X80级管线钢串列双丝多层焊的试验研究和数值分析

发布时间：2019-10-10 07:49

【摘要】：串列双丝GMAW(Tandem-GMAW)是一种高效熔焊工艺,可用于低合金钢、不锈钢、铝等金属材料的焊接。18.4 mm厚的X80级管线钢作为目前管线建设中主要用钢,具有强度高、性能好、用量少、成本低等优点,采用T-GMAW可进一步提高焊接质量和生产效率。文中采用T-GMAW工艺焊接了18.4 mm厚的X80级高强管线钢,并获得了成形良好的焊接接头。通过对焊接接头宏观形貌、金相组织的观察和硬度的分析和测试,以及采用数值模拟技术对焊接热过程温度场的动态演变进行分析。通过本文开发的双丝串列气体保护焊接工艺,只要焊接5层就获得了成形良好无缺陷的焊接接头,与西气东输二线广泛采用的7层复合焊接工艺相比,焊接效率提高了约30%。通过光学和扫描电镜观察了焊缝区、焊接热影响区和母材的显微组织。结果表明,在焊缝区组织中,根焊层由80%左右针状铁素体(AF)和少量多边形铁素体(PF)组成,热焊层中出现了长宽比大于20的低韧性羽毛状铁素体(FF),填充层和盖面层中PF含量均大于50%,但填充层PF晶粒更为细小;在热影响区组织中,根焊层和热焊层主要由粒状贝氏体(GB)和板条状贝氏体(LB)组成,热焊层LB含量较少,填充层和盖面层主要由GB组成,盖面层晶粒尺寸几乎比填充层增加了一倍,且GB中碳化物含量增加。通过对各焊层的硬度测试、分析和对比表明,硬度分布呈“W”型,焊缝区和热影响区的平均硬度低于母材,焊接接头出现了软化。准稳态时的温度场表明,从根焊层、热焊层、填充层到盖面层,随着单位长度的焊接热输入的增加,最高温度基本呈上升趋势。重点分析了第二填充层的双熔池阶段、共熔池阶段和冷却阶段焊接温度场的动态演变;在10.0 s左右达到准稳态,最高温度、最大熔深和最大熔宽位于后丝下方;且随着焊接速度的提高熔池变得细长,而当焊丝间距超过25 mm时,即使双丝焊也只能形成两个独立的熔池。分析了焊接热影响区的5层热循环和第二填充层中沿着焊缝中心线和垂直焊缝方向的一系列点的焊接热循环曲线。根据计算得到的焊接热循环曲线,可计算出冷却时间t8/5和平均冷却速度Wc,结合X80级管线钢的SH-CCT图,对焊接热影响区的组织和硬度进行了预测,预测结果与试验结果吻合良好。
【图文】：

管线钢,技术要求,管线建设

初期开始投入使用。20 世纪 80 年代，X70 级管线钢投入到管线建设中；同时期又开发了 X80 级管线钢，组织以针状铁素体为主，相对具有更高强度和韧性[5]。这是目前和随后 10～20 年之间输送管道的主流钢种，期间对管线钢技术要求如图 1-1 所示，几种主要钢级的强化手段如图 1-2 所示。(4)X100 和 X120 钢开发成功预示着管线钢输送压力有所提高，单位时间输送量可进一步增加，但真正投产与建设中还需深入研究和试验。我国管线建设起步较晚，50 年代初主要采用 16Mn 钢，一直到 20 世纪 90 年代X52、X60、X65 管线钢才在陕京和塔里木管线上得以使用，21 世纪开发的 X70 与 X80级管线钢投产。目前我国管道建设使用各类钢管 200 余万 t，分布里程可达近 5 000km[6]。X80 钢与 X70 钢相比较而言，成分更加纯净，硫含量较低[7]，同一管线建设项目用 X80 钢代替 X70 钢，管材费用可节省 10%左右，项目总经费可节省 3 %～12 %，[8]。因此，X80 钢为目前研究的热点，也正是本课题所选择的研究对象。

强化手段,管线钢

图 1-2 管线钢强化手段[9]Fig. 1-2 The intensify method of pipeline steel.2.2 X80 级管线钢及其焊接性研究X80 级管线钢属低碳微合金钢，在 Mn-Nb-Ti 系或 Mn-Nb-V(Ti)系基础上适当添i、Mo、Cu 等合金元素，并通过控轧控冷技术，即控制轧制温度、终冷温度和高却速度来提高钢的强度和韧性[10-11]。典型碳含量在 0.04 %～0.08 %之间，甚至有80 级管线钢达到了 0.02 %[12]。低的含碳量不仅可以减少珠光体的含量，降低韧脆温度，，而且可以有效的改善钢的焊接性能，降低焊接裂纹倾向。X80 级管线钢组针状铁素体型，包括针状铁素体、粒状贝氏体和少量块状铁素体[13]。Mn、Mo 等元素可以有效的减少多边铁素体的含量，使得组织更加均匀单一，Nb 元素可以细氏体晶粒，获得较高的韧性。材料的焊接性是指能否焊接加工形成没有明显缺陷且使用性能优良的焊接接头
【学位授予单位】：中国石油大学(华东)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG457.11

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