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。

含氢环境中X80管线钢焊接接头氢脆敏感性研究

为了探究管线钢焊接接头在氢气环境下断裂力学性能的变化,采用缺口拉伸原位充氢方法对X80钢母材、焊缝和热影响区进行12 MPa总压,0.36 MPa氢分压下的氢脆敏感性研究,采用高压慢应变速率拉伸试验机进行缺口拉伸测试,采用高压断裂韧性试验机和高压腐蚀疲劳试验机对X80钢分别进行断裂韧性试验和疲劳裂纹扩展速率试验。结合断裂韧性试验和疲劳裂纹扩展速率试验对X80钢的裂纹扩展行为进行研究。结果表明:在相同条件下,相比母材和热影响区,焊缝位置的断面收缩率明显下降,表现出较高的氢脆敏感性;与常温常压空气中的原始数据相比,在0.36 MPa氢分压环境中焊缝位置的裂纹尖端张开位移(CTOD)值变化较小,断裂表面未出现二次裂纹;与在空气环境中相比,X80钢焊缝在0.36 MPa氢分压环境中的疲劳裂纹扩展速率增加了1个数量级,说明氢气能够增大材料的疲劳裂纹扩展速率,但根据实际管道压力波动情况,在0.36 MPa氢分压条件下X80钢的氢脆敏感性较小。

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。

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。

X80管线钢焊接接头HAZ断裂韧性研究

通过对X80管线钢焊接接头热影响区(HAZ)进行裂纹尖端张开位移(CTOD)试验,研究了X80管线钢在HAZ的断裂韧性。结果表明,X80焊接接头HAZ主要由板条贝氏体(LB)、粒状贝氏体(GB)和马氏体/奥氏体(M/A)等组成,其中LB∶GB为3∶1。试验钢HAZ在-10和-30℃温度下的夏比冲击功分别为210和136 J,表现出优良的冲击韧性。此外,试验钢在HAZ在-10℃下的平均CTOD特征值δ_(m)为0.952 mm,而在-30℃下的平均CTOD特征值δ_(m)为0.437 mm。随着试验温度的降低,HAZ的断裂韧性逐渐降低。断口表面上的韧窝为撕裂伸长型韧窝,呈椭圆或半椭圆状。HAZ中存在微米级的Mo和Ti的球形夹杂物导致断裂韧性降低。

X80管线钢焊接接头SSCC研究及数值模拟

硫化氢应力腐蚀破裂(sulfide stress corrosion cracking,SSCC)是制约管线钢应用的主要因素。针对X80管线钢焊接接头进行恒位移硫化氢应力腐蚀试验研究,分别测得母材、焊缝和热影响区的应力强度因子门槛值KISCC和裂纹扩展速率da/dt。通过对X80管线钢焊接接头的金相显微组织、断口形貌观察以及硬度测试,分析了X80管线钢SSCC性能的影响因素。并对WOL试样进行了三维弹塑性有限元分析,得到裂纹尖端应力场分布和氢浓度的分布特征。结果表明,热影响区的KISCC最小,裂纹扩展速率最大,具有较差的抗应力腐蚀开裂的能力,其应力腐蚀试验结果与有限元数值分析相互验证。

X80管线钢焊接接头的硫化氢应力腐蚀试验研究

采用X80管线钢焊接接头制作楔形张开加载(WOL)试样,在硫化氢介质中进行恒位移应力腐蚀试验,分别测得母材、焊缝和热影响区的临界应力强度因子KISCC和裂纹扩展速率da/dt。试验结果表明,热影响区的KISCC最小,裂纹扩展速率最大,具有较差的抗应力腐蚀开裂的能力,是应力腐蚀开裂的薄弱环节。且通过对X80管线钢焊接接头的显微组织观察和基本力学性能研究,对影响X80钢应力腐蚀影响因素提供了试验依据,并对试验结果予以验证。

X80管线钢焊接接头组织及性能的研究

通过硬度测试及SEM观察,分析X80管线钢焊接接头处硬度和显微组织变化规律.受焊接热循环的影响,热影响区粗晶区组织主要为粗大的粒状贝氏体和板条贝氏体,硬度较高.靠近热影响区的基体,由于M/A岛分解,硬度值减小.外焊焊缝的显微组织主要是晶内形核铁素体、粒状贝氏体和多边形铁素体.靠近外焊焊缝的内焊焊缝组织受二次热循环的影响较大,组织为粒状贝氏体和块状的铁素体.远离外焊焊缝的内焊焊缝组织受二次热循环影响较小,组织和外焊焊缝组织相差不大.内焊组织中析出物的数量远大于外焊焊缝组织,析出强化效果显著,使内焊的硬度大于外焊的硬度.

