高强管线钢单面焊双面成型焊接性评估方法技术

本发明专利技术涉及一种高强管线钢单面焊双面成型焊接性评估方法，依次包括以下步骤：选取两块试验板，采用多维拘束试验系统并确定焊接方式；两块试验板采用V型坡口组合对接；设定拘束底板和拘束立板的基准尺寸并根据管线钢规格、试验焊接方式和焊接工艺参数建立有限元模型，通过有限元模型计算试验焊缝和实际焊缝残余应力；建立拘束度系数计算公式和设定优化系数，先计算基准拘束度系数，再计算优化拘束度系数，然后计算拘束底板和拘束立板的优化尺寸；两块试验板对接焊接得到试验焊缝；对试验焊缝进行超声波无损检测和截面检查得到冷裂纹情况。本发明专利技术既能保证适当的安全裕量，又能合理降低保守度，能对高强管线钢现场施工环缝焊接性进行有效评估。焊接性进行有效评估。焊接性进行有效评估。

【技术实现步骤摘要】
高强管线钢单面焊双面成型焊接性评估方法


[0001]本专利技术涉及高强管线钢焊接技术，特别涉及一种高强管线钢单面焊双面成型焊接性评估方法。

技术介绍

[0002]焊接是管线钢现场施工的关键工序，而管线钢现场环缝焊接性优劣直接影响到环缝接头的焊接质量。一般来说，钢材的焊接性包括工艺焊接性和使用焊接性，前者主要是指焊接过程中避免焊接缺陷、得到连续完整焊接接头的能力，后者主要是指焊接接头的使用性能。其中，工艺焊接性是首先要解决的问题，对于高强管线钢(屈服强度550MPa以上)现场施工焊接来说，焊接冷裂纹产生在焊接接头，冷裂纹产生倾向随钢材屈服点提高而加强，它是导致这类钢种焊接产品失效的重要原因。另外，焊接工件在无拘束情况下，热胀冷缩没有受到阻碍，焊接接头内部不会出现反作用力，如焊接工件加以刚性固定，在加热和冷却过程中焊接接头内部产生残余应力，在焊接工件使用过程中可能会导致焊接接头内部产生裂纹。因而，针对管线钢现场施工环缝焊接性的评估，主要就是对其焊接接头冷裂纹敏感性的评估。
[0003]目前，针对钢材焊接冷裂纹敏感性的评价方法很多，例如ISO 17642
‑
2标准提出了用于板材冷裂纹敏感性评估的TEKKEN试验，与GB 4675.1所述的斜Y型坡口焊接裂纹试验方法类似，在高拘束条件下进行小尺度试验焊缝焊接，以评估钢材在一定焊接条件下的冷裂纹敏感性。但是，该方法拘束条件过于苛刻，较高的拘束应力更容易诱发焊接冷裂纹，使得试验结果过于保守，而且所得到的试验焊缝为焊接接头坡口内部随机成型单道焊缝，呈不规则形状，与现场管线钢单面焊双面成型打底环缝焊接的焊缝差异性太大，不具有直接指导意义。GB/T 13817所述的对接接头刚性拘束焊接裂纹试验方法同样偏保守，而且试验焊缝与刚性拘束底板焊接在一起，无法反映现场管线钢单面焊双面成型根焊的情形。
[0004]中国专利201611208203.5公开了一种改进的斜Y型坡口焊接裂纹敏感性试验试件及其制造方法，其在ISO 17642
‑
2标准试验基础上，在整块钢板(试件)上加工出试验焊接接头，取消拘束焊缝，避免了拘束焊接对试验接头组对间隙精度的不利影响，但从本质上与上述TEKKEN试验相似，与现场管线钢单面焊双面成型环缝焊接焊缝差异性太大，不具有直接指导意义。中国专利201110253867.4公开了一种异种钢冷裂纹敏感性试验方法，同样也是借鉴了TEKKEN试验方法，通过优化焊条匹配、焊前预热、工艺过程控制等以间接评估异种钢焊接冷裂纹敏感性，但对具有单面焊双面成型特征的焊接场合并不适用。中国专利201310529159.8公开了一种异种钢焊接冷裂纹敏感性预测方法，通过正交试验得出与预热温度、焊接热输入、板厚相关的最高硬度预测公式，把预测的最高硬度与产生冷裂纹的临界硬度值进行比较，间接预测异种钢焊接冷裂纹敏感性，但是该方法的拘束条件、试验焊缝与现场管线钢单面焊双面成型打底焊接也有很大差别，不具有直接指导意义。
