油气输送管道焊接接头的可靠性是石油工程安全不可忽视的问题。高强度、大口径的管道钢可提升输送压力进而使得输送效率提高、输送管道管壁减薄,相应的焊接材料的消耗也会降低油气输送管道的成本。随着管线钢强度级别的提高,焊接接头处产生焊接缺陷的倾向越大,焊接残余应力和应力集中的倾向也更大,可引起导致疲劳强度降低,焊接氢致裂纹、脆性断裂、应力腐蚀裂纹等失效倾向增大。传统的焊接残余应力消除手段在管道的现场焊接过程中实施困难且不可避免的提高成本。合理控制管线钢焊接接头中残余应力的分布和大小是保障其焊接结构安全的重要方法。
特殊焊接填充材料法可利用焊接过程中发生的一系列组织转变产生的相变体积膨胀补偿热收缩过程产生的体积收缩,从而得到焊接残余压缩应力,这一方法无需焊前及焊后热处理,可直接在焊接过程中达到降低甚至消除残余应力的目的,除了成本低外更适合于很多难以进行焊后热处理的大型和复杂结构及条件苛刻的现场焊接,具有广阔的应用前景。
通过理论与实验相结合的方法对合金元素在钢中的作用及合金元素对马氏体转变温度的影响进行分析,结合舍弗勒相图研制了三种具有不同马氏体转变温度的焊丝,称其为低温相变焊丝(LTT),分别命名为LTT1、LTT2、LTT3。以X65管线钢为母材,同质焊丝及低温相变焊丝为填充材料,利用手工钨极氩弧焊(TIG)的方法进行焊接。
焊后利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)对焊接接头的微观组织进行观察并分析了焊接接头中的相组成,合金元素扩散及显微组织形貌,结果表明低温相变焊接接头中微观组织主要由马氏体及少量残余奥氏体组成(10%~15%),母材与焊缝金属熔合良好,母材与焊缝熔合处存在合金元素的扩散现象,主要合金元素在熔合区和焊缝处呈连续变化趋势。
对焊接接头的低温冲击韧性、显微硬度、拉伸强度进行测试,结果表明低温相变焊缝焊缝金属的显微硬度和抗拉强度均高于同质填充焊丝,室温下三种低温相变焊丝的冲击韧性良好,但是随温度降低,LTT1,LTT3焊接接头的冲击韧性明显下降,而LTT2焊接接头的冲击韧性随温度变化不大。利用盲孔法对焊接接头的残余应力状态进行检测,结果显示同质焊接接头中焊缝区域分布着较大数量级的残余拉伸应力,其纵向峰值可达450MPa、横向峰值可达到250MPa左右;低温相变焊接接头焊缝中心的应力状态为残余压缩应力或较小数量级的残余拉伸应力,其纵向应力在-300~200MPa之间,其横向应力在-200~200MPa之间。
此外,焊后同质焊丝填充的钢板变形方向与低温相变材料填充的方向相反,变形弧度分别为 TT1焊后焊接接头变形为0.056rad,LTT2焊后焊接接头变形为0.083rad,LTT3焊后焊接接头变形为0.033rad,同质焊丝焊后焊接接头变形为0.14rad。
造成这种结果的主要原因即为残余应力状态改变。利用电化学方法对低温相变填充的焊接接头在含有不同NaCl浓度和不同PH值的两组0.2mol/L H2S的饱和溶液中的耐腐蚀性能进行测试,结果表明随着NaCl浓度的增加,焊接接头的耐蚀性下降,随着溶液PH的增加,焊接接头的耐蚀性提高,当溶液由酸性变化为弱碱性时,焊接接头在腐蚀介质中的腐蚀情况几乎不受溶液PH值影响。
|