深层页岩气用高强度套管强韧性研究

为满足井深大于3 500 m的页岩气开发用高强度套管的强韧性要求,对试验用套管钢在不同热处理条件下的强韧性变化、显微组织演变及微观断裂机制等进行试验研究。试验结果表明:该试验钢的最佳热处理工艺条件为920℃保温45 min后淬火,660℃保温60~90 min后回火,其屈服强度≥1 000 MPa、-10℃横向冲击功≥80 J,可满足T/CPSI 01301—2022标准对140钢级的要求,具有最佳的强韧性匹配。随着回火温度升高及回火保温时间延长,晶界、板条内及板条界等位置上析出碳化物发生球化、聚集及粗化演变,断口形貌特征逐渐转变为准解理、撕裂棱及二次裂纹,进而演变成大小韧窝和少量二次裂纹特征,造成了试验钢的强韧性差异。

油气管道环焊缝缺陷适用性评价现状与展望

油气管道的环焊缝质量好坏与管道能否安全运行密切相关,近年来管道环焊缝问题日益突显,因此准确评价管道环焊缝缺陷的适用性对于保障管道安全运行具有重要的意义。为了给环焊缝缺陷安全评定提供参考,系统总结了现行的环焊缝缺陷适用性评价方法并归纳为6种类型,剖析了各类方法的原理、特点及适用性,从焊接缺陷、内外部载荷及材料性能等3个方面分析了目前环焊缝缺陷适用性评价过程中遇到的瓶颈问题,并针对高钢级管道环焊缝所暴露出的新问题,提出了环焊缝缺陷适用性评价的未来展望。研究结果表明:(1)环焊缝缺陷可分为体积型缺陷和平面型缺陷两大类;(2)对于体积型缺陷,主要考虑塑性失效模式,推荐采用修正的Miller方法;(3)对平面型缺陷,应同时考虑塑性失效和断裂失效模式,推荐采用BS 7910:2015标准中基于失效评估图(FAD)的方法,并根据可用材料参数及保守性选用通用失效评估曲线(FAC)或特定FAC。结论认为,该研究成果有助于保障管道的安全运行。

弹性阶段低匹配对接接头三点弯曲余高形状设计

弹性阶段以提高低匹配接头弯曲承载能力为目标,基于材料力学方法针对三点弯曲时低匹配对接接头的余高形状设计,提出了等弯曲承载能力(EBLCC)的设计思想、判据及实现条件,并给出了三点弯曲接头余高形状设计方案,同时对理论分析结果进行了有限元验证.结果表明,理论计算余高形状为抛物线形,有限元结果与理论分析基本吻合,EBLCC设计使峰值应力从低匹配接头承载薄弱的焊缝区转移到近焊趾的母材部位,从而提高了低强焊缝的弯曲承载与抵抗弯曲变形能力.余高双侧对称圆弧型可以替代抛物线型.这种设计方法对高强钢低匹配对接接头设计及应用具有参考和指导意义.

焊接残余应力对高强度钢低匹配对接接头静载强度的影响

采用有限元方法研究了焊后拉伸条件下高强度钢等匹配和低匹配对接接头内部应力的变化情况.结果表明,焊后横向和纵向拉伸载荷增至临界失效载荷期间,等匹配和低匹配接头的焊缝区和母材区应力均一直持续增加,但焊缝及近缝母材区应力在焊接残余应力基础上的增加较远端母材区缓慢;最终近缝母材区的应力明显高于远端母材区,未表现出内应力完全调匀的特征;这意味着由于焊接残余应力的存在,高强度钢宽板等匹配焊接结构的静载强度可能略有损失,而高强度钢宽板低匹配焊接结构更将在焊缝低强的影响下损失更大的静载强度.

低匹配对接接头形状参数对三点弯曲应力集中系数的影响

弹性阶段以提高低匹配接头弯曲承载能力为目标,基于有限单元法针对X形坡口低匹配对接接头三点弯曲形状设计,从材料力学方法角度出发,考察了双侧余高对称时低匹配对接接头的焊缝余高、盖面焊道宽度、焊趾过渡圆弧半径等形状参数对三个危险区弯曲应力集中系数的影响.结果表明,对母材与焊缝交界处突变区与焊缝底部中心区的影响规律为焊缝余高影响最大,盖面焊道宽度影响次之,焊趾圆弧半径影响最小;对焊趾部位影响规律为盖面焊道宽度的影响较大,焊趾圆弧半径和焊缝余高影响均较小.选择合适的形状参数可以提高低匹配接头弯曲承载能力.

Q550高强钢焊接接头强韧性匹配

在不预热条件下采用不同合金成分焊丝焊接Q550高强钢,试验研究焊丝中合金对焊缝组织、接头抗拉强度及冲击韧性的影响.结果表明,使用MK.G60-1焊丝可获得以针状铁素体为主的焊缝组织.焊缝中沿晶界分布的先共析铁素体在承受拉应力时易萌生裂纹,提高焊缝中针状铁素体含量可以提高接头抗拉强度和韧性.采用MK.G60-1焊丝接头抗拉强度接近母材的抗拉强度,断裂发生在熔合区.接头热影响区的冲击吸收功最高,而熔合区的抗拉强度和韧性最低.焊缝冲击断口纤维区均以穿晶断裂为主,断口韧窝产生的机理是微孔聚集型,针状铁素体区对应的韧窝较大,先共析铁素体对应的韧窝较小.