[0005]另外，用于以板代管焊接冷裂纹敏感性评价的WIC试验主要是基于纤维素焊条单面焊双面成型试验焊缝，在严苛的拘束条件下评估管线钢冷裂纹倾向，但是该试验方法是
在20世纪80年代推出，当时主要针对API SPEC 5L管线钢管规范的X70及以下等级(即屈服强度不超过485MPa)管线钢，具有试验系统高拘束度、纤维素焊条高扩散氢含量以及薄层单道试验焊缝承载的特征，如若用于屈服强度550MPa以上高强管线钢(例如X80管线钢，其屈服强度约为552MPa)，将不可避免地出现焊接冷裂纹，这与当前高强管线钢实际具有较好现场环缝焊接性的情形不符，容易给业主和施工单位造成误导。同时，WIC试验拘束系统形状与尺寸范围过宽，也没有对拘束度进行适当量化，如果选择了范围很宽的拘束板尺寸，拘束度与随之而来的拘束应力随机性变化将引起试验结果的随机改变，从而降低了评估结果的可信度。另外，纤维素焊条手工电弧焊也不是当前高强管线钢焊接施工的主流工艺。
[0006]鉴于此，亟待开发一种适用于高强管线钢单面焊双面成型打底焊接场合的焊接性评估方法，能够对高强管线钢现场环缝焊接冷裂纹敏感性进行综合评估。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种高强管线钢单面焊双面成型焊接性评估方法，其通过多维拘束试验系统和有限元模型计算得到焊缝残余应力，从而对多维拘束试验系统进行优化，最终在优化后的多维拘束试验系统上并结合优化焊接工艺参数组合，得到单面焊双面成型试验焊缝，以此评估多维拘束条件下高强管线钢现场焊接冷裂纹敏感性。
[0008]本专利技术是这样实现的：
[0009]一种高强管线钢单面焊双面成型焊接性评估方法，包括以下步骤：
[0010]步骤一，选取两块试验板，试验板屈服强度大于等于550MPa，采用多维拘束试验系统并确定试验焊接方式；所述多维拘束试验系统包括采用T形接头形式的拘束底板和拘束立板，拘束底板上侧面中心设置矩形辅助槽，试验板宽度与辅助槽长度相同；
[0011]步骤二，两块试验板沿拘束底板长度方向水平对称放置在辅助槽正上方，并采用V型坡口组合对接，确定焊接工艺参数；
[0012]步骤三，设定拘束底板和拘束立板的基准尺寸并根据管线钢规格、试验焊接方式和焊接工艺参数建立有限元模型，根据有限元模型计算得到试验板的试验焊缝残余应力和管线钢环缝焊接的实际焊缝残余应力；
[0013]步骤四，根据试验焊缝残余应力和实际焊缝残余应力建立拘束度系数计算公式并设定优化系数，先由拘束底板和拘束立板的基准尺寸、管线钢屈服强度、焊接热输入根据拘束度系数计算公式得到基准拘束度系数，再由基准拘束度系数和优化系数得到优化拘束度系数，然后由优化拘束度系数根据拘束度系数计算公式得到拘束底板和拘束立板的优化尺寸；
[0014]步骤五，根据拘束底板和拘束立板的优化尺寸选取拘束底板和拘束立板，拘束底板和拘束立板焊接构成多维拘束试验系统并得到系统拘束焊缝，试验板在辅助槽两侧的边沿部分焊接在拘束底板上并得到试验板拘束焊缝；
[0015]步骤六，两块试验板进行对接焊接并得到试验焊缝；焊接完成后，试验板先放置一段时间，然后通过对试验焊缝进行超声波无损检测和截面检查得到冷裂纹情况，用于评估冷裂纹敏感性。
