基于自蔓延高温合成技术陶瓷内衬复合钢管的激光焊接

发布时间：2017-04-02 06:12

  本文关键词：基于自蔓延高温合成技术陶瓷内衬复合钢管的激光焊接，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：海底管道作为海上油气田开发生产系统的主要组成部分,它是连续地输送大量油气时最快捷、最安全和最经济可靠的运输方式。由于石油天然气中含有大量H2S、CO_2、Cl-等腐蚀介质,基于自蔓延高温合成(SHS)技术制备的陶瓷内衬复合钢管兼有陶瓷和钢材两种材料的优点,在油气管线方面具有极大的应用前景。本文针对基于自蔓延高温合成(SHS)技术制备的内衬层为5mm厚Al2O3陶瓷,外层为15mm厚45#钢的复合钢管的激光焊接展开研究,为陶瓷内衬复合钢管的推广应用提供数据参考,通过对复合钢管的内衬层微观组织检测可知,内衬陶瓷并不是单纯的Al2O3陶瓷相,其中含有大量的金属氧化物,而且内衬陶瓷致密性不足,里面弥散分布着小孔,这都增加了内衬陶瓷层的焊接可行性。陶瓷内衬复合钢管的焊接工艺研究过程为:先沿陶瓷层上沿向上对复合钢管开45°~60°的V形坡口,利用3000W CO_2激光器对复合钢管的陶瓷层进行熔化焊接,焊接复合管陶瓷层之前,先对复合管内层陶瓷取样制成陶瓷片,对陶瓷片的熔化焊接进行探究,为复合钢管陶瓷层的焊接提供参考依据,陶瓷片的熔化焊接主要研究激光功率P和焊接速度Vs的匹配关系,有规律的改变激光功率、焊接速度,利用体视显微镜观察焊缝形貌,利用扫描电子显微镜(SEM)对焊缝内部组织结构进行分析,研究结果表明在工艺参数:激光功率700-1100W,离焦0mm,焊接速度800-1200mm/min,保护气30L/min He气下,均能够获得形态良好的焊缝,所得焊缝组织为两侧向中间延伸的细长条状结构,并在中间出现一条明显的界线,焊缝中的深灰色相与浅灰色相的分布相比非焊缝区的更加均匀;设计3种自熔性Ni-Cr-Mo耐蚀合金粉末以及1种自熔性Fe-Cr-Ni耐蚀合金粉末,对管件坡口以激光熔覆的方式进行填充,进一步增强焊缝耐腐蚀性的同时达到管件的强度连接,对管件坡口填充之前以相同的工艺参数在45#钢板上制备熔覆层,分别根据美标ASTM G48规定试验方法、试验条件,以及国内某油气田的实际工况条件来模拟CO_2/H2S环境来测定熔覆层的耐腐蚀性能并与具备强耐腐蚀性能的316L不锈钢作对比,研究结果表明成分为(Cr 15wt%,Mo 5wt%,Fe 9wt%,B 2.5wt%,Si 1.5wt%,Ni余量)的Ni-Cr-Mo粉末所制备的熔覆层的耐腐蚀性能最好,成分为(Ni 10wt%,Cr 20wt%,B 2.5wt%,Si 1.5wt%,Fe余量)的Fe-NiCr粉末制备的熔覆层耐蚀性能不如Ni基粉末制备的熔覆层,但强于316L不锈钢;根据陶瓷片熔化焊接研究结果并结合复合钢管样件的实际焊接情况,选定复合钢管陶瓷层熔化焊工艺参数为:激光功率1000W,离焦0mm,焊接速度1200mm/min,保护其流量30L/min He气,并分别利用成分为(Cr 15wt%,Mo5wt%,Fe 9wt%,B 2.5wt%,Si 1.5wt%,Ni余量)的Ni-Cr-Mo粉末、成分为(Ni10wt%,Cr 20wt%,B 2.5wt%,Si 1.5wt%,Fe余量)的Fe-Cr-Ni粉末以激光熔覆的方式对复合钢管的坡口进行填充,进一步增强焊缝耐蚀性的同时达到管件的强度连接,为了防止焊缝区与45#钢因化学成分差异而形成原电池,加速钢管外表面的腐蚀,设计一种与45#钢成分相近的Fe基合金粉末Fe-45#,利用激光熔覆的方式对管件坡口进行盖面,切开钢管,观察陶瓷焊缝背面整体形貌,结果表明在陶瓷焊缝背面出现了明显的瓢状凸起,实现了陶瓷层的熔化对接,陶瓷层上部的熔覆层无裂纹、气孔等缺陷,并与钢管形成良好的冶金结合,熔覆层与陶瓷焊缝之间为紧密的物理连接。
