国产X70管线钢的硫化氢应力腐蚀性能及其焊接性_图文

1、国产X70管线钢的硫化氢应力腐蚀性能及其焊接性杜则裕1,陶勇寅1,2,李云涛1,李建军2(1.天津大学材料科学与工程学院,天津300072;2.河北石油技术学院,河北廊坊065000摘要:针对在含H2S的介质中,不同成分条件的国产管线钢H2S应力腐蚀开裂(Sulfide stress corrosion cracking,SSCC性能、焊接性分别采用恒载荷法及插销试验法进行了研究;对插销试样断口进行了电子显微镜分析。试验结果表明,不同C、Mn、P含量的国产X70管线钢在相同的试验条件下具有不同的SSCC断裂时间与断裂应力。其原因主要是由于它们的Mn、P元素含量的不同引起的,而不是C元素;采用L

2、I NC O LN E6010焊条,预热70时的临界应力cr=630MPa,不预热时的cr=610MPa,即预热可以使国产X70管线钢的临界应力明显提高;插销试样的断口形貌是由解理断裂、准解理断裂和韧窝断裂构成的混合型断口。关键词:国产X70管线钢;硫化物应力腐蚀开裂;合金元素;焊接性;插销试验中图分类号:TG457.6文献标识码:A 文章编号:0253-360X(200405-13-05杜则裕0序言目前,国内输气管线钢材采用比较多的是X60、X65,钢管类型基本以螺旋埋弧焊钢管(SS AW为主,某些管线在一些特殊地段采用了少量的直缝埋弧焊管(UOE和高频电阻焊管(ERW。国内已经建成的输气管

3、线,由于建设年代不同,必然受到当时钢材冶炼和钢管成形技术条件的限制,所以采用的管线钢级别也不同。随着油气输送管道趋向于大管径,输送介质复杂,输送压力增大,而且管道的使用条件越来越苛刻,于是西气东输工程普遍采用高强度级别的X70管线钢1,2。输气管道的服役条件多为潮湿环境,输送介质含H2S、酸性物质较多。腐蚀是影响管道系统可靠性及使用寿命的关键因素,其中H2S应力腐蚀是管线钢腐蚀的重要形式之一。它不仅造成因穿孔而引起的油、气、水等输送介质的泄漏,而且往往会造成重大的经济损失、油气输送中断、人员伤亡以及环境污染。中国的某些油气田含H2S和C O2的量很高。尽管许多学者在管道腐蚀方面作了大量的研究工

4、作35,但是,针对西气东输用钢国产X70管线钢的研究仍然很少。此外,焊接工艺是输气管道铺设的主要工艺之一。现代化管线钢的发展是围绕着改进管线钢管的焊接性能进行了许多工作。因为在高压输气管线的收稿日期:2004-03-11焊接部位,尤其是铺设管线的环焊部位是失效事故的多发位置6,7。因此,作者针对在含H2S的介质中,不同成分条件下管线钢的SSCC性能及其焊接性进行了研究,为中国管线钢的生产、管线的建设及安全运行提供理论基础和技术参考。1国产X70管线钢的SSCC研究1.1试验材料试验所选用的材料为国产X70管线钢,规格为<1016mm×14.6mm的螺旋缝焊管。其化学成分如表1所

5、示。表1国产X70钢管的化学成分(质量分数,%Table1Chemical compo sitions of dome stic X70pipeline steels编号C S i Mn P S NbX70-10.080.23 1.170.0180.0020.036 X70-20.010.33 1.460.0250.0010.062 X70-30.050.23 1.580.0150.0020.0151.2试验过程对编号为X70-1、X70-2两种母材进行SSCC 性能试验研究。根据NACE T M-01-7标准,在自制的700kg恒载荷拉伸试验机上进行。恒载荷拉伸试验机是在恒载荷下进行拉伸,使

