CN105458507A - 一种管线环焊接头的强化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种管线环焊接头的强化方法。该方法包括以下步骤:根据环焊接头的施焊工艺,确定管线环焊接头外表面热影响区的宽度;在管线环焊接头外表面的热影响区,采用连续激光束以激光重熔方式处理管线环焊接头,并确保重熔焊道覆盖管线环焊接头外表面的热影响区;对激光重熔处理后的管线环焊接头进行修磨,完成对管线环焊接头的强化。本发明的强化方法具有强化效果优异,效率高,环焊接头美观,几乎无二次软化问题,施工成本低、周期短等优点,适合X70以上大变形管线环焊接头的强化,也可用于X70以上级别其它管线环焊接头的强化及制管过程中焊接接头的强化。
Description
技术领域
本发明涉及一种强化方法,特别涉及一种石油天然气管线环焊接头的强化方法,属于石油开采技术领域。
背景技术
管道输送是石油天然气输送最有效的方式之一。我国是一个地质灾害多发国家,长输管线如西气东输二线、三线,中缅、中哈等均穿越了大量地震带、冻土带、黄土沉降、滑坡等恶劣地质环境,易于导致管线发生较大的塑性变形,从而导致管线出现如拉伸断裂和压缩屈曲等的失效事故。
人们为了提高整条管线对恶劣地质环境的适应能力,开发出了具有良好均匀变形能力的大变形管。目前,我国已经成功开发出X70、X80级别的大变形管。长输管线建设主要由大量的管道通过焊接方式连接而成。
近年来,国内外管线在较大塑性变形条件下出现环焊接头失效事故的情况时有发生,其中很大一部分是由于焊接热影响区强度降低而导致的局部集中变形所致。研究表明,环焊接头热影响区软化是这种断裂失效的直接诱因。对于由具有良好变形能力的大变形管所建造的管线而言,环焊接头热影响区软化问题将是决定其运行安全和使用寿命的关键。
X70级别以上管线钢的生产均采用了特殊的超低碳、微合金化设计和控轧控冷轧制工艺,通过获得针状铁素体、贝氏体等组织来获得管线钢的高强韧性和良好焊接性。X70级别以上管线焊接安装过程中,环焊接头热影响区位置因为受到热影响而发生组织转变,在随后的自然冷却过程中会转变为强硬性较低的粗大粒状贝氏体等组织,从而导致热影响区位置的软化或失强。所以,X70级别以上管线焊接接头热影响区具有存在软化区的必然性,而且钢级越高,其软化程度越明显,对管线的安全性影响越大。
研究表明,热影响区软化对接头性能影响,除了软化区软化程度的影响外,也与软化区的形状与尺寸直接相关。为了应对软化问题所导致的失效事故,中外大变形管线工程往往通过在热影响区增加焊道以形成“礼帽型”焊缝(结构如图1所示,加强焊道宽度不得小于管道壁厚的1/2)的方式来降低焊接热影响区软化对管线服役能力的影响,避免在管线发生较大变形时环焊接头出现严重的应变集中,从而防止管线出现拉伸断裂、压缩屈曲等的失效事故。然而,这种补强焊道的采用,一方面会增加管线铺设过程中的施工成本和施工周期;另一方面也存在补强焊道热影响区所导致的二次软化问题,因而该焊道焊接热输入控制不当,仍然会引起同样的失效问题。随着管线钢强度级别的提高,补强焊道热影响区软化问题对整个接头的影响将越来越明显,因此,通过补强焊道提高环焊接头强度的这种结构补强方式的应用空间会越来越小,亟需另辟蹊径。
激光束具有能量密度高、可聚焦、精度高、效率高、适应性强等优点,已经成功应用于航空、航天、汽车制造、电子、轻工业等领域。激光焊是利用激光束作为热源的一种高效、精密的焊接方法,与传统焊接方法相比,激光焊具有加热及冷却速度快、热影响区及变形小、接头性能好、效率高及控制灵活、易于实现自动化等优点。
虽然激光重熔具有众多优势,但也存在一定的缺点:一方面是激光加热过程中的高能量密度会导致金属的快速蒸发,致使加强焊道出现少量凹陷,从而形成结构性缺陷;另一方面是激光焊道高强硬性可能导致的环焊接头热影响区韧性损失。
