一种基于弯曲应变的管线钢管环焊接头软化的合于使用性评价方法技术

本发明专利技术提供一种基于弯曲应变的管线钢管环焊接头软化的合于使用性评价方法，管线钢管环焊接头弯曲应变装置与弯曲试样、合格弯曲试样HAZ受拉面凹陷度与侧膨胀率检测、凹陷度与侧膨胀率对于合格弯曲试样厚度的修正和基于厚度因素修正后的凹陷度S'

A serviceability evaluation method for softening of circumferential welded joints of pipeline steel pipes based on bending strain

【技术实现步骤摘要】
一种基于弯曲应变的管线钢管环焊接头软化的合于使用性评价方法


[0001]本专利技术涉及焊接使用评价方法
，更具体地说涉及一种基于弯曲应变的管线钢管环焊接头软化的合于使用性评价方法。

技术介绍

[0002]焊接是一个典型的非平衡加热与非均匀冷却过程，焊缝金属从液态开始凝固并发生整体固态相变，能够得到相对均匀的微观组织。然而，焊接HAZ区域由于距离焊接熔池的远近不同，导致冷却过程中温度变化非常复杂，并形成具有一定梯度的非均匀组织区域。例如：一般的轧制态低合金高强钢，从焊接熔合线位置向外，HAZ区域依次为熔合区(固液两相区)、过热区(粗晶区)、细晶区(正火区或完全重结晶区)、临界区(不完全重结晶区)、亚临界区(再结晶区)。HAZ的每个亚区域可能很窄，但是组织类型和性能完全不同，在各种复杂的服役环境中有可能成为优先失效的起源。在位于相变温度A
c1
以下终轧温度以上的亚临界区，轧制状态的母材金属发生回复与再结晶。尽管组织类型没有变化，但晶内亚结构和位错形态发生变化，将导致钢材原始状态下轧制形变强化作用减弱或消失，宏观上表现为一定程度的软化。对于高强调质钢，在焊接热循环峰值温度高于原始回火温度的HAZ区域，也会出现接头软化。其它的，比如形变强化的铝合金，焊后HAZ软化更加严重，如果不进行焊后热处理，接头强度则难以满足使用要求。
[0003]近年来，各个工业领域均有服役中的结构因为焊接接头软化而导致的失效案例发生。例如：在油气输送管线领域，北美和澳洲先后发生过因为接头强度失配以及HAZ软化造成的不可预见纵向应变服役环境中的断裂。裂纹一般起源于焊趾区域，并向焊缝金属或HAZ软化区扩展，从断口特征来看，属于明显的韧窝状延性断裂。尽管没有造成灾难性事故，但经济损失和社会负面影响不可忽视。焊后接头软化是结构钢材料不可避免的固有特征，但并非所有的软化都会造成致命的危害，如果软化程度不严重，加之在服役过程拉伸应变作用下的形变强化(硬化)作用，焊后接头软化可能不会对整体焊接结构的服役造成不利影响。所以，对重要结构特别是承受拉伸应变的焊接结构进行接头软化的合于使用性评价非常必要。