6、经受着腐蚀的第25卷第5期2004年10月焊接学报TRANSACTIONS OF THE CHINA WE LDING INSTIT UTIONV ol.25N o.5October2004试样承受给定的机械载荷8。试验取样:不同的取样将导致不同的腐蚀试验结果。在试验中,通常是沿管体纵向取样。然而,由于管线钢在运营时机械加载方向往往是沿管材的横向。所以,试样取向确定为环焊缝横向及管体母材横向。试样尺寸及形状:按照应力腐蚀恒载荷加载对试样形状及尺寸的要求进行设计。X70-1号,X70-2号试样的形状及尺寸见图1,取每组平行试样3个 。图1X70管线钢试样的尺寸图Fig.1Specimens of

7、 X70pipeline steels试样制作:将加工好的试样经过150号700号金相砂纸打磨后,用千分尺精确测量试样工作部位的尺寸,求出承受载荷截面积,然后用无水乙醇清洗,丙酮脱脂,放入干燥器内备用。试验应力:恒载荷。试验溶液:采用NACE 溶液,即5%NaCl +0.5%CH 3C OOH +H 2S (饱和(pH :3.54.0。H 2S 的通入采用间断式,试验开始首先通入H 2S 以便排除介质箱中流通的空气。试验温度:24±3。试验程序:试验开始时,在试验装置上安装试样。将试样的一端固定,另一端按预定值加上恒定的静载荷(依次按材料屈服强度的百分数递减的规律加载。腐蚀溶液的容器

8、两端密封,再向溶液内通入99.8%纯N 2约1520min ,将溶液中的氧气驱赶出来,然后通入100%H 2S 气体30min ,开始记录。在试验过程中,每24h 通H 2S 气体20min 。试验结果采用临界应力数据评定材料的SSCC 敏感性,以应力和寿命的关系曲线表示。两种母材的应力和寿命的关系曲线如图2所示。由图2可以看出,管线钢X70-1母材的SSCC 临界应力比X70-2母材的SSCC 临界应力大,即X70-1母材的SS 2CC 临界抗力大于X70-2母材的SSCC 临界抗力 。图2两种母材的应力和寿命的关系曲线Fig.2Relationship of stre ss and tim

9、e of two ba se metals1.3合金元素对SSCC 的影响钢的合金元素不仅单独对管线钢腐蚀性能存在影响,而且它们之间又存在复杂的、相互影响的关系,造成对SSCC 敏感性的影响不同,甚至出现相互矛盾现象。就试验所采用的两种国产X70管线钢而言,X70-1母材的SSCC 抗力大于X70-2母材。从合金元素对管线钢SSCC 的影响角度考虑,由表1可知两种管线钢的化学成分主要区别在于C 、Mn 、P 元素含量的不同,所以认为两种X70钢不同的SSCC 抗力,主要是由于它们的C 、Mn 、P 元素含量不同引起的。首先讨论C 元素对SSCC 的影响。虽然这方面的研究工作开展的较多,但也许由

10、于试验条件的差异至今尚未得到完全一致的结论。认真分析多种资料9发现,就C 元素对应力腐蚀破裂影响的研究,存在有两种不同的观点,无论哪种解释都会认为含C 量越低,钢对SSCC 破裂的敏感性就越低。鉴于X70-1母材的SSCC 抗力大于X70-2母材的抗力的试验结果,而X70-1的含C 量却明显地大于X70-2母材,这一试验结果却与以上的解释相矛盾。因此,认为两种国产X70管线钢具有不同的SSCC 抗力,主要是由于它们的Mn 、P 元素含量不同引起的,而不是由C 元素含量不同引起的。2国产X70管线钢插销试验研究2.1试验条件该研究所采用的焊接材料为LI NC O LN E6010焊条,规格为&l

