X80管线钢焊缝区金属元素原位定量分析研究

X80高钢级管线钢是我国长距油气输送管线的主要用材,应用过程中发现不同厂家钢板焊后焊缝金属韧性差异较大,严重影响油气储运安全。迫切需要一种能对沿焊缝厚度方向的元素分布进行快速、准确原位定量分析的方法,帮助探索X80管线钢母材与焊材的共同作用对焊缝金属韧性的影响机理。提出一种用LA-ICP-MS法对钢材焊缝中Mn元素、Ni元素、Cr元素、Al元素及Nb元素进行原位定量分析的方法。通过优化激光脉冲频率20 Hz、激光能量100%(激光输出Imaged Aperture模式)、剥蚀孔径100μm及离焦距离0μm等提升质谱信号的强度及稳定性。实验采用基体匹配的标准样品进行校准,以基体元素^(57)Fe作为内标辅以校正。通过对相关质谱干扰进行分析,优选同位素^(27)Al、^(53)Cr、^(55)Mn、^(60)Ni及^(93)Nb。该方法线性相关系数达0.9927~0.9996,定量限0.23~2.57μg·g^(-1)。将建立的LA-ICP-MS微区原位定量分析方法应用于分析焊材相同而母材成分不同的2种X80管线钢焊缝中的元素含量分布。发现在两种母材中含量接近的Mn、Cr、Al、Nb元素在焊缝根部表现的稀释情况相当,而在两种母材中含量差异较大的Ni元素在距焊缝根部8.4 mm以内的含量差异显著。冲击试验结果显示,母材中Ni元素含量高的焊缝韧性相对明显高。对焊缝根部进行SEM分析,发现Ni元素含量提高利于生成板条状贝氏体组织。分析结果表明,X80管线钢中加入0.14%的Ni元素可减少母材对根部焊缝金属中Ni元素的稀释作用,较高的Ni元素含量通过促进低温板条贝氏体相变而提高焊缝冲击韧性。所建立的LA-ICP-MS原位定量分析方法对保障X80长输管线的安全运行有借鉴意义。

不同药芯焊丝工艺条件下X80管线钢焊缝组织与性能对比

为保障管线安全、平稳运行,提高管线环焊缝的可靠性,对已经投用的2条X80管线环焊缝进行对比分析。2条X80管线的环焊缝的焊接方法为药芯焊丝自保护焊(FCAW-S)和药芯焊丝气保护焊(FCAW-G),对比分析了焊缝的化学成分、金相组织、硬度、拉伸强度和冲击韧性等方面。分析发现,2种焊接方法获得焊缝均比母材Ni含量高,Cr、Mo含量低;FCAW-S焊缝的Al、N含量远高于FCAW-G焊缝及母材。FCAW-S焊缝晶粒内,亚结构尺寸大、取向的多样性低。与FCAW-G焊缝相比,FCAW-S焊缝的硬度高,屈服强度低、抗拉强度较为接近。由系列冲击试验可见,FCAW-S焊缝的韧脆转变温度为12.2℃,比FCAW-G焊缝高55.6℃。据此推断相同条件下,采用FCAW-S焊接的环焊缝发生脆性断裂的概率大。

X80管线钢焊接接头断裂韧性试验研究

采用单试样柔度法对X80管线钢及焊接接头进行了断裂韧性试验。结果表明,X80管线钢焊缝、热影响区及母材每3组试样断裂韧度平均值分别为286.08MPa√m、282.02MPa√m、290.46MPa√m,该种焊接工艺下的焊接接头各区断裂韧性相差不大。

湿H_(2)S环境下X80管线钢焊接接头应力腐蚀试验研究

X80管线钢在硫化氢环境下极易发生应力腐蚀开裂,通过对不同浓度H_(2)S配比的NACE溶液中,设计与制作预制裂纹的WOL(楔形张开加载)试样,得出X80管线钢母材、焊缝及热影响区的临界应力强度因子KISCC和裂纹扩展速率da/dt。结果表明,X80管线钢具有较高的抗硫化氢腐蚀开裂的能力。