激光冲击波对X80管线钢焊接接头疲劳性能的影响

利用激光冲击波对X80管线钢焊接接头进行了表面强化处理,通过拉伸疲劳对比试验,采用罗卡提法求出激光冲击强化处理前后X80管线钢焊接接头的疲劳极限。用扫描电镜和X射线衍射仪分析了激光冲击处理前后X80管线钢焊接接头断口形貌和残余应力,并对激光冲击处理提高抗疲劳断裂机理进行探讨。结果表明,激光冲击处理引入了-339 MPa的残余压应力,使X80管线钢焊接接头疲劳强度由445 MPa提高到496 MPa,提高了11.2%;原始状态的试样疲劳裂纹起始于试样表面,经激光冲击处理后焊接接头疲劳源转移至次表层,表层晶粒细化和残余压应力是主要机制,提高了X80管线钢焊接接头的疲劳性能。

X80管线钢焊接接头表面自身纳米化

采用表面机械研磨(SMAT)技术对X80管线钢的焊接接头进行了表面自身纳米化处理,利用金相显微镜(OM)、透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射技术(XRD)研究了表面自身纳米化处理后试样表面微观结构的变化。结果表明:经SMAT处理后,可以在X80管线钢的焊接接头表面形成一定厚度的等轴、取向随机的纳米晶粒;随距处理表面深度的增加,晶粒尺寸逐渐增大;SMAT处理时间的进一步延长对表层晶粒尺寸影响不大;SMAT处理可以实现X80管线钢的焊接接头组织的连续化和均匀化。

激光冲击对X80管线钢焊接接头应力腐蚀的影响

利用激光冲击波对X80管线钢焊接接头进行了表面改性处理,通过慢拉伸试验分析了X80管线钢焊接接头在NACE溶液(不含H2S和含饱和H2S)的H2S应力腐蚀开裂(SCC)行为,研究了经激光冲击处理后焊接接头表面细化的晶粒和残余应力对H2S应力腐蚀的影响机理.结果表明:激光冲击处理可改善焊接接头的表面质量,形成强化层,产生晶粒细化和残余压应力,获得细小均匀的针状铁素体组织,因大量晶粒承受氢压,可显著提高材料的临界应力值。应力腐蚀敏感指数ISCC比原始状态下降了5.84%,提高了X80管线钢焊接接头抗SCC的性能.激光冲击处理使X80管线钢焊接接头表面粗糙度有所上升,在一定程度上又降低了X80管线钢焊接接头SCC抗力.

表面机械研磨处理对X80管线钢焊接接头组织与性能的影响

采用表面机械研磨处理(SMAT)技术对X80管线钢焊接接头进行了30,60及90 min表面纳米化处理,分别采用光学显微镜、X射线衍射仪、表面粗糙度仪及显微硬度计等研究了SMAT不同时间后X80管线钢焊接接头的显微组织、晶粒尺寸、表面粗糙度及显微硬度的变化。结果表明:SMAT不同时间后均可在X80管线钢焊接接头表面获得一定厚度的塑性变形层,且随着SMAT时间的延长,塑性变形层厚度逐渐增加,实现了焊接接头的表面纳米化(组织均匀化);SMAT可以显著提高焊接接头表面的显微硬度,使显微硬度沿深度呈梯度分布;SMAT还可改善焊接接头表面粗糙度,随SMAT时间的延长表面粗糙度逐渐减小。

CO_3^(2-)-HCO_3^-溶液中X80管线钢焊接接头的应力腐蚀开裂分析

采用慢应变速率试验(SSRT)、扫描电镜(SEM)观察研究了国产X80管线钢焊接接头在0.5mol/LNa2CO3+1mol/LNaHCO3溶液中的应力腐蚀开裂(SCC)敏感性。结果表明,拉伸试样全部断裂在焊缝或热影响区。在所研究的电位区间,拉伸试样随着外加电位正向增加,断面收缩率、断裂时间和断后伸长率增加,而断口部位的裂纹平均扩展速率减小,SCC敏感性降低。试样断口形貌在阴极电位条件下呈准解理断裂,在自腐蚀电位和阳极电位条件下,焊缝试样断口主要是韧性断裂。应力腐蚀机理可以用阳极溶解理论和氢致破裂来解释。