11、t;4.0mm 。其熔敷金属化学成分见表2。熔敷金属的力学性能见表3,管线钢的化学成分见表1中的X70-3。14焊接学报第25卷表2焊条的熔敷金属化学成分(质量分数,%Table 2Chemical compo sitions of depo sited metalC S i MnSPCrNi V M o 0.140.280.560.00890.00760.0220.110.020.01表3熔敷金属力学性能Table 3Mechanical propertie s of depo sited metal熔敷金属拉伸试验熔敷金属冲击试验抗拉强度b /MPa屈服强度s /MPa伸长率(%试验温度T

12、 /冲击吸收功A kV /J78667529-2063主要试验设备:Miller Dimension T M 372型焊机;HC L -1型插销试验机;Y JD -1型电阻应变仪;ZX6-500R 型弧焊整流器。电流调节范围40500A ,下降外特性电源。插销试验按照国家标准G B/T 9446-1988焊接用插销冷裂纹试验方法进行。缺口中心到插销端部的距离a 值由焊接热输入和底板预热温度而定,并可通过检查插销断裂位置以确定a 值的选取是否合理。该试验选取的a 值为2mm 。试验设计:70底板预热;底板不预热。试验中,采用正常焊接热输入E =14.88k J/cm ,其焊接参数为焊接电流I =

13、155A ,电弧电压U =32V ,焊道长度L =150mm 。2.2试验结果及讨论试验结果见表4、5。通过对表4、5的分析可知,采用LI NC O LN E6010焊条,预热70时的cr =630MPa ,不预热时的cr =610MPa ,即预热使X70钢的临界应力明显提高。预热对冷裂倾向的影响:预热对t 8/5影响不大,但延长了t 100时间。预热温度和t 8/5具有线性关系,与t 100不具有良好的线性关系。从试验数据中可以看到,在相同的焊接工艺下,使用同样的LI NC O LN E6010焊条对X70钢进行焊接,相同的底板在预热70和不预热时的临界应力明显不同。表4底板预热70的插销试

14、验数据Table 4Implant te sting re sults of steels with 70preheating试件号加载应力/MPa保持时间t 1/m in焊接电流I /A电弧电压U /V焊接时间t 2/s焊接速度v /(mm s -1相对湿度<(%1639015115934.738.247 3.2692630144015215830.532.856 2.7823620144015016032.43459 2.5784600144015115829.433.957 2.6735550144014916128.730.6622.469表5底板不预热的插销试验数据Table

15、5Implant te sting re sults of steels without preheating试件号加载应力/MPa保持时间t 1/m in焊接电流I /A电弧电压U /V焊接时间t 2/s焊接速度v /(mm s -1相对湿度<(%66910152158303454 2.87876401151160313453 2.885863034150160283451 2.985963032153160303452 2.978106205615016029.53554 2.8881162020152157273551 2.9901261096015215828.532.555 2

16、.7821360096014816028.437582.6782.3插销试样断口形貌及分析2.3.1断口宏观特征取一典型的插销试件,在其宏观断口上,目测观察可知,断口呈现出极不规则的形貌。由图3可以看出,断口的心部最低,有明显近似直线的裂纹。心部一侧呈现为峭壁状断面,另一侧是较为平整的粗第5期杜则裕,等:国产X70管线钢的硫化氢应力腐蚀性能及其焊接性15糙断面。整个断面呈现白亮色,平整的粗糙断面颜色略深,断面上最高点与较为平整的断面距离落差约2mm 。发生断裂的位置在插销缺口处,沿插销缺口扩展形成平整的粗糙断面,该断面占的比例略小。随后,断裂不再沿缺口扩展,而是偏离缺口向端面方向形成峭壁状断面