比如,公布号为CN103341695A的中国专利申请公开了一种改善调质低合金高强钢GMAW接头力学性能的方法。该申请主要针对调质低合金高强钢焊接接头软化区引起的失强问题而提出,但没有考虑到调质低合金高强钢激光重熔焊道引起的脆化、开裂等问题,以及激光重熔焊道导致的调质低合金高强钢焊接接头热影响区的冲击韧性和焊接接头弯曲性能恶化等问题。上述专利申请通过在软化区形成马氏体组织来达到提高其强度的目的,但往往会导致热影响区韧性的恶化及焊接接头弯曲性能不达标的问题出现。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明的目的在于提供一种石油天然气管线环焊接头的强化方法,该方法可以提高管线的抗断裂及服役能力,适用于基于应变设计管线(大变形管线)环焊接头的强化,也适用于高钢级管线环焊接头的强化。
为了实现上述技术目的,本发明提供了一种管线环焊接头的强化方法,该方法包括以下步骤:
根据环焊接头的施焊工艺,确定管线环焊接头外表面热影响区的宽度;
在管线环焊接头外表面的热影响区,采用连续激光束以激光重熔方式处理管线环焊接头,并确保重熔焊道覆盖管线环焊接头外表面的热影响区;
对激光重熔处理后的管线环焊接头进行修磨,完成对管线环焊接头的强化。
在本发明的管线环焊接头的强化方法中,优选地,以正离焦量进行激光重熔,确保重熔焊道覆盖管线环焊接头外表面的热影响区。
在本发明的管线环焊接头的强化方法中,优选地,所述激光重熔的热输入范围为3.0kJ/cm-5.0kJ/cm。
在本发明的管线环焊接头的强化方法中,优选地,在所述激光重熔方式中,激光重熔焊道的平均硬度为Hv260-Hv280。
在本发明的管线环焊接头的强化方法中,优选地,在所述激光重熔方式中,激光束垂直于管线环焊接头外表面。
在本发明的管线环焊接头的强化方法中,优选地,在所述激光重熔方式中,激光斑点中心沿管线环焊接头的焊缝熔合线移动360°的方式进行。
在本发明的管线环焊接头的强化方法中,优选地,激光重熔在纯氩气气氛下进行。
在本发明的管线环焊接头的强化方法中,优选地,所述纯氩气的流量为15L/min-25L/min;更优选地,所述纯氩气的流量为25L/min。
在本发明的管线环焊接头的强化方法中,优选地,该方法具体包括以下步骤:
根据环焊接头的施焊工艺,确定管线环焊接头外表面的热影响区的宽度;
对管线环焊接头的焊缝熔合线的两侧区域进行清理;
在管线环焊接头外表面的热影响区,采用连续激光束以激光重熔方式处理管线环焊接头,以正离焦量进行激光重熔,确保重熔焊道覆盖管线环焊接头外表面的热影响区,其中,所述激光重熔工艺的热输入范围为3.0kJ/cm-5.0kJ/cm,激光重熔焊道的平均硬度为Hv260-Hv280,激光束垂直于管线环焊接头外表面,激光半点中心沿管线环焊接头的焊缝熔合线移动360°的方式进行,在流量为15L/min-25L/min的纯氩气气氛下进行;
对激光重熔处理后的管线环焊接头进行修磨,完成对管线环焊接头的强化。
在本发明的管线环焊接头的强化方法中,优选地,对管线环焊接头的焊缝熔合线的两侧区域进行清理时,两侧区域的范围根据热影响区的宽度确定。本领域技术人员可以自行进行确定。一般为焊缝熔合线两侧各15mm的范围。
本发明的管线环焊接头的强化方法主要针对X70级别以上的石油天然气管线环焊接头而提出,借助激光束的加热及冷却特点,主要通过激光重熔,以在超低碳的高钢级管线焊接接头热影响区获得细小针状铁素体及贝氏体铁素体组织,来达到强化热影响区,获得良好热影响区韧性和焊接接头弯曲性能的目的。
本发明的管线环焊接头的强化方法适用于大变形管线环焊接头,解决热影响区软化对管线整体形变能力的影响问题,以取代现行的“礼帽型”环焊缝解决方案,适合X70以上大变形管线环焊接头的强化,也适合X70以上级别其它管线环焊接头的强化。
本发明的管线环焊接头的强化方法采用激光束对管线环焊接头热影响区进行重熔,以获得具有高强韧性的加强焊道,来提高热影响区的抗变形能力,扰乱热影响区的连续变形路径,旨在防止管线变形过程中热影响区的优先变形及快速变形。
