洛阳理工学院X80管线钢毕业设计.docx
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洛阳理工学院X80管线钢毕业设计
X80液化石油管线钢焊接工艺研究
摘 要
随着全球能源需求的不断增加,石油天然气输送管道不断向高钢级、高压、大管径的方向发展。
X80管线钢是控轧控冷(TMCP)的微合金低碳钢,由于其钢材中马氏体和贝氏体独特的线性分布,使其在强度很高的条件下还保持了一定的塑韧性,成为管线建设的首选材料。
本文以X80钢的焊接工艺为研究对象,对高钢级管线钢的国内外应用情况,研究发展状况进行深入了解,并重点对X80管线钢焊接工艺设计过程、焊缝的组织性能分析,焊后热处理进行研究。
采用显微镜组织观察,力学性能测试等方法,分析了解焊接过程中焊缝和热影响区金相组织的变化;结合接头组织性能分析,对焊接工艺设计参数进行优化,取得良好效果;并模拟焊后热处理(单一回火),探索焊后的优化焊接效果的措施。
通过研究实验,从焊前、焊中、焊后各方面对X80管线钢的焊接工艺有了全面的了解。
关键词:
X80管线钢,焊接工艺设计,金相分析,模拟热处理
X80pipelinesteelStudiedonweldingprocess
ABSTRACT
Withtheincreasingofglobalenergydemand,highgradesteel,highpressure,largediameteroilandgaspipelinesbecometheinevitabletrend.X80pipelinesteeliscontrolledrollingandcontrolledcooling(TMCP)microalloyedlowcarbonsteel,duetoitssteelinmartensiteandbainitebodytheuniquelineardistribution,theundertheconditionofhighstrengthalsomaintainedacertainplasticityandtoughness,becomethematerialofchoiceforpipelineconstruction.
ThistopictoX80pipelinesteelweldingprocessistheresearchobject,thehighgradepipelinesteelathomeandabroadapplication,researchanddevelopmentstatusofin-depthunderstanding,andfocusonX80pipelinesteelweldingprocessdesign,weldmicrostructureandpropertiesanalysis,theweldingsimulationofheattreatmentwerestudied.Themicroscopeobservation,mechanicalpropertiestestandanalysisknowledgeofweldingmicrostructuresofweldandheataffectedzonecrystalphaseintheprocessofchange;combinedwiththeanalysisofthemicrostructureandpropertiesofweldedjoint,tooptimizethedesignparametersofweldingprocess,andachievedgoodresults;andsimulatedpostweldheattreatment(singletempered),exploreweldingafteroptimizingweldingeffectmeasures.Throughexperimentalresearch,fromallaspectsoftheweldingprocessofX80pipelinesteelbeforewelding,welding,afterwelding,haveacomprehensiveunderstandingof.
KEYWORDS:
X80pipelinesteel,Weldingprocess,Metallographicanalysis,Simulatedheattreatment
前 言
随着全球能源需求的不断增加,石油天然气输送管道不断向高钢级、高压、大管径的方向发展。
X80管线钢是控轧控冷(TMCP)的微合金低碳钢[1],由于其钢材中马氏体和贝氏体独特的线性分布,使其在强度很高的条件下还保持了一定的塑韧性,成为管线建设的首选材料。
但是X80管线钢的生产和应用还存在很多的问题,例如X80管线钢的焊接性问题;在焊缝与母材的性能匹配方面的问题;焊缝与热影响区金相组织变化以及焊后热处理的问题。
这些问题都需要广大的科研工作者和技术工作者付出努力。
西部大开发的推进使得国家加快了对偏远地区的资源开发力度,西气东输工程等一批工程的建设又使得国家对高级别管线钢的需求不断加大。