[0004]石油天然气输送管线一般位于远离城市和人口聚集区的野外。地形地貌与气候环境复杂苛刻，特别是在地壳变动频繁、地质灾害多发、海拔高度变化大的区域，管道环焊接头将面临不可预见的纵向拉伸载荷，由于接头软化造成潜在失效的概率增加。近年来，管线钢管化学成分设计与制造也在发生变革，随着产线轧制与在线冷却装备与工艺能力的提升，通过降低合金元素并增加轧制压缩比保证管线钢性能成为主流趋势。尽管在成熟稳定的工艺控制条件下，管线钢母材微观组织得到充分细化，整体性能均匀稳定，但增加了焊接热循环后亚临界热影响区软化的倾向。如何评价管线管环缝焊接焊后软化及其潜在拉伸应变条件下的合于使用性，是当前亟待解决的问题。
[0005]当前，已有一些涉及钢材与其它金属材料焊后接头软化的专利文献。比如：申请号
201280061292.9公开了一种大热输入焊接用钢材、申请号200610160565.1公开了一种焊接热影响区的韧性优异、软化小的厚钢板、申请号200380107477.X公开了一种焊接热影响区的耐软化性优良且扩孔玩边性好的高强度钢板及其制造方法。这些技术均通过钢材化学成分的优化设计、特别是合金元素对焊接热循环后接头软化的抑制作用，能够实现焊后接头抗软化的目的，但这在一定程度上增加了合金元素的使用成本。同时，没有对普遍客观存在的焊后接头软化程度进行合于使用性评价报导。申请号201610082273.4公开了一种抗高温PWHT软化的低焊接裂纹敏感系数原油储罐用高强韧性钢板及其制造方法，也是通过多种合金体系组合，在具有焊后热处理要求的原油储罐焊接场合，能够减少接头二次加热软化。
[0006]申请号201810257705.X公开了一种减小高强塑积中锰钢的激光焊接接头软化程度的方法，主要通过在激光焊接过程中合理设置焊接工艺参数、增加背面焊缝强制冷却、降低热影响区宽度等手段减小接头软化程度属于焊接工艺调整范畴。申请号201810312059.2公开了一种抗电渣焊接头软化的方法与装置，主要通过焊接过程中向热影响区易软化部位喷射压缩空气实施定向冷却，缩短焊后高温停留时间，从而有效降低接头软化。但是，这种技术受限于工装条件，并增加实施成本，对管线钢管现场施工环焊过程实施与软化程度评价指导作用不大。申请号201310238270.1公开了一种改善高强铝合金焊接接头软化问题的方法，主要通过对焊后高强铝合金接头进行固溶处理和人工时效，消除接头软化问题，满足接头强度要求。申请号201810235277.0公开了一种减小形变强化铝合金弧焊接头软化的方法，主要通过在焊接过程中循环水强制冷却减小高温焊接热循环对接头软化的不利影响。申请号201810258602.5公开了一种快速测定Al
‑
Mg
‑
Si系合金焊接接头软化区域的方法，主要通过特殊的金相蚀显方法，对接头软化区域进行快速定位。
[0007]综上所述，当前针对焊接接头软化的公开技术，一般都是通过材料成分和制造工艺的设计降低焊接过程中接头软化倾向，或者针对已有材料通过焊接工艺过程优化或焊后热处理改善接头软化行为，均没有涉及针对接头固有的软化行为进行评价，特别是结合潜在的服役环境进行合于使用性评价。