本发明的管线环焊接头的强化方法选择激光束作为重熔焊道的热源,主要利用激光加热及冷却快的特点,获得强硬性高的针状铁素体及贝氏体铁素体等组织来替代“礼帽型”焊道结构补强的效果;同时利用激光束精度高、效率高、二次软化区尺寸小等特点,来获得一定尺寸的重熔焊道,以改变焊接接头热影响区软化区的形状及尺寸,既可以起到强化焊接接头的作用,又对热影响区韧性和焊接接头弯曲性能会产生良好的影响。
本发明的管线环焊接头的强化方法与现有方法相比,具有以下优点:
本发明的管线环焊接头的强化方法是一种用于大变形管线环焊接头强化的方法,可以大大提高大变形管线环焊接头热影响区的形变抗力,摒弃了现有的通过“礼帽型”焊缝增强的焊材及施工成本高、施工周期长等缺点。
与现有的“礼帽型”焊缝增强方式相比,本发明的管线环焊接头的强化方法具有强化效果优异,效率高,环焊接头美观,几乎无二次软化问题等优点。
本发明的管线环焊接头的强化方法不需要确定热影响区软化区的具***置和尺寸,直接对热影响区进行激光重熔,在强化焊接接头的同时,可兼顾提高或不恶化焊接接头热影响区的韧性和弯曲性能。
本发明提供的管线环焊接头的强化方法对钢级越高的管线的适用性越强,效果更明显,可以用于X70以上级别其它管线环焊接头的强化及制管过程中焊接接头的强化。
附图说明
图1为“礼帽型”焊缝的结构示意图。
图2为对管线环焊热影响区进行激光重熔的结构示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解,现对本发明的技术方案进行以下详细说明,但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例1
本实施例提供了一种管线环焊接头的强化方法,该方法包括以下步骤:
管径壁17.5mm的X70大变形管,加工25°坡口和2.0mm钝边;
组对时预留3.0mm间隙,采用SMAW+FCAW-S焊接方法配合相应焊材进行环焊缝焊接,焊接热输入控制在14.5KJ/cm-15.5KJ/cm范围。
管道焊接完成后,测试管道外表面热影响区宽度为2.8mm;
对管线环焊接头的焊缝熔合线两侧各15mm范围进行清理;
在管线环焊接头外表面的热影响区,采用连续激光束以激光重熔方式处理管线环焊接头,以正离焦量进行激光重熔,确保重熔焊道覆盖管线环焊接头外表面的热影响区,结构如图2所示,其中,所述激光重熔工艺的热输入范围为3.0kJ/cm-5.0kJ/cm,激光重熔焊道的平均硬度为Hv260-Hv280,激光束垂直于管线环焊接头外表面,激光半点中心沿管线环焊接头的焊缝熔合线移动360°的方式进行,在流量为25L/min的纯氩气气氛下进行;
对激光重熔处理后的管线环焊接头进行修磨,完成对管线环焊接头的强化,得到激光强化试板3块(具体激光重熔的工艺参数见表1)。
然后制备“礼帽型”焊缝试板1块(具体工艺参数见表1)。
参考标准Q/SYGJX137.1—2012《油气管道工程焊接技术规范第1部分:线路焊接》进行焊接接头横向拉伸试验、侧弯及热影响区冲击试验,结果如表1所示。
实施例2:
本实施例提供了一种管线环焊接头的强化方法,该方法包括以下步骤:
管径壁厚22mm的X80大变形管,加工25°坡口和2.4mm钝边;
组对时预留4.0mm间隙,采用SMAW+FCAW-S焊接方法配合相应焊材进行环焊缝焊接,焊接热输入控制在14.5-15.5KJ/cm范围;
管道焊接完成后,测试管道外表面热影响区宽度,为2.6mm;
采用实施例1的具体方法进行激光重熔,得到激光强化试板3块,具体激光重熔的工艺参数见表1。
然后制备“礼帽型”焊缝试板1块(具体工艺参数见表1)。
参考标准Q/SYGJX137.1—2012《油气管道工程焊接技术规范第1部分:线路焊接》进行焊接接头横向拉伸试验、侧弯及热影响区冲击试验,结果如表1所示。
