基于XFEM的X80管线钢焊接接头三维裂纹萌生扩展仿真分析

利用有限元软件ABAQUS,以X80管线钢不同坡口形式的焊接接头为研究对象,基于扩展有限元方法(XFEM),对X形和V形两种不同形式坡口的焊接接头在拉伸载荷下的裂纹扩展形态进行数值模拟分析。结果表明,裂纹尖端首先出现了应力集中,应力分布趋势与理论计算的塑性区形状大致相同。利用XFEM方法模拟裂纹尖端自由扩展,X形坡口和V形坡口的焊接接头裂纹首先出现在焊缝并靠近熔合线处,且二者的扩展路径一致,在相同条件下,X形坡口的焊接接头焊缝处最先出现裂纹,V形坡口的焊接接头焊缝处裂纹出现的时间较X形坡口出现裂纹的时间晚。

含Cu抗细菌腐蚀管线钢的研制及其性能

采用超低碳、低锰和微合金元素技术开发了Cu质量分数分别为0.9%,1.4%,1.8%的高强度抗细菌腐蚀板材,并对板材进行了硫酸盐还原菌(SRB)腐蚀试验。结果表明:随着Cu含量的增加,板材的抗细菌腐蚀能力增强,SRB均匀腐蚀速率降低,SRB点蚀深度也降低。优选了Cu质量分数1.4%的抗细菌腐蚀管线钢,经过时效热处理工艺后,可析出大量30~50 nm的球状富Cu相,经过500℃+1 h的时效热处理后,试样的-20℃夏比冲击结果为184~220 J。调节时效处理工艺可获得X80钢级抗菌板材需要的力学性能,含Cu管线钢时效后的富Cu相对管线钢的抗细菌腐蚀性能起到了关键作用。

新型HFW焊管的耐腐蚀性能

目的 研究采用高频直缝焊接(HFW)制成新型含Cu焊管母材和焊接接头在硫酸盐还原菌(SRB)环境中的腐蚀行为,为含Cu焊管提供基础数据。方法 通过失重法获得含Cu钢母材、接头及对比材料L360在SRB中的腐蚀速率,采用光学电子显微镜(OM)和透射电子显微镜(TEM)研究了含Cu钢的微观组织结构和析出相成分。通过扫描电子显微镜、激光共聚焦显微镜对腐蚀后的表面腐蚀形貌、细菌形貌和点蚀深度进行分析,利用EDS区域扫描和面扫描对腐蚀产物成分及元素分布状态进行分析。结果 新型含Cu钢金相组织为粒状贝氏体、多边形铁素体和少量的珠光体,透射电镜观察发现表面析出了大量弥散分布的ε-Cu相。在SRB环境中,含Cu钢母材、焊接接头和L360的腐蚀速率分别为0.007 1、0.0239、0.010 0 mm/a。通过腐蚀产物、细菌分布及形态的扫描电镜观察发现,在含Cu钢母材表面未发现结构完整的生物膜,腐蚀介质中的材料表面水解产生的Cu离子有效破坏腐蚀初期快速附着在金属表面的生物膜,从而形成“包状物”残留在金属表面,附近发现萎缩和组织液溢出的细菌,含Cu钢焊接接头焊缝区域生物膜结构完整,有大量细菌吸附且生物活性良好,微生物膜下产生腐蚀坑造成局部膜层破裂,点蚀严重。结论 在SRB环境中新型HFW焊管材料的平均腐蚀速率、点蚀密度和点蚀深度均低于L360,即Cu合金化处理金属表面析出ε-Cu相具有优良杀菌性能,从而减缓含Cu钢的腐蚀,经过HFW焊接后,接头焊缝区域点蚀敏感性增强,耐蚀性能下降。