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。

X80管线钢自动焊焊缝冲击能量分配研究

针对X80管线钢实心焊丝自动焊的焊缝金属,采用仪器化冲击试验方法,研究了焊缝金属冲击能量分配和温度敏感性。结果表明,工程常用测试温度(-10℃)条件下,X80管道实心焊丝自动焊的焊缝金属冲击韧性(128~195 J)良好;总冲击吸收能量数据波动显著大于裂纹形成能量,主要原因是裂纹扩展过程吸收能量波动较大引起的;系列温度冲击试验的总吸收能量和裂纹形成能量均具有上平台特征,但裂纹形成能量数据曲线的上平台温度范围(-40~20℃)更大,且随着试验温度升高,裂纹形成能量占比表现出非线性降低特性。长输管道工程设计温度范围(-40~20℃)内,焊缝金属裂纹形成能量测试结果具有温度无关性特征,依据上平台温度试验结果制定验收指标,可能不利于对焊缝金属裂纹萌生的控制,建议进一步开展相关研究,制定焊缝金属起裂韧性指标,从根本上控制焊缝金属裂纹的萌生。

NaCl浓度对X80管线钢母材和焊缝区电化学腐蚀行为的研究

随着我国海洋油气资源的不断开发,管道焊接接头的腐蚀问题已成为海洋运行管线失效和安全的主要因素之一。为给海洋管道的腐蚀防护与材料选择提供更为精确的理论依据和实际指导,采用动电位极化技术和电化学阻抗谱测试方法,研究了X80管线钢焊接接头的母材区和焊缝区在不同NaCl溶液浓度(1.5%、3.5%、5.5%,质量分数)中的电化学腐蚀行为。结果表明:在不同NaCl浓度的溶液中,母材区和焊缝区的极化曲线都具有明显的阳极溶解特征,没有钝化现象;随着NaCl浓度的增加,2个区域的开路电位和自腐蚀电位负移,极化电阻先减小后增大,自腐蚀电流密度先增大后减小;母材区的热力学稳定性和耐腐蚀性始终优于焊缝区的。

X80管线钢内壁旋杯喷涂涂层厚度均匀性研究

石油天然气多采用管道进行输送,管道内壁的腐蚀是其主要失效形式,对管道内壁添加涂层可以提高管道耐腐蚀性能。对X80管线钢内壁高速旋杯离心喷涂开展工艺实验,研究了喷涂关键参数包括旋杯转速、行进速度、旋杯外径、喷涂压力对涂层平均厚度及涂层均匀性的影响规律和原因。而后对喷涂工艺参数进行系统性优化,得到最佳的工艺参数组合。实验结果表明,涂层平均厚度主要由旋杯转速、喷涂压力、行进速度以及旋杯外径决定,涂层的均匀性主要由旋杯转速以及喷涂压力决定。当旋杯转速为25000r/min、喷涂压力为0.2MPa、行进速度为0.9m/min、旋杯外径为32mm时,涂层均匀性最佳,涂层的平均厚度为450.3μm,涂层厚度标准差值为3.3μm。

不同强度匹配对X80管线钢环焊缝抗氢致裂纹性能的影响研究

环焊缝的强度匹配形式和耐腐蚀性对管道可靠运行至关重要。文中分别采用低强匹配、等强匹配和高强匹配三种匹配形式对D1219×18.4 mm X80螺旋焊管进行焊条电弧焊,对焊接接头进行抗氢致开裂(HIC)试验,并综合包括化学成分、微观组织、接头强度和韧性等各种因素分析,研究不同强度匹配形式对X80管线钢环焊缝抗氢致裂纹性能的影响。结果表明,三种匹配方式下的X80管线钢焊接接头的抗HIC性能均能满足相关要求,且采用三种强度匹配焊条焊接接头的裂纹长度敏感率(CLR)、裂纹厚度敏感率(CTR)以及裂纹敏感率(CSR)随着匹配强度的升高而升高;焊缝金属的C、P、S含量对HIC敏感性有显著影响,降低这些元素的含量有助于提高焊缝的抗HIC性能;微观组织观察表明,焊缝金属的组织类型和形态对HIC敏感性也有重要影响,热力学平衡且稳定的细小组织是抗HIC的理想组织。