实施例3:
本实施例提供了一种管线环焊接头的强化方法,该方法包括以下步骤:
管径壁厚17.8mm的X100管,加工25°坡口和2.2mm钝边;
组对时预留2.0mm间隙,采用SMAW+FCAW-S焊接方法配合相应焊材进行环焊缝焊接,焊接热输入控制在14.5-15.5KJ/cm;
焊管焊接完成后,测试管道外表面热影响区宽度,为2.9mm;
采用实施例1的具体方法进行激光重熔,得到激光强化试板3块,具体激光重熔的工艺参数见表1。
然后制备“礼帽型”焊缝试板1块(具体工艺参数见表1)。
参考标准Q/SYGJX137.1—2012《油气管道工程焊接技术规范第1部分:线路焊接》进行焊接接头横向拉伸试验、侧弯及热影响区冲击试验,结果如表1所示。
表1
通过表1可以看出,利用本发明的强化方法得到的激光强化试板的侧弯结果和拉伸强度均合格,但“礼帽型”焊缝试板的断裂位置不合格。按相关标准要求,拉伸试样的断裂位置只能在母材上,而“礼帽型”焊缝试板在焊缝时有部分拉伸试样断裂于热影响区。说明本发明的管线环焊接头的强化方法,具有强化效果优异,效率高,环焊接头美观,几乎无二次软化问题,周期短等优点,适用于基于大变形管线环焊接头的强化,可以提高管线的抗断裂及服役能力。
Claims (10)
1.一种管线环焊接头的强化方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
根据环焊接头的施焊工艺,确定管线环焊接头外表面热影响区的宽度;
在管线环焊接头外表面的热影响区,采用连续激光束以激光重熔方式处理管线环焊接头,并确保重熔焊道覆盖管线环焊接头外表面的热影响区;
对激光重熔处理后的管线环焊接头进行修磨,完成对管线环焊接头的强化。
2.根据权利要求1所述的管线环焊接头的强化方法,其特征在于,以正离焦量进行激光重熔,确保重熔焊道覆盖管线环焊接头外表面的热影响区。
3.根据权利要求1所述的管线环焊接头的强化方法,其特征在于,所述激光重熔的热输入范围为3.0kJ/cm-5.0kJ/cm。
4.根据权利要求1所述的管线环焊接头的强化方法,其特征在于,在所述激光重熔方式中,激光重熔焊道的平均硬度为Hv260-Hv280。
5.根据权利要求1所述的管线环焊接头的强化方法,其特征在于,在所述激光重熔方式中,激光束垂直于管线环焊接头外表面。
6.根据权利要求1或5所述的管线环焊接头的强化方法,其特征在于,在所述激光重熔方式中,激光斑点中心沿管线环焊接头的焊缝熔合线移动360°的方式进行。
7.根据权利要求1所述的管线环焊接头的强化方法,其特征在于,激光重熔在纯氩气气氛下进行。
8.根据权利要求7所述的管线环焊接头的强化方法,其特征在于,所述纯氩气的流量为15L/min-25L/min。
9.根据权利要求1-8任一项所述的管线环焊接头的强化方法,其特征在于,该方法具体包括以下步骤:
根据环焊接头的施焊工艺,确定管线环焊接头外表面的热影响区的宽度;
对管线环焊接头的焊缝熔合线的两侧区域进行清理;
在管线环焊接头外表面的热影响区,采用连续激光束以激光重熔方式处理管线环焊接头,以正离焦量进行激光重熔,确保重熔焊道覆盖管线环焊接头外表面的热影响区,其中,所述激光重熔工艺的热输入范围为3.0kJ/cm-5.0kJ/cm,激光重熔焊道的平均硬度为Hv260-Hv280,激光束垂直于管线环焊接头外表面,激光半点中心沿管线环焊接头的焊缝熔合线移动360°的方式进行,在流量为15L/min-25L/min的纯氩气气氛下进行;
对激光重熔处理后的管线环焊接头进行修磨,完成对管线环焊接头的强化。
10.根据权利要求9所述的管线环焊接头的强化方法,其特征在于,对管线环焊接头的焊缝熔合线的两侧区域进行清理时,两侧区域的清理范围根据热影响区的宽度确定。
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