低温环境用X80直缝埋弧焊管焊缝韧性波动分析

针对分别采用Ni-Nb-Cr和Ni-Nb-Mo两种合金设计的X80钢级管线用钢,采用同种轧制工艺和埋弧焊接制成ϕ1219×23.7 mm直缝埋弧焊管,发现-30℃低温环境下Ni-Nb-Cr合金板材焊接后焊缝韧性波动大,而Ni-Nb-Mo合金板材焊接后焊缝韧性稳定且较高。开展了金相(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)等试验研究,结果表明:板材成分设计差异导致焊接后过渡到焊缝中Cr和Mo含量不同,Ni-Nb-Cr板材焊接后的焊缝出现4.3%粗大先共析铁素体组织,焊缝低温韧性不稳定,而Ni-Nb-Mo板材焊接后焊缝中针状铁素体相互细密交错、较为均匀,含Mo焊缝低温韧性稳定。含Mo板材焊缝中M-A组元面积占焊缝面积的5.4%,粗大M-A组元和大块状M-A组元分别只占面积的1.0%和9.5%,相比含Cr板材焊接后焊缝中M-A组元面积分数以及粗大M-A和大块状M-A面积分数都较低。所以Mo元素加入能引起焊缝产生更多细小均匀的类圆形或球型M-A组元,弥散分布在焊缝中,确保焊缝低温韧性较高且稳定。

耐高温内防腐涂层钢管的壁面减阻应用

分析了内涂层钢管节能减阻的影响因素,从实际应用案例出发计算壁面减阻效果,评价该涂层钢管的应用性能。结果表明:耐高温内防腐钢管内壁粗糙度显著降低,带有内壁涂层钢管的节能减阻效果较为显著。

基于应变设计的X80M钢级Φ1219 mm×33 mm高应变管线钢管开发

针对西气东输四线活动断裂带穿越工程管道,采用基于应变设计,以低C高Mn为基础,添加Nb、Cr、Ni、Mo、Ti、Cu等复合微合金元素进行合金体系设计和“多边形铁素体+贝氏体”的双相组织设计,并配合合理的TMCP轧制工艺,开发出了化学成分、力学性能稳定,屈强比低,均匀伸长率和应力比高,具有良好成型、焊接性能的X80M钢级厚度33 mm钢板,以及X80M钢级Φ1219 mm×33 mm高应变直缝埋弧焊管。结果表明,开发的高应变直缝埋弧焊管具有低屈强比、高应力比及高均匀塑性变形延伸率等良好的塑性和高应变能力,同时具有优良的低温韧性、安全性能和较高的现场适用性,达到了研制目标要求,为X80高应变管线钢管的管道工程批量化应用提供参考。

MnS夹杂和氢分压耦合作用对X80管线钢氢脆敏感性影响研究

为了研究含有较多夹杂物的X80管线钢在空气介质和不同氢分压条件下的氢脆敏感性,采用慢拉伸试验机分别在空气和不同压力氢气环境中进行缺口慢拉伸试验,采用金相显微镜和扫描电子显微镜对断口形貌和成分进行表征分析。结果表明,包含较多夹杂物的X80管线钢在空气介质中的缺口慢拉伸断裂方式为韧性断裂;管线钢在0.6 MPa、1 MPa、3 MPa和6 MPa氢分压条件下的断面收缩率损失率分别为32.4%、74.2%、84.6%和86.6%,即在氢分压增加到1 MPa时发生了氢脆,这是夹杂物和氢分压共同作用的结果;条带状MnS与基体的界面位置在氢的作用下形成微裂纹,并进一步扩展形成环向裂纹;同时,成串的MnS夹杂促进了微孔洞的形核,并在氢分压的作用下扩展连接形成大尺寸裂纹,导致塑性急剧降低。通过分析夹杂物与氢分压对X80管线钢氢脆敏感性的影响,为输氢管线的建设提供技术参考。

基于PHAST的天然气管道泄漏后果危害范围模拟研究

针对天然气管道泄漏引发的事故后果,依据相关计算理论及伤害准则,采用PHAST软件对不同输送压力、泄漏孔径、环境风速、泄漏方向等因素进行分析,确定了不同工况下室内人员及室外人员的伤亡范围。研究表明:影响火灾爆炸事故最严重的因素是泄漏孔径,造成人员伤亡半径的影响大小依次为:火球>喷射火>蒸气云爆炸,事故造成人员伤亡距离室外大于室内。根据国标相关计算公式计算某管线运行工况下的潜在影响半径略低于模拟值,因此国标对潜在影响半径的设置略为保守,该研究结果可为天然气扩散后果的影响因素及危害范围的研究提供参考。