热轧工艺参数对X80管线钢成品组织的影响

内容导读通过使用Gleeble3500动态热模拟机,针对X80管线钢设计的实验成分进行了不同精轧工艺参数和冷却参数的交叉模拟实验,通过观察期成品的组织,找到了相对理想的工艺参数,从而为实际生产工艺确定提供理论依据。

X80管线钢管自动焊环焊接头热影响区韧性分析

针对管径1 219 mm的X80管线钢管,采用内焊机根焊加双焊炬气体保护实心焊丝热焊与填充盖面焊接的全自动焊工艺进行了焊口焊接,并对环焊接头进行了拉伸性能、弯曲性能、冲击性能、硬度、金相组织等试验研究。结果表明,采用上述全自动焊工艺的环焊接头综合性能良好,但存在环焊接头热影响区冲击韧性离散的现象。微观组织分析结果表明,二次正火区存在较多的M-A组元及二次临界区的链状M-A岛链是造成冲击韧性离散的主要原因,控制小热输入条件下多层多道焊中粗晶区二次热影响区的M-A组元数量和尺寸是解决韧性离散的关键。

X80管线钢冲击韧性研究

采用"系列温度冲击试验法"测定了一种X80管线钢在-100～20℃的冲击功,分析了该管线钢冲击断口的分层现象以及冲击韧性的影响因素。综合冲击吸收功、脆性断面率及断口形貌,确定了其韧脆转变温度为-83℃。对于高钢级管线钢,可通过采用先进的冶炼工艺和控轧控冷工艺严格控制化学成分、获得细小的晶粒和均匀的针状铁素体组织,来提高钢的冲击韧性、降低韧脆转变温度。

溶解氧对X80管线钢在NS4溶液中腐蚀行为的影响

采用动电位极化和交流阻抗技术研究了NS4溶液中的溶解氧对X80管线钢在该溶液中耐蚀性的影响,通过SEM、XRD等对X80管线钢的腐蚀形貌和腐蚀产物进行了分析.结果表明,随着NS4溶液中溶解氧含量的减少,X80钢的腐蚀电位升高,腐蚀电流密度降低,腐蚀产物的致密性逐渐提高,X80钢的耐蚀性增加;氧含量较高时,腐蚀产物表面高低不平,表面存在大量裂缝、孔洞等缺陷,表面致密性较差,氧含量减少后,腐蚀产物平整致密;随着溶解氧含量的不同,腐蚀后生成了不同的腐蚀产物.

SO4^2-对X80管线钢在库尔勒土壤模拟溶液中腐蚀行为的影响

采用动电位极化和交流阻抗技术研究在库尔勒土壤模拟溶液中SO42-质量分数对X80管线钢腐蚀行为的影响,并利用金相显微镜观察不同SO42-质量分数下的腐蚀形貌。结果表明:X80管线钢在SO42-不同质量分数的库尔勒土壤模拟溶液中,其极化曲线呈现典型的活化溶解特征;随着SO42-质量分数的增加,X80钢的腐蚀速率呈现先增大、后减小的趋势;当SO42-质量分数为5%时,极化电阻Rp出现临界值,此时X80管线钢的腐蚀最严重;当SO42质量分数为10%时,金属腐蚀反应严重受阻,其表面腐蚀现象不明显,只有几个小的腐蚀坑存在;溶液中的Cl吸附在X80钢表面会导致金属发生腐蚀自催化过程;而SO42-优先于Cl吸附在金属表面上,能够抑制Cl-对X80管线钢的腐蚀行为。

X80管线钢焊接热影响区的韧性分析

X80管线钢在焊接过程中,热影响区由于受到焊接过程热的作用,其组织和性能会发生较大的变化。韧性是天然气长输管线的重要性能,采用热模拟技术、现代工程测试手段和显微分析方法,分析了不同热输入参数下X80管线钢焊接热影响区粗晶区(CGHAZ)韧性(夏比冲击功和CTOD)的差异及其原因。在一定范围内,较高焊接热输入下CGHAZ的韧性比较低热输入下CGHAZ的韧性明显高,超过一定范围,随着热输入的增加韧性激剧下降。造成不同热输入下韧性差异的根本原因是由CGHAZ显微组织的差异引起的。较低的热输入下CGHAZ中产生了一定量的低碳马氏体,从而导致韧性较差。