17、,峭壁状断面所占比例略大。从断口的宏观特征看,该类断口属于解理和延性的混合型断口。因此,可以认为,在外加应力的条件下,棒状插销试样从心部萌生延性裂纹,在插销缺口所产生的应力集中条件下,又以脆性方式扩展。图3插销试样心部裂纹Fig.3Cracking in core of implant specimens2.3.2断口微观特征从图4可以看出,插销试样心部裂纹属于静拉应力造成的韧窝型断口,以滑移的形式扩展,在沉淀相或夹杂物与金属的界面上形成裂纹。在外力的作用下,随着塑性变形的产生,形成显微空穴,或在析出物、夹杂物的颗粒上形成微孔。随着应力的增大,微孔沿拉伸方向伸长并逐渐长大,这些微孔相互连接,直

18、至断裂。在断口的表面上出现许多凹凸不平的小坑。从图4可以看出,图上有明显的河流花样,说明该处为解理断口 。图4解理断口Fig.4Appearance of cleavage从图5可以看出,断口属于韧窝断裂、准解理断裂和解理断裂的混合型断口。断口上二次裂纹呈现出准解理断裂特有的短的河流花样,具有一定量的韧窝断口比例,混合断口和主应力的方向垂直,二次裂纹周边是滑移断裂区 。图5韧窝、准解理、解理型混合断口Fig.5Appearance of cavity ,permit -cleavage ,cleavage综合分析上述插销试样的断口形貌,可以看出,断口是由解理断裂、准解理断裂和韧窝断裂构成的混合

19、型断口。在插销缺口应力和外加载荷拉伸应力的共同作用下,表现出不同类型断口特征及混合型断口的过渡方式,试样从心部产生延性裂纹,然后以脆性方式扩展,从而断面上出现了韧窝状塑断区韧窝断裂和准解理断裂混合区韧窝断裂、准解理断裂和解理断裂混合区解理断裂。3结论(1通过SSCC 恒载荷试验的结果及分析可知,C 、Mn 、P 含量不同的国产X70管线钢在相同的试验条件下具有不同的SSCC 断裂时间与断裂应力。该试验结果主要是由于它们的Mn ,P 元素含量不同引起的,而不是由于C 元素含量的不同。(2国产X70管线钢的插销试验结果表明,采用<4.0mm ,LI NC O LN E6010焊条,预热可使X

20、70钢的临界应力明显提高。当预热温度为70时,cr =630MPa ;不预热时,cr =610MPa 。(3插销试样断口的电子显微镜分析可知,其断口是由解理断裂、准解理断裂和韧窝断裂构成的混合型断口。参考文献:1王仪康.高压输气管线材料和相关问题J .焊管,2000,23(3:84-88.2中国石油西气东输工程项目经理部.西气东输管道工程用钢,钢管技术规定要点A .X70管线钢试生产总结及研讨下转第21页16焊接学报第25卷输入量E和C便可得出一个控制量F。由于总控制表的计算工作量较大,故采用离线计算方法完成,并将其事先写入微机的存储器中,在实时控制中,只需通过查表的形式,便可获得实时的控制量

21、F,焊枪运动方向由e(t正负决定,所以表2中无正负号。4结论(1通过对钨极接触引弧轨迹分析及其轨迹上的各参数作用机理研究,提出钨极柔性接触引弧法,采用该引弧法,钨极烧损和焊缝夹钨远小于普通的接触引弧方式;在不同的空间位置都有很高的引弧成功率。(2根据钨极摆动轨迹分析,提出基值电压控制弧长和基、峰值电压值分别控制弧长两种方案。采取基、峰值电压值分别控制弧长与钨极横向运动轨迹控制相配合,避免了窄间隙焊接”爬弧现象”,使窄间隙焊接两侧壁充分熔透,经超声波探伤及接头力学性能、金相检验,符合焊接工艺要求。(3由于全位置焊过程中,重力等因素的影响,弧长调节的阻力是不断变化的,因而设计了可变增益PI D控制