软化对X80管线钢管气体保护焊接头承载能力的影响

针对X80管线钢管环焊接头热影响区软化造成环焊缝断裂失效的问题,采用数字图像相关法对焊接接头拉伸过程的应变分布情况进行了分析,并建立了焊接接头承载能力数值分析模型,对接头断裂位置及承载能力进行了预测,研究软化区宽度及软化程度对环焊接头强度和承载能力的影响。结果显示,焊趾处软化区宽度为0.3 mm、最大软化程度为2.6%时,拉伸过程中在母材处发生颈缩,软化对接头承载能力影响不明显;当软化程度为2.6%时,软化区宽度增大对接头承载能力没有明显影响;当软化区宽度为5 mm、25 mm,软化程度分别为25%和10%时,环焊接头承载能力降低约10%。研究表明,接头承载能力降低与颈缩位置有关,随着软化区宽度的增加,颈缩位置逐渐由母材向软化区转移,达到某一临界值时颈缩发生在软化区,此时接头的承载能力主要取决于软化区的性能,因此导致接头承载能力降低。

输气钢管内壁椭圆形坑失效原因分析

为分析某输气用X52QS钢级无缝钢管内壁椭圆形凹坑失效原因,通过力学性能测试、金相检测、化学成分分析、扫描电镜(SEM)、物相(XRD)分析等手段,对该凹坑产生原因进行综合分析。结果发现,凹坑区的C、Cr、Mo、Ti、B等元素含量高于正常区,且偏聚在凹坑区;C、B元素含量超标,化学成分不均导致凹坑区金相组织不均匀,使凹坑区发生微观原电池反应,凹坑区成为阳极被腐蚀而减薄;此外,凹坑内表面的CaCO3和SiO2含量较高,造成凹坑区垢下腐蚀;凹坑区表面膜疏松造成浓差电池,在介质冲刷等共同作用下会加速腐蚀,凹坑区壁厚持续减薄,最终形成更大的椭圆形凹坑。最后对样管最薄凹坑剩余厚度进行计算,发现已无法满足设计压力要求,建议换钢管或者降低设计压力后二次利用。

碳当量对油气输送管道环焊缝热影响区韧性的影响规律

针对高钢级油气长输管道环焊接头热影响区韧性波动的问题,通过热模拟试验机、金相显微镜、扫描电子显微镜、维氏硬度计以及夏比冲击试验机对试验钢的组织及力学性能进行测试,对比分析了不同碳当量的高钢级管线钢一次粗晶区经不同峰值温度二次热循环后组织和低温韧性的变化规律。结果表明,经二次热循环后,在环焊接头热影响区会出现脆化区,且即使母材韧性处于较高水平,在经历多次热循环后,其低温韧性也有可能减小,通过冶金成分的优化设计可以减小低韧性组织所占比例,从而提高焊缝热影响区的低温韧性;不同试验钢在不同温度下的组织形貌差异表明,粗大的粒状贝氏体组织和大量大颗粒的M/A组元是导致韧性下降的根本原因。通过研究X80钢级管线钢在不同热影响作用后组织及低温韧性的影响,为适用于全自动环焊的高韧性X80管线钢的开发及应用提供理论支持。

膨胀套管的研究现状

综述了国内外膨胀套管的研究现状,表明我国在高性能膨胀套管制造技术领域与发达国家之间存在着较大差距;探讨了不同作业类型下膨胀套管用钢的选材、性能要求及组织设计目标;展望了膨胀套管的未来发展趋势及对我国油气勘探开发的重要意义。建议加快高端膨胀套管的国产化研发进程,为我国深海钻井和勘探开发西部油气藏急需的膨胀套管钻井关键技术提供装备支持。

超临界二氧化碳输送用HFW焊管开发

采用低碳中锰微合金设计、洁净化炼钢和TMCP控轧控冷技术,设计出了低温性能优异的X60M钢级热轧卷板,卷板微观组织为细长扁平的多边形铁素体(PF)+少量珠光体(P);经过优化HFW钢管成型焊接工艺,开发出X60M钢级超临界二氧化碳输送用Φ323.9 mm×10 mm HFW钢管,并对其进行了低温冲击韧性、抗拉强度、硬度检测及压扁试验和静水压爆破试验。结果表明,该管材具有较高的强塑性和强韧性,其焊缝强度不低于管体;在-45℃条件下,该钢管焊缝冲击功为293~351 J,热影响区冲击功为219~315 J,管体冲击功为248~342 J,所有试样剪切面积100%。当试验温度降到-75℃,该钢管焊缝、热影响区及母材冲击功平均值均在204~350 J范围内,剪切面积为85%~100%,表现出优异的低温韧性。开发管材的以上性能完全满足超临界二氧化碳输送管道设计要求和安全输送服役要求。