[0016]所述步骤四中，试验焊缝残余应力为横向残余应力，实际焊缝残余应力为管线钢纵向残余应力，所述拘束度系数计算公式如下：
[0017]R
c
＝x1ln a
底
b
底
t
底
+x2ln a
立
t
立
+b
立
/x3+x4lnσ
Y
+x5e
E
[0018]式中，R
c
为拘束度系数，a
底
、b
底
、t
底
分别为拘束底板的长度、宽度、厚度，a
立
、b
立
、t
立
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高强管线钢单面焊双面成型焊接性评估方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一，选取两块试验板，试验板屈服强度大于等于550MPa，采用多维拘束试验系统并确定试验焊接方式；所述多维拘束试验系统包括采用T形接头形式的拘束底板和拘束立板，拘束底板上侧面中心设置矩形辅助槽，试验板宽度与辅助槽长度相同；步骤二，两块试验板沿拘束底板长度方向水平对称放置在辅助槽正上方，并采用V型坡口组合对接，确定焊接工艺参数；步骤三，设定拘束底板和拘束立板的基准尺寸并根据管线钢规格、试验焊接方式和焊接工艺参数建立有限元模型，根据有限元模型计算得到试验板的试验焊缝残余应力和管线钢环缝焊接的实际焊缝残余应力；步骤四，根据试验焊缝残余应力和实际焊缝残余应力建立拘束度系数计算公式并设定优化系数，先由拘束底板和拘束立板的基准尺寸、管线钢屈服强度、焊接热输入根据拘束度系数计算公式得到基准拘束度系数，再由基准拘束度系数和优化系数得到优化拘束度系数，然后由优化拘束度系数根据拘束度系数计算公式得到拘束底板和拘束立板的优化尺寸；步骤五，根据拘束底板和拘束立板的优化尺寸选取拘束底板和拘束立板，拘束底板和拘束立板焊接构成多维拘束试验系统并得到系统拘束焊缝，试验板在辅助槽两侧的边沿部分焊接在拘束底板上并得到试验板拘束焊缝；步骤六，两块试验板进行对接焊接并得到试验焊缝；焊接完成后，试验板先放置一段时间，然后通过对试验焊缝进行超声波无损检测和截面检查得到冷裂纹情况，用于评估冷裂纹敏感性。2.根据权利要求1所述的高强管线钢单面焊双面成型焊接性评估方法，其特征在于：所述步骤四中，试验焊缝残余应力为横向残余应力，实际焊缝残余应力为管线钢纵向残余应力，所述拘束度系数计算公式如下：R
c
＝x1lna
底
b
底
t
底
+x2lna
立
t
立
+b
立
/x3+x4lnσ
Y
+x5e
E
式中，R
c
为拘束度系数，a
底
、b
底
、t
底
分别为拘束底板的长度、宽度、厚度，a
立
、b
立
、t
立
分别为拘束立板的长度、宽度、厚度，σ
Y
为管线钢屈服强度，E为焊接热输入，e为自然常数，x1、x2、x3、x4、x5为调整系数；所述优化拘束度系数的计算公式如下：R
co
＝R
cc
×
A式中，R
co
为优化拘束度系数，R
cc
为基准拘束度系数，A为优化系数。3.根据权利要求2所述的高强管线钢单面焊双面成型焊接性评估方法，其特征在于：所述步骤一中，试验焊接方式采用脉冲短路过渡气体保护半自动焊接，a
底
≥300mm，b
底
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘硕，郑乔，曹能，
申请(专利权)人：宝山钢铁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：