22、器,并针对不同的偏差范围分离积分和变增益改善其控制品质,取得了较好的控制效果。参考文献:1徐绪炯.国外全位置自动TIG管焊机中的一种新型弧长自动控制系统J.电焊机,1997,27(1:45-47.2Vikulik.Orbital arc welding pipelinesJ.W elding International,1993,7(11:901-904.3都东,韩赞东,张人豪.TIG焊提升引弧方法的研究与应用J.焊接技术,1997,4(1:21-23.4Alistair G reig.Automatic inspection of com plex geometry weldsA.5th i

23、nternational con ference on advanced roboticsC.1991.1788-1791.5Liu Lijin,Han Y ongkui,Lu Y unlong.Design of changeabu gain arc leangth PID conteoller for all2position welding of thick2wallpipeJ.T ransactions of the China W elding Institution,2001,22(2:59-61.刘立君,韩永馗,逯云龙.厚壁管窄间隙全位置焊接可变增益弧长调节PID控制器的设计J.

24、焊接学报,2001,22(2:59-61.作者简介:刘立君,男,1968年出生,副教授,博士研究生,硕士研究生导师。主要研究焊接过程自动控制,主持和参加国家、省部级项目10余项,发表论文20篇。Email:888Liu Lijun上接第16页会C.2002.3Nakayama Quen,Liang Chenghao,Akashi M asatssune.Repassivationmethod for determ ining the critical potential for initiation of stress-corrosion crackingJ.C orrosion Engine

25、ering,1996,45(5:298-304.4Parkins R N.C onceptual understanding and life preidition forSCC of pipelineA.Proceeding of corrosion/96,research topicalsym posiaC.NACE publication,H ouston,T exas,US A,1996.1-49.5Pilkey A K,Lambert S B,Plum tee A.S tress corrosion cracking of X-60line pipeline steel in a c

26、arbonate2bicarbonate s olutionJ.C or2rosion,1995,51(1:91-99.6米运卿,周光祺.管线钢焊缝的应力腐蚀破裂研究J.西安交通大学学报,1996,30(8:64-69.8左景伊.应力腐蚀破裂M.西安:西安交通大学出版社,1985.9Parkins R N.The theory of stress corrosion cracking in alloysC.Ed J C Scully.NAT O.1971.167-185.作者简介:杜则裕,男,1939年2月出生,教授、博士生导师。现从事材料加工工程专业的教学及科研工作。主要研究方向为焊接冶金学

27、、金属材料焊接性、焊接材料、表面工程学等。多年来,主持及作为主要研究人员参加并完成国家教委博士点基金、国家自然科学基金、冶金部、中国石油天然气集团公司、天津市科委等省部级科研项目10项。获省部级以上科技进步奖7项。主编及参编机械工业出版社、电子工业出版社等出版的著作、全国高校统编教材等10部。发表论文90余篇。Email:duzeys 第5期刘立君,等:窄间隙焊接钨极动态运动轨迹多自由度控制21 2004 ,Vol . 25 ,No. 5 TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION MAIN TOPICS , ABSTRACTS & KE

28、Y WORDS ture joining of TiAl alloy CAO Jian , FENGJi - cai , LI Zhuo - ran ( Institute of Technology , Harbin 150001 , China . pl - 4 Selection of interlayer for field - assisted self - propagated high tempera2 Abstract : Field - assistod self - prupagated high temperature joining (FASHJ is a new me

29、thod for joining new materials. The interlayer for FASHJ was investigated. It was found that the high exothermie elements FASHJ interlayer. The optimized content was determined as Ti5Al4C1 1 1 1 2 Hao - ran ( 1. Key Lab of Liquid Structure and Heredity of Materials , were examined. Experimental resu

30、lts showed that the initial bead welding parameters , final bead welding parameters , and their mutual welding di2 rections have different effects on the tensile properties and fracture loca2 lower than that of final bead welding parameters. The same - direction welded joints demonstrate relatively

31、low strength and fracture only on the AS. The experimental study showed that a rotation speed of 1500 r/ min , a welding speed of 400 mm/ min and a same - direction welding process comprise an optimum combination for the tensile properties of the joints. properties ; fracture location ; aluminum all