不同成分X80管线钢焊接接头组织性能研究

利用多丝埋弧焊设备模拟制管过程的焊接工艺进行了不同成分X80管线钢双丝埋弧焊焊接试验,通过拉伸、冲击试验检测了接头的力学性能,通过光学显微镜、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)以及电子背散射衍射(EBSD)分析了不同成分X80管线钢焊接接头的显微组织、马/奥组元(M/A)分布及形态。结果表明:随着合金含量降低,经济型X80管线钢接头的冲击韧性离散度增大。热影响区晶粒尺寸离散度增加,晶粒取向单一,大角度晶界(>15°)密度显著降低是经济型X80管线钢焊接热影响区冲击韧性离散性增加主要原因。

表面纳米化处理对X80管线钢焊接接头的影响

采用表面机械研磨处理(SMAT)技术对X80管线钢焊接接头进行了表面自身纳米化处理。分析了SMAT前后X80管线钢焊接接头的疲劳及电化学腐蚀特性。结果表明,对X80管线钢焊接接头进行90min的SMAT后,可以在X80管线钢焊接接头表层一定深度范围以内获得纳米晶组织,纳米晶尺寸分布为5～15nm;在近似服役条件下的全应力范围内,SMAT可以显著延长X80管线钢焊接接头的疲劳寿命,其疲劳极限可提高13%;SMAT可提高X80管线钢焊接接头的电化学腐蚀性能,使其电化学腐蚀倾向和自腐蚀电流密度均有所降低。

激光热处理对X80管线钢焊接接头疲劳性能的影响

利用CO2激光器对X80管线钢焊接接头进行表面热处理,通过拉伸疲劳对比试验,用罗卡提法求出激光热处理前后X80管线钢焊接接头的疲劳极限。采用扫描电镜和金相显微镜分析激光热处理前后X80管线钢焊接接头的组织与断口形貌,通过X射线衍射仪分析了激光热处理前后X80管线钢焊接接头的残余应力及残留奥氏体,并对激光热处理提高抗疲劳断裂机理进行了探讨。结果表明,激光热处理在试样表面形成强化层,使X80管线钢焊接接头疲劳强度由542 MPa提高到604 MPa,提高了11.4%;原始状态下试样疲劳裂纹源起始于试样表面,经激光热处理后试样疲劳裂纹源转移至次表层;残留奥氏体增加、强化层晶粒细化和残余压应力场是提高疲劳强度的主要机制。

X80管线钢焊接接头拉伸断裂行为与断口形貌分析

通过拉伸试验分析了X80管线钢母材及其焊接接头拉伸性能,采用扫描电镜及其能谱分析仪观察了上述材料的断口形貌与化学成分,并对其断裂行为进行了研究.结果表明:母材延伸率和断面收缩率大于焊接接头,母材为韧性断口,而焊接接头为出现分层现象的韧断+脆断断口;母材纤维区面积及韧窝尺寸均大于焊接接头,母材放射区形貌为韧窝结构,而焊接接头为解理形貌,母材与焊接接头的剪切唇区均为解理形貌;焊接接头中夹杂物以硫化物和氧化物为主,是焊接接头力学性能降低的重要因素.

0.8设计系数用X80管线钢焊接接头的失效评估曲线

根据GB 2038-1991,对0.8设计系数用X80管线钢焊接接头母材及焊缝进行了三点弯曲试验,据此进行断裂韧性及失效评估曲线(建立R6-3失效评估曲线,并与R6-1曲线和R6-2曲线进行了比较)的研究。结果表明:根据J-R阻力曲线测得X80管线钢母材和焊缝的断裂韧度分别为1 080,298kJ·m-2;在高载荷下,母材的R6-3失效评估曲线比焊缝的略高,这是由于母材具有较高的塑性;R6-3曲线的安全范围最大,能够精确反映材料性能、加载类型及构件形状,精度高于R6-1和R6-2曲线的,能够更好地发挥材料的性能。

X80管线钢焊接接头的成分与组织研究

X80是国内外目前广泛应用的油气输送管线钢。采用直读光谱仪OES测定了X80直缝埋弧焊管及其焊缝的化学成分,同时采用光学显微镜观察和对比分析了X80管线钢及其焊接接头的显微组织,以期为高性能管线钢的焊接工艺制订、焊接接头力学性能评价以及进一步推广应用提供理论依据和科学参考。

一种X80管线钢焊接接头疲劳裂纹扩展门槛值的研究

采用疲劳试验、显微分析方法和力学性能分析等手段,对焊接热输入为20 kJ/cm的一种X80管线钢焊接接头在不同应力比条件下的疲劳裂纹门槛值进行了研究。研究结果表明,随着应力比的增加,疲劳裂纹扩展速率da/dN增大,疲劳裂纹扩展门槛值呈逐渐降低的趋势。在热输入为20 kJ/cm时,焊缝的组织以针状铁素体为主,含少量多边形铁素体,有很好的韧性。