西气东输二线工程中我国首次将X80系列管线钢的首次尝试,这些重要工程的建设将大大带动了国内高钢级管线钢的研制、开发与生产进入一个崭新的阶段,加快了X80管线钢在我国开发与应用的速度,同时也推动了制管行业的技术进步和设备改造。
X80管线钢的开发,可以实现该强度级别的管线钢国产化,为以后的管线工程项目制造、采用高钢级管线钢高压大口径钢管奠定基础,不仅能够节约钢材,提高管道输送效率,能够为国家节约大量外汇,还能够降低能耗保护环境,因此高钢级管线钢的市场前景非常广阔。
本文以X80钢的焊接工艺为研究对象,对高钢级管线钢的国内外应用情况,研究发展状况进行深入了解,重点对X80管线钢焊接工艺设计过程、焊缝的组织性能分析,焊后模拟热处理进行研究。
采用显微镜组织观察,力学性能测试等方法,分析了解焊接过程中的各种材料的变化;结合接头组织性能分析,对焊接工艺设计参数进行优化;并模拟焊后热处理,探索焊后的优化焊接效果的措施。
为X80液化石油气管线钢的工艺研究做一点微薄的贡献。
第1章绪论
1.1X80管线钢
天然气是居民生活的必需品,是国民经济的重要战略资源,能源的增长以及结构优化调整,促使我们国家液化石油气产业不断发展,预计至2030年世界上天然气需求量将翻一番,成为最主要的使用能源。
管道输送具有高效、输送量大、安全性高、成本低、便捷等优点,远优于其他运输方法。
特别是在3~5000KM距离以下,石油天然气的管道运输是最为经济的一种手段[2]。
二次大战以后,由于战后重建的需要,天然气输送管线迅猛发展,输送压力不断提高,管网日渐发达。
但是在钢材不变的情况下只能通过增加壁厚的方式提高液化石油输气管的工作压力,而增加壁厚会提高管道的重量,成本也会随之上升。
因此只有提高管线钢的钢级,才能在保证工作压力和安全性的情况下减小钢管壁厚,节约用钢量,降低管道建设运营的成本[3]。
如图1-1所示,在同样输气量下,材料由X70替换为X80,或者更高钢级的钢材,可因壁厚减小降低成本7%左右。
图1-1使用不同钢级钢管的建设成本变化
石油天然气输送管道的管径不断加大,运行压力不断提高,产生管道延性断裂的风险也会越来越大,对国民的生产生活产生威胁,因此管线钢的安全问题至关重要。
如果想要防止断裂起始和阻止断裂扩展那就必须增加材料的强韧性,因此钢材具有较高的韧性是管道安全的重要保证[4]。
随着管线钢钢级的提高,对钢材的强度和韧性的要求也不断提高。
高级别管线钢的生产水品体现了一个国家的重工业实力,X80管线钢管在工业发达国家的研究和应用已有20多年的历史,已经有很多的论文、报告研究它的各种组织特性,但由于其对焊接性和强韧性等综合性能的特殊要求,以及较高的施工要求,大规模使用依然受到了限制,至今在全球建成的X80钢输气管线也只有数百公里长,还没有达到普及使用的程度。
而对X80钢的焊接性、组织性能、焊后热处理等仍是人们关注的课题。
其研制将会填补国内空白,也成功将推动X80钢的规模化生产以及在管线工程上的大批量使用;同时缩短与发达国家先进水平的差距,提高国内高级别管线钢国际地位和市场竞争力。
1.2国外管线钢的研制与发展概况
1.2.1管线钢的发展概述
19世纪,油气输送大口径高钢级管线钢首先在美国发展起来。
1938年美国石油学会制定了ABISPEC5L焊管标准,以后每年ABISPEC5L标准需要经过一次修订,至今已形成钢级划分从A、B、X42-X80甚至是X100、X120比较完善的焊接管线钢标准体系。
美国在液化石油气发展方面走在世界前列:
1893年建成第一条天然气输送管线Mreconat(约200km),1925年建成世界上第一条焊接钢管天然气管线EastHN[5]。
“X42”表示管线钢的屈服强度的等级为42磅/平方英寸(英制单位),对应公制单位为290MPa。
二十世纪五十年代以前,含0.30%碳的钢经过热轧、正火就可以提高管线钢的强度。
此时钢级主要分为X42、X52、X56。
1959年运河管道工程中高强度的低碳低合金钢(HLAC)首先被应用,从此热轧微合金技术在高强度管线钢上得以应用和发展,成为管线钢大发展的历史时刻。
二次世界大战后,伴随着战后重建,油气输送行业发展迅猛,管道输送直径不断增加压力的不断提高,使得对管材的要求也水涨船高。
输送压力从50年代的0.25Mpa上升到10Mpa以上。
管线钢屈服强度则从160Mpa提高到500Mpa以上。
20世纪70年代初,北美首先开始将X70级管线钢用于天然气管线工程,在加拿大和美国边境建设了第一条X80管线;1985年,德国MegallⅡ工程中铺设了第一条3.2km长的X80管线钢输气管试验段;2004年2月,加拿大在Pearlless项目中成功建成一条2公里长的φ1014mm的X100钢输气管线试验段和1.6公里长的φ1014mmX120试验段,这是世界上X120管线钢在工程中的首次应用,具有里程碑式的意义。
经过几十年的研究、发展和应用,国外的天然气高压输送采用高钢级管线钢已经成为主要的发展趋势。
在管线钢制造过程中,微合金钢的控轧技术的应用使得管线钢不需要进行正火,而大大降低了工艺难度和制造成本,成为管线钢大发展的基础。
与此同时钢中的微合金元素使得晶粒进一步细化,降低了含碳量,钢的焊接性、强度和韧性也得到了很大提高。
图1-2显示了在近几十年中,管线钢的钢级合金成分设计、显微组织变化、工艺路线的发展过程。