32、oy weldability of domestic X70 pipeline steels. Electronic microscopic testing was used to analysis the fracture morphology in implant tests. The results suggested that it is element Mn , P , not element C that lead to domestic COLN E6010 welding rod is 630 MPa , 610 MPa with preheating (70 Multi -

33、freedom controlling of dynamic moving track of tungsten electrode in narrow - gap all - position welding LIU Li - jun1 ,3 ,ZHAN Xiao 150040 , China ; 3. Harbin Institute of Technology , Harbin 150001 , China . p17 - 21 An ultimate strength of the joints up to 78 % of the base material is ob2 Key wor

34、ds : friction stir welding ; two - sided welding ; tensile Sulfide stress corrosion cracking and weldability of domestic X70 pipeline steels DU Ze - yu , TAO Y - yin ong 2 1 1 ,2 National Key Lab of Advanced Welding Production Technology , Harbin tions of the joints. The effect of initial bead weldi

35、ng parameters is much ing side (AS or retreating side ( RS , while the opposite - direction - were necessary in the reaction system for FASHJ and elements with low molten temperature were applied to decrease the ignition temperature of reaction system. Based on this , the Ti - Al - C system was sele

36、cted as fracture morphology of Mg/ Al diffusion bonded joint mainly consists of coarse and gray fracture , and the fracture is mainly the mixed fracture of thesis reaction result of interlayer with different contents. The microstruc2 terlayer reaction product . ing ;selection of interlayer ; analysi

37、s of microstructure ; TiAl alloy ence and Engineering , Jinan University , Jinan 250022 , China . p5 - 8 ed by vacuum diffusion bonding technology. The microstrueture of the cro - hardness test , scanning electron microscope and X - ray diffraction. The diffusion bonding parameters : the heat temper

38、ature Tp = 450 was formed in the transition zone of Mg/ Al diffusion bonded joint . The tory of Advanced Welding Production Technology , Harbin Institute of Microstructure in interface zone of diffusion - bonded joint of Mg/ Al dis2 Ministry of Education , School of Materials Science and Engineering

39、 , 490 ,the pressure P = 0. 08 - 0. 10 MPa , the holding time t = 40 - 60 min. The experiment results indicated that the new compact phase Mg2Al 3 in the diffusion transition zone. Key words : Mg/ Al dissimilar materials ; microstructure ; fracture ; vaccum diffusion bonding Two - sided friction sti

40、r welding of 5 - mm - thick aluminum alloy plate 1 1 1 ture analysis was carried out and the TiAl and TiC were found in the in2 LIU Hui - jie , FENG Ji - cai , CHE Y ing - chun , Fujii Institute , Osaka University , Osaka 567 - 0047 , Japan . p9 - 12 Abstract : Two - sidod friction stir welding ( FS

41、W of a 5 - mm thiek plate of 1050 - H24 aluminum alloy was performed. The relations of tensile properties and fracture locations of joints to welding parameters similar materials LIU Peng , LI Ya - jiang , WANG Juan , GENG Mg/ Al diffusion bonded joint was studied by means of metallography , mi2 acc

42、ording to the field - assisted self - propagated high temperature syn2 cleavage. There are the intermetallic compounds MgAl , Mg3Al 2 and tained. Shandong University , Jinan 250061 , China ; 2. School of Materials Sci2 Technology , Harbin 150001 , China ; 2. Joining and Welding Research Hidetoshi 2

43、,Maeda Masakatsu2 , Nogi K iyoshi2 ( 1. National Key Labora2 Abstract :Magnesium ( Mg1 and aluminum ( 1070 A were bond2 Key words :field - assisted self - propagated high temperature join2 ogy ,Hebei Langfang 065000 , China . p13 - 16 ,21 ty ,Tianjin 300072 , China ; 2. Hebei Institute of Petroleum and Technol2 Ab