧化有着直接的影响， )

接线能量下冲击韧性较高的特点。X 0 2管线钢 8 ()

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20 0 8年第 3 7卷第 6期第 3 O页

石油矿场机械0I FI LD E L E QUI E PM NT

文章编号：1 0 3 8 ( 0 8 0— 0 0 0 0卜 4 2 2 0 ) 60 3—4

柔性抽油杆在造斜段工作过程的动态仿真分析张杨，奎升，惠清王赵(京化工大学机电工程学院，京 1 0 2 )北北 0 0 9

摘要：为较好地分析柔性抽油杆在井眼轨迹弯曲段工作时的受力状况，用 AD利 AMS软件对柔性抽油杆在井眼轨迹弯曲段往复工作 1个冲程的全过程进行仿真，到了各时段各个接触处的接触得力及各杆段的轴向拉力。根据仿真结果中的接触情况，柔性杆上添加了扶正器，行第 2次仿在进

真，到了相应的接触力和轴向力，对添加扶正器前后柔性杆的受力情况进行了比较，明扶正得并说器有防止柔性抽油杆磨损的作用。此种分析方法和结果对柔性抽油杆的结构设计及柔性抽油杆的力学研究具有一定的指导意义。 关键词：柔性抽油杆；管；力分析；油受 ADAMS仿真；中图分类号： E 3. T 932文献标识码：A

Dy

a i m u a i n An l sso h e i l m pi g Ro n m c Si l to a y i f t e Flx b e Pu n d i id u e to f t e Ho i o a e l n Bu l p S c i n o h r z nt lW lZH A NG a Y ng, A N G uis e W K— h ng, ZH A O — ng H uiqi

( o lge f c a ia n e tia gie rn Bejn ie st f Ch mia e h oo y, C le Meh n c la d Elcrc lEn n e ig, iig Un v ri o e c lT c n lg o yBejn 0 0 9 Ch n ) ii g 1 0 2, ia

Ab t a t s r c:Fo e t ra l ss s r s on to f t l x bl um p n o r b t e na y i t e s c dii n o he fe i e p i g r d whe t i n i s wor n n ki g i

t e c r es c in o h l b l’ rjco y,t e s fwa eo h u v e t ft ewel oe Stae t r o h o t r fADAM S i u e n t i p p r s s d i hs a e .By u i g i t n l z n d n mi sm u a i n f r a s r k r c s,t e c n a t f r e o a h c n a t sn t o a a y e o y a c i l t o t o e p o e s h o t c o c n e c o t c of c sa x a e s l o c a h r d s g nt fa ltme s gme t a e be n f un ut W ih a e nd a i lt n ief r eon e c o e me s o l i e n sh v e o d o . t

t i rs l o ec nat o dt n tecn rl e d e otef xbe￣ mpn o, n h n hs e ut f h o tc c n io, h e tai r s d dt h l il i t i z ia e u igr d a dted e t e s c nd d na cs multo n l ss on h e o y mi i a i n a a y i .By t a,c nt c or e a d a a e s l or e a

e i— h t o a tf c n xilt n ie f c r n ve tga e . Co p r d wih t a e si t d m a e t WO c s s,t e c nc u i ha h e t a ie a h un ton t e h o l son t tt e c n r lz r h s t e f c i o pr一

焊接规范受生产条件限制不可能做大的调整，用采微合金化控制粗晶区的晶粒度和组织转变过程是实现粗晶区韧化的重要途径。

社， 9 7 19.

- 13张文钺 .管线钢焊接冷裂纹的预测与防治 E]/七 3 c/第届全国焊接会议论文集 .青岛：国机械工程焊接协中会，9 3 19 .

[]高惠临 .管线钢组织性能焊接行为[ .西安： 4 M]陕西科参考文献： 技出版社， 9 5 1 9.

Ei徐学利.现代输送管线对管线钢焊接性的基本要求 l

E3徐学利，骁勇， 5张石凯， .X 0高性能管线钢焊接等 8热敏感性研究[] J .热加工工艺，0 5 7:11. 2 0 ( ) 1-3 []徐学利 .管线钢焊接粗晶区韧性控制因素的研究[] 6 J. 石油工程建设，0 3 2 ( ) 12 2 0,93:—.

I]/九次全国焊接会议论文集 .哈尔滨：龙江人 t/第黑民出版社，9 9 19 .

E3辛希贤 .管线钢的焊接[ .西安：西科学技术出版 2 M]陕

收稿日期：0 7 1 - 9 2 0— 1 1

作者简介：张杨 ( 9 6)女，海人，教授， 98年毕业于中国石油大学 (东 )主要从事石油机械方面的研究， _ 1 6一，上副 18华， Emal8 2 z a g 1 3 c m。 i:4 1 y n@ 6 . o

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/zg31.html