应变速率对X80管线钢应力腐蚀的影响

利用慢应变速率拉伸试验研究了应变速率对X80管线钢在土壤模拟溶液中的应力腐蚀的影响。采用的模拟溶液以我国西北部碱性土壤的化学成分为基础,在不同应变速率条件下进行试验。样品断裂后利用扫描电镜对断口形貌以及断口侧面二次裂纹进行观察。研究结果表明:X80钢在1.0×10-6s-1应变速率下表现出最高的应力腐蚀敏感性。低于该应变速率下,应力腐蚀敏感性略有降低;而高于该应变速率下,应力腐蚀敏感性明显减小。不同应变速率下应力腐蚀敏感性的差异主要是由应力腐蚀过程中腐蚀和力学作用的影响程度不同造成。应变速率低于1.0×10-6s-1时,腐蚀作用影响更大,较长的腐蚀时间造成裂纹被腐蚀,裂纹扩展受到影响,因此应力腐蚀敏感性略有降低。当应变速率高于1.0×10-6s-1时,力学作用主导整个过程,形成的裂纹没有受到足够腐蚀的情况下,在力学作用下发生快速机械扩展、断裂,因此产生了明显降低的应力腐蚀行为。

X80管线钢及其焊缝在库尔勒土壤环境中腐蚀行为

采用动电位极化、交流阻抗技术、失重法研究了X80管线钢及焊缝在库尔勒土壤模拟溶液中腐蚀行为,并结合X射线衍射仪(XRD)和金相显微镜(OM)对腐蚀产物及形貌进行表征。结果表明:随着浸泡时间的增加,金属腐蚀电位逐渐上升,电极表面的腐蚀产物层越来越厚,母材的腐蚀速率呈逐渐降低的趋势,而焊缝的腐蚀速率呈现减小后增大的趋势。金属电极表面内层的腐蚀产物膜Fe3O4对基体起到了一定的保护作用,减缓了X80钢及焊缝的腐蚀速率。当浸泡后期(30 d)时,焊缝的产物膜因大量脱落而出现裂纹,有利于溶液中Cl-等腐蚀性离子的侵入,加速局部腐蚀的进行。相同浸泡时间下,焊缝的腐蚀程度高于母材,这是由于焊接过程使焊缝组织结构产生了不均匀性,导致焊缝晶界处的晶格畸变能和活性偏高,耐腐蚀性能差。

X80管线钢的研究进展

介绍X80管线钢的应用、化学成分特点、组织结构以及控轧控冷工艺在生产该钢种中的应用。还简述了X80管线钢对焊接的特殊要求。

X80管线钢在近中性pH溶液中的应力腐蚀开裂

采用电化学动电位扫描技术、慢应变速率拉伸(SSRT)试验和扫描电镜观察研究了X80管线钢及焊接接头在NS4溶液中的应力腐蚀行为.电化学实验结果显示,X80管线钢及焊接接头在NS4溶液中的极化曲线具有典型的活性溶解特征.SSRT试验结果表明,随着外加电位的负移,断裂时间、断面收缩率、应变量都明显变小,X80管线钢及焊接接头的应力腐蚀开裂敏感性增加,应力腐蚀断口呈现穿晶准解理特征.施加相同外加电位时,焊接接头较母材的应力腐蚀敏感性增加,其断裂位置全部落在焊缝或HAZ处.

X80管线钢的组织与性能研究

利用光学显微镜、扫描电镜、透射电子显微镜等对X80级别管线钢的组织与性能进行了研究．实验结果表明，通过控轧控冷工艺轧制的16mm厚的X80管线钢的屈服强度达到670MPa以上时，其屈强比低于0．85，韧脆转变温度低于-60℃，达到了很好的强韧性匹配．细化的针状铁素体有效地改善了实验钢的强度及韧性．X80管线钢中存在两种典型的析出物，一种以Nb，Ti（CN）为主，尺寸较大（50--200nm）；另一种以NbC为主，尺寸细小（小于30nm）．这些纳米级析出物对钢的组织细化和强化起到了重要作用．