高强钢低匹配等承载对接接头焊接残余应力调匀能力

借助有限元软件研究了高强钢对接接头中焊接残余应力的调匀情况.结果表明,因母材塑性储备不足,所有接头焊后横向、纵向拉伸峰值应力均在焊接残余应力的基础上不断增加,但接头各区域应力增速不同,最终残余应力均未完全调匀.低匹配静载ELCC接头高塑性、低屈强比的盖面焊道位于高值残余应力所在的焊缝及近缝区母材表面并分担载荷,使该区应力增速放缓,故其残余应力调匀能力优于等匹配接头.考虑焊接残余应力的ELCC接头静载失效更可能发生在母材区,这与ELCC接头的设计目标相符.明确了静载ELCC设计可以忽略焊接残余应力的影响.

基于应变设计X70管线钢管高强匹配环缝焊接性评估

针对宝钢基于应变设计的大口径X70管线钢管,应用高强度和超高强度匹配焊接材料进行手工和半自动药芯焊丝气体保护环缝焊接,并对环焊接头进行拉伸、导向弯曲、低温冲击以及维氏硬度的检验与评估。结果表明,宝钢基于应变设计的X70管线钢管在手工焊接和半自动焊接条件下具有良好的环缝焊接性。采用超高强度匹配的铁粉低氢型焊条和气体保护金属粉芯焊丝,对钢管承受外部应变条件下焊接接头的安全性非常有利。

高强度钢材对接焊缝拉伸性能试验研究

为考察不同匹配形式下国产高强钢对接焊缝的基本力学性能,对Q460D及Q690D焊接试件进行了静力拉伸试验。结果表明:对Q345B与Q460D及Q690D连接,在低强和等强两种匹配形式下的屈服强度和极限抗拉强度比较接近,极限强度比Q345B母材分别提高了约4.4%和6.5%,断裂位置在热影响区和母材区,说明不同强度钢材的混合焊缝连接,选用低强匹配的焊条能保证连接强度;焊缝区不先于母材断裂。对于Q460D和Q690D同种钢材对接焊缝连接,采用等强匹配试件的极限抗拉强度比低强连接分别提高了16%和14%,应变达到4.9%~11.9%,即达到极限强度值,说明同种钢材采用等强匹配的焊条,连接接头在承载力提高的同时,延性有所降低。

高强钢筋与高强混凝土的匹配问题

介绍了钢筋混凝土匹配问题研究的重要性,基于对钢筋混凝土结构发展的简述,对钢筋与混凝土的匹配问题进行了初步探讨。通过对普通钢筋与普通混凝土、普通钢筋与高强混凝土、高强钢筋与普通混凝土的粘结锚固性能分析,介绍了钢筋与混凝土之间的粘结匹配关系,对高强度钢筋与高强度混凝土而言,不存在两者不匹配的问题。

高钢级管线钢管环焊缝高强匹配研究

对于环焊焊缝性能来说,焊缝金属屈服强度是管线设计的一个关键因素。介绍了钢管母材与焊缝金属的匹配关系及钢管母材屈服强度的分布曲线,论述了影响高强匹配焊缝金属屈服强度的因素,最后提出了高强匹配时焊缝金属屈服强度最小值的确定方法。

不同强度钢材螺栓连接承载性能试验研究

通过两组不同强度等级钢材螺栓连接接头的静力拉伸试验,分析了材料匹配性、螺栓布置方式和间距对混合接头承载性能的影响,并与规范理论值进行了对比,讨论了规范计算公式的适用性。研究表明:螺栓横向布置时,试件承载力随螺栓端距、边距、间距的增大而增大,ANSI规范拟合趋势比较接近,EC3规范偏保守;螺栓纵向布置时,连接的承载力仅随边距的增大线性增大,此时EC3规范拟合效果较好。基于理论分析与试验数据,给出了适用于不同强度钢材混合接头的连接构造建议。高强度钢材能显著增加钢材强度利用率,间接提高孔壁承压强度设计值,混合连接的承载力计算完全沿用普通钢材的设计方法,会导致计算值偏低。

液压支架用Q690高强钢焊接接头的强韧性匹配

为满足液压支架用Q690高强钢的使用要求,采用不同强度级别的焊丝对Q690高强钢进行焊接,研究了焊接接头的强韧性匹配问题。结果表明:采用GHS75H焊丝焊接时,焊缝组织主要为板条贝氏体,具有较高的强度,焊接接头断于母材Q690,且冲击韧性与Q690相近,塑性良好;采用MK·GHS70-G焊丝焊接时,焊缝组织主要为针状铁素体和板条贝氏体,强度较低,焊接接头断于焊缝,但焊接接头冲击韧性明显高于Q690,塑性良好。两种焊丝与Q690的强韧性匹配均较好,但GHS75H更符合液压支架向轻量化和高可靠性发展的要求。