二十世纪七十年代,管线钢钢级主要为X42-X60,其化学成分为0.30%C加定量的合金元素铌,通过传统热轧以及正火后铌的析出强化来获得所需要的强度。
这时钢的结构组织为铁素体加珠光体。
七十年代后期随着控轧工艺(TM)在生产中的普及应用,大大降低了钢中碳含量,同时降低铌的含量,提高了Nb的含量,通过Nb对热轧时奥氏体再结晶的影响来细化晶粒[6],提高钢的各项性能,X65和X70钢因此大规模发展了起来。
由于碳含量的降低,大大减少珠光体的比例,管线钢的韧性也得到很大提高。
这时钢的成分为0.10%C+Nb,组织结构为铁素体加少量珠光体。
到了八十年代中后期,随着热轧设备和工艺的不断改进和发展,人们在使用控轧(TM)后配合强制加速冷却工艺(ACC)提高管线钢的性能。
管线钢的碳含量进一步降低,而强度和韧性却在提高。
冷却停止温度的降低和冷却速率的提高使得轧制后的组织发生了根本改变,由原来的铁素体+珠光体型变为铁素体+贝氏体型(或针状铁素体型),晶体组织也进一步细化。
X80管线钢技术就是在此基础上发展起来的。
此时钢中碳含量大约0.09%,并且通过稀有金属复合作用进行微合金化,使得金属晶粒细化,减少有害组织,提高金属性能。
图1-2高强度管线钢的发展史
九十年代末期,X100管线钢也在德国、日本等国研制出来,其成分为0.07%C+Nb+Ti+Mo,工艺为控轧(TM)+加速冷却(ACC)或控轧(TM)+直接淬火(DQ)[6],得出的组织为铁素体+马氏体。
1.2.2X80管线钢的研制与应用
X80管线钢从上世纪八十年代研制至今已经有二十多年历史。
由于其应用于管线工程上,对其研究更多的集中在对钢管抗变形能力、焊接性和抗腐蚀性研究上,而对X80钢板材的晶相组织和焊后热处理尚缺乏全面深入的研究。
F.Kawabeta等人通过模拟X80钢的热机械加工和在线冷却控制过程,观察组织的变化并确定了Mn-Nb-Mo系X80钢的CCT曲线。
如图1.3所示当钢在轧后以20℃/s的速度冷却至500-550℃时,可以得到贝氏体组织;当钢以高于30℃/s的速度冷却至200℃(淬火)时,钢中出现了马氏体组织。
E.V.Perelma和C.Baycley等人应用MC形变-淬火膨胀仪,模拟TMP(thremo-mechanicalprocess)和OLAC(on-lineacelleratedcool)过程测得的X80管线钢CCT曲线[7]如下:
图1-3X80钢CCT曲线
由图1-3可看出,该成分系列的X80钢在较宽的冷速范围内(1~30℃/s-1)都将得到先共析铁素体和低碳贝氏体的组织。
低碳微合金化钢经过控轧(TMP)/在线加速冷却(LAC)过程以后,其最终的组织除了细晶粒铁素体还有贝氏体的基体上分布着M-A小岛状组织,而奥氏体状态和OLAC工艺水平将决定着各组织占的百分数。
X80钢的应用最早于1985年在德国MegallⅡ工程中铺设了一条3.2km长的X80试验段。
1992至1994年,世界上第一条X80级天然气长输管线(250km)在德国建成;至今已建成数百公里长的X80输气管线。
表1-1全球已建成的X80输气管道
年份
位置
名称
长度/Km
直径/mm
壁厚/mm
1985
德国
MegallⅡ
3.5
1128
13.3
1986
斯洛伐克
第4输气管道
1.3
1432
15.1
1990
加拿大
NovaExpressEast
2.2
1229
10.2
1992
德国
RuhrGas
260
1229
18.5
1994
加拿大
NovaMatzhian
55
1229
13.0
1995
加拿大
EastAlberta
34
1229
13.0
1997
加拿大
CentralAlberta
95
1229
13.0
2002
英国
StFergustoAbede
73
1229
13.0
1.3X80管线钢国内的研发概况与市场前景
上世纪六十年代以前,我国使用Q235热轧钢生产的螺旋焊接钢管输送天然气和原油。
1966年威远至成都的输气管线改为16Mn高强度热轧钢带,由于不能始终保证天然气运营标准,导致所建管线发生多起硫化物腐蚀断裂的重大事故,带来巨大损失[8]。
到20世纪70年代,我国才开始向日本订购进口X52管线钢,用于本国油气输送建设。
我国于“六·五”期间开始进行管线钢的开发研制,在几代科研人员的努力下,目前已经具备X65、X70钢级管线钢及其卷板的规模化生产能力,并投入一些工程使用。
宝钢、武钢先后为印度管线工程、土耳其管线工程和苏丹管线工程提供了600多万吨X65管线钢板卷。
随着近些年来我国加大石油天然气的开采、跨区运输力度,一批高技术要求、高钢级的管线工程陆续开工建设,西气东输甘宁、陕京二线均要求管线钢级为X70,壁厚18mm,为我国管线运输工程所用钢级和壁厚之最。
目前我国X70及以下管线钢管不仅满足APISpelc.5L标准要求的强度,而且某些指标还达到了世界先进水平。
X70管线钢已经大批量应用到西气东输项目上,为国家建设大型工程项目约了大量外汇。
与此同时X80及更高钢级管线钢的研制开发在国内几乎是空白,这方面由于我国的管线钢的研制起步较晚,并且国内大多数钢厂受轧机等设备能力的限制,生产研制X80及更高钢级管线存在困难。
西部大开发的推进使得国家加快了对偏远地区的资源开发