技术实现思路

[0008]本专利技术克服了现有技术中的不足，目前针对焊接接头软化的公开技术，均没有涉及针对接头固有的软化行为进行评价，特别是结合潜在的服役环境进行合于使用性评价，提供了一种基于弯曲应变的管线钢管环焊接头软化的合于使用性评价方法，本方法能够客观的反映服役状态下接头软化对结构完整性的影响，主要用于低碳微合金化管线钢管经过现场施工环缝焊接后引起的HAZ软化程度以及服役过程合于使用性的快速间接评价。
[0009]本专利技术的目的通过下述技术方案予以实现。
[0010]一种基于弯曲应变的管线钢管环焊接头软化的合于使用性评价方法，按照下述步骤进行：
[0011]步骤1，管线钢管环焊接头弯曲应变装置与弯曲试样：
[0012]管线钢管环焊接头弯曲应变装置包括两个支撑块、压头、下压装置和夹紧装置，两个支撑块之间形成一缝隙，将弯曲试样置于支撑块的上表面，且弯曲试样的存在潜在软化的HAZ置于压头正下方的受拉伸应变最苛刻的位置置于缝隙处，并保证在弯曲过程中弯曲试样位置不发生偏移，所述压头与所述缝隙相对设置，所述压头安装在所述下压装置上，利
用所述压头将所述弯曲试样进行下压，夹紧装置与所述支撑块的外壁相接触，以实现利用夹紧装置夹紧支撑块的目的，实验开始后，压头的下压和夹紧装置的夹紧动作同步进行，直至把弯曲试样弯曲成U型；
[0013]步骤2，合格弯曲试样HAZ受拉面凹陷度与侧膨胀率检测：
[0014]将步骤1得到的合格弯曲试样取出，针对合格弯曲试样进行HAZ受拉面凹陷度与侧膨胀率检测，每次评价取不少于8个合格弯曲试样并取平均值，并将凹陷度S
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于弯曲应变的管线钢管环焊接头软化的合于使用性评价方法，其特征在于：按照下述步骤进行：步骤1，管线钢管环焊接头弯曲应变装置与弯曲试样：管线钢管环焊接头弯曲应变装置包括两个支撑块、压头、下压装置和夹紧装置，两个支撑块之间形成一缝隙，将弯曲试样置于支撑块的上表面，且弯曲试样的存在潜在软化的HAZ置于压头正下方的受拉伸应变最苛刻的位置置于缝隙处，并保证在弯曲过程中弯曲试样位置不发生偏移，所述压头与所述缝隙相对设置，所述压头安装在所述下压装置上，利用所述压头将所述弯曲试样进行下压，夹紧装置与所述支撑块的外壁相接触，以实现利用夹紧装置夹紧支撑块的目的，实验开始后，压头的下压和夹紧装置的夹紧动作同步进行，直至把弯曲试样弯曲成U型；步骤2，合格弯曲试样HAZ受拉面凹陷度与侧膨胀率检测：将步骤1得到的合格弯曲试样取出，针对合格弯曲试样进行HAZ受拉面凹陷度与侧膨胀率检测，每次评价取不少于8个合格弯曲试样并取平均值，并将凹陷度S
R
定义为：侧膨胀率E
R
定义为：式中，B、W分别为合格弯曲试样原始厚度和宽度，s为HAZ受拉面局部软化区弯曲后的凹陷深度，E为弯曲变形后试样宽度方向侧膨胀量，合格弯曲试样HAZ受拉面在弯曲应变过程中，如果局部软化区域越宽，软化程度越大，凹陷深度和侧膨胀量都变大，然而，如果HAZ局部软化区应变硬化行为减弱或抵消初始的焊接软化影响，凹陷深度和侧膨胀量都会变小，所以，结合合格弯曲试样厚度和宽度因素的凹陷度S
R
和侧膨胀率E
R
能够反映管线管环焊接头HAZ局部软化区优先变形以及应变硬化的影响；步骤3，凹陷度与侧膨胀率对于合格弯曲试样厚度的修正：合格弯曲试样HAZ受拉面凹陷度S
R
和侧膨胀率E
R
均属于试样厚度B和压头弧形端的弯芯半径R相关参量，但考虑到试样厚度B和压头弧形端的弯芯半径R具有明确的数量关系，所以，只需要基于合格弯曲试样厚度B对凹陷度S
R
和侧膨胀率E
R
进行修正，一般的，随着合格弯曲试样厚度B和压头弧形端的弯芯半径R的增加，合格弯曲试样HAZ受拉面承受的实际应变程度会适当降低，或者说保守度降低，所以，将最大壁厚时的凹陷度S
R
和侧膨胀率E
R
均修正为最小壁厚的1.0
‑
1.3倍的原则，凹陷度S
R
和侧膨胀率E
R
关于壁厚因素的修正系数均定义为：即修正后的凹陷度S'
R
＝B
R
×
S
R
，修正后的侧膨胀率E'
R
＝B
R
×
E
R
，因为凹陷度S
R
受合格弯曲试样宽度因素影响不大，而侧膨胀率E
R
已经考虑了宽度因素，所以，凹陷度S
R
和侧膨胀率E
R
均无需再进行合格弯曲试样宽度因素的修正；步骤4，基于厚度因素修正后的凹陷度S'
R
和侧膨胀率E'
R
的弯曲应变与环焊接头软化相关性关系：考虑了管线钢管环焊接头HAZ局部软化区优先应变以及由此引起的局部应变硬化行为减弱或抵消了初始焊接软化影响、合格弯曲试样厚度B和压头弧形端的弯芯半径R对凹陷度S
R
和侧膨胀率...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘硕，邸新杰，利成宁，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：