HQ785T1低合金高强度钢不预热焊接技术研究

采用焊接冷裂纹试验方法、通过扩散氢含量测定、微观组织分析、有限元应力分析计算对比研究了不同强度匹配条件下HQ785T1焊接接头裂纹敏感性。结果证实,采用低强焊丝打底、等强焊丝填充的不同强度匹配工艺方法,可以实现低合金高强钢的不预热焊接,焊接接头各项力学性能达到母材技术标准;为避免扩散氢对抗裂性的不利影响,低强打底焊丝扩散氢含量建议不大于3 mL/100 g。

国外新型金属材料及焊接技术的开发与应用

为了提高潜艇的隐蔽性,增强其自身的防护力、战斗力与生存力,提高机动性,减少维修,降低成本,延长使用寿命,各国海军都在积极开展新型金属材料以及焊接技术的研发。文中介绍并分析了美国HY系列高屈服强度高韧性结构钢及其配套铸锻钢、非耐压壳体用HSLA-80和HSLA-100结构钢以及新型焊接材料与工艺;日本NS系列耐压壳体结构钢;法、俄、英、德、澳等国的潜艇用高屈服强度高韧性结构钢及其新型焊接材料与工艺。重点介绍了美海军舰艇使用的低匹配强度焊缝,高强度耐腐蚀紧固件以及正在使用的具有高韧性、可焊性、耐海水应力腐蚀的低成本Ti-5111钛合金,这些新型材料与技术将对潜艇的作战性能带来重大影响。

高强度钢材对接焊缝低温冲击韧性试验研究

对Q460D和Q690D高强度钢材对接焊缝进行低温冲击试验,得到低强和等强两种匹配下,焊缝区、热影响区的冲击功值,讨论了两种匹配形式下冲击功值AKV随温度的变化规律。结果表明:焊缝区和热影响区随温度降低韧性逐渐变差,热影响区的AKV总是大于焊缝区,表明经过焊接热循环后,热影响区的冲击韧性处于较高的水平;采用低匹配连接,焊缝区和热影响区的冲击功均大于等匹配,说明低匹配可获得良好的吸收能量的能力。同时,利用Boltzmann函数对试验结果进行拟合分析,将高强度钢材两种匹配下焊缝区和热影响区的韧性进行了对比。由试验数据比较可知,焊缝区吸收能量的能力较差,为主要断裂部位。

先进高强钢的焊接性研究现状与趋势

钢是目前最为广泛使用的金属材料,结构件的轻量化已成为工程师们的基本设计目标,采用各种方法提高钢材的强度便可实现这一目标。然而,用来提高强度的方法对后续生产,尤其是焊接性能要求有着重大的影响。通过对匹配问题进行深入研究后发现,为了使焊接接头焊后保持优良的强度和韧性,需要精确控制焊接热输入,限制层间温度并谨慎选择填充金属。

Q550D贝氏体高强钢板焊接接头强度匹配的选择

分别采用低强匹配的GHS-60焊丝和高强匹配的GHS-70焊丝进行Q550D贝氏体高强钢板的混合气体保护焊接试验,对焊接接头进行了斜Y裂纹敏感性试验、焊后520℃×1.5 h热处理试验,通过金相分析、拉伸试验、冲击试验等评价了不同强度匹配焊丝对焊接接头性能的影响。结果表明:采用GHS-60焊丝时不需要预热便可避免冷裂纹的产生,采用GHS-70焊丝时预热温度在80℃以上才可避免冷裂纹的产生;两种强度匹配的焊接接头力学性能良好,焊后热处理对热影响区和母材的性能没有不利影响,但使焊缝中心韧性有所降低;建议使用低强匹配。

高强度管线钢发展中的几个重要课题

举例分析了高钢级管线钢在输气管道上两种不同的应用途径,并就钢管环焊缝的有关问题,对以应变为基础的设计范围作了简单介绍,指出对于任何钢级的管道,在遇到以应变为基础的设计范围时,环焊缝均需做到超强匹配。

屈服强度700MPa级低合金高强钢焊接接头的组织和性能研究

采用等强匹配设计原则,对屈服强度为700 MPa级的低合金高强钢进行了熔化极气体保护焊接,通过金相显微组织观察和力学性能测定对焊接接头的组织和性能进行了试验研究。试验结果表明,焊接接头的热影响区粗晶区组织为等轴铁素体和粒状贝氏体,焊缝区组织以针状铁素体为主,以及少量先共析铁素体与贝氏体;焊缝区的显微硬度与母材相当。在-40℃时AKV=38 J,焊接接头与母材的抗拉强度比为97.1%,断裂位置在热影响区粗晶区,裂纹源区断口形貌为韧窝和解理台阶的混合型断口。经等强匹配焊接的焊接接头表现为强韧性较高,综合力学性能良好。