【关键词】：陶瓷内衬复合钢管 熔化焊 激光熔覆 自熔性合金粉末 耐腐蚀
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE973.3;TG456.7
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-19
• 1.1 引言11-12
• 1.2 陶瓷内衬复合钢管12-16
• 1.2.1 陶瓷内衬复合钢管的制备12-14
• 1.2.2 陶瓷内衬复合钢管的应用14
• 1.2.3 陶瓷内衬复合钢管的焊接14-16
• 1.3 研究内容及技术路线16-19
• 第2章 实验材料和方法19-33
• 2.1 实验材料及焊前处理19-21
• 2.1.1 基本材料及样品尺寸19-20
• 2.1.2 熔覆材料20
• 2.1.3 管件焊前处理20-21
• 2.2 实验仪器与设备21-23
• 2.2.1 焊接系统21
• 2.2.2 工装设计21-22
• 2.2.3 激光熔覆送粉系统22-23
• 2.3 试验方法23-25
• 2.4 检测分析设备25-26
• 2.4.1 体视显微镜25
• 2.4.2 扫描电镜和能谱分析25-26
• 2.4.3 渗透探伤26
• 2.5 熔覆层腐蚀性能测试26-28
• 2.5.1 6wt%FeCl_3腐蚀介质26
• 2.5.2 含CO_2的Cl~-腐蚀介质26-27
• 2.5.3 含CO_2/H_2S的Cl~-腐蚀介质27-28
• 2.5.4 不同H_2S含量的含CO_2的Cl~-腐蚀介质28
• 2.5.5 不同温度下含CO_2/H_2S的Cl~-腐蚀介质28
• 2.6 腐蚀实验28-33
• 2.6.1 失重腐蚀试验28-30
• 2.6.2 电化学试验30-33
• 第3章 复合钢管陶瓷层熔化焊工艺研究33-43
• 3.1 引言33
• 3.2 陶瓷层过渡层组织结构分析33-34
• 3.3 陶瓷层熔化焊34-41
• 3.3.1 试验材料及其方案35
• 3.3.2 激光功率对焊缝的影响35-37
• 3.3.3 焊接速度对焊缝的影响37-39
• 3.3.4 陶瓷焊缝微观组织分析39-41
• 3.4 小结41-43
• 第4章 激光熔覆材料的组织及耐腐蚀性能研究43-57
• 4.1 引言43
• 4.2 实验材料及其方案43-44
• 4.3 激光熔覆层的组织分析44-45
• 4.4 激光材料耐腐蚀性能分析45-54
• 4.4.1 熔覆材料在 6wt%FeCl_3中的腐蚀行为45-48
• 4.4.2 熔覆层在含CO_2的介质腐蚀行为研究48-50
• 4.4.3 熔覆层在含CO_2/H_2S介质腐蚀行为研究50-51
• 4.4.4 H_2S浓度对熔覆层在H_2S/CO_2介质中腐蚀行为的影响51-52
• 4.4.5 温度对熔覆层在H_2S/CO_2介质中腐蚀行为的影响52-54
• 4.5 小结54-57
• 第5章 复合钢管激光焊接57-63
• 5.1 引言57
• 5.2 复合钢管陶瓷层熔化焊接57-58
• 5.3 复合钢管坡口激光熔覆58-60
• 5.4 渗透探伤60
• 5.5 焊缝截面形态分析60-61
• 5.6 小结61-63
• 结论63-65
• 参考文献65-69
• 攻读硕士学位区间完成的学术成果69-71
• 致谢71

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本文编号：282001