国产80钢级SEW膨胀管实物试验研究

对国产80钢级SEW膨胀管(BX80)进行了实物膨胀试验,并对其膨胀后的规格尺寸、力学性能、抗挤强度等进行了研究。结果表明:国产BX80膨胀过程压力较低且保持平稳,膨胀后管材仍具有良好的强度、塑性及韧性匹配,其力学性能和抗外挤强度指标均满足API Spec 5CT—2012、API TR 5C3—2008等标准要求,说明国产BX80膨胀管易于膨胀且膨胀后的使用性能优良,可满足工程应用要求。

宝鸡石油钢管有限责任公司高钢级大直径连续油管下线

2013年1月17日，国内首盘CT90钢级、直径73mm、壁厚4．8mm、长3500m的连续油管，在宝鸡石油钢管有限责任公司（简称宝鸡钢管）成功下线。1月21日最新检测报告显示，宝鸡钢管试制的CT90连续油管各项性能指标均达到连续油管相关技术标准要求。这标志着国产连续油管在产品多样化、规格系列化道路上又迈出了坚实的一步。

国产55钢级SEW膨胀管实物试验研究

为了评估国产55钢级SEW膨胀管的综合力学性能,采用液压式膨胀方法对国产55钢级SEW膨胀管（牌号为BX55）进行了实物膨胀试验,并对膨胀后钢管的尺寸、力学性能、抗内压至失效、抗外压挤毁性能进行了研究。结果显示,BX55液压膨胀11.5%的启动压力为24 MPa,行进压力为22~25 MPa,膨胀过程的压力平稳;膨胀后管材的屈服强度为499 MPa,抗拉强度为562MPa,伸长率29%,母材横向和焊缝中心半尺寸试样0℃夏比冲击功分别为66 J和48 J,抗内压至失效压力超出API SPEC 5CT要求值87%,抗外压挤毁强度高于API RP 5C3标准要求值9%。试验结果表明,国产55钢级SEW膨胀管的综合力学性能优良。

BSG-65钢级SEW石油套管的研制

为了实现套管性能与成本的合理匹配,采用新型焊管热机械控制工艺(高频电阻焊+焊管热张力减径+余热在线快速冷却)开发了一种低能耗、轻量化的BSG-65钢级Φ139.7 mm×9.17 mm SEW套管。试验评价了试制套管的理化性能、全尺寸实物性能等多项性能。结果显示,产品的屈服强度和抗拉强度平均值分别达到490 MPa和692 MPa,0℃时1/2尺寸母材和焊缝横向冲击功平均值分别达到42 J和35 J,螺纹连接强度平均值达1 706 kN,抗内压至失效强度平均值达77.6 MPa,抗外压挤毁强度平均值达60.1 MPa,产品的各项性能达到相关技术要求。

新型SEW-80TT高抗挤套管的性能试验研究

从显微组织、残余应力、拉伸和冲击性能、外压挤毁性能、沟槽腐蚀性能等方面,分析研究了采用SEW(高频焊接+热张力减径)工艺开发的SEW-80TT高抗挤套管的性能。结果表明:SEW-80TT高抗挤套管的抗挤强度超过Q/SY1394—2011标准中HC2等级要求的12.4%,比APITR5C3—2008标准要求的高41.6%,残余应力小于100MPa;屈服强度大于685MPa;母材和焊缝冲击功分别大于126J和118J,且焊缝沟槽腐蚀不敏感。SEW-80TT高抗挤套管具有良好的抗挤毁性能和综合力学性能。

国内SEW油套管开发现状

介绍了国内高频焊热轧(SEW)油套管的开发情况,SEW工艺的特点,以及采用SEW工艺开发的API油套管、BSG-80T/TT及BSG-110T/TT高抗挤套管、BX55及BX80膨胀套管的技术特征和产品性能,并对SEW油套管的研发方向进行了展望。

并流式进料沉淀法二氧化硅的制备

以工业水玻璃和硫酸为原料,用并流式进料的化学沉淀法制备了大孔容、高比表面积的超细SiO2粉末,用BET、TG-DTA、激光粒度分析等手段对其性能进行表征,并研究了进料方式、表面活性剂和热处理等因素的影响。结果表明,并流进料沉淀法所制得的多孔型SiO2比表面积可达823 m2/g,孔容可达1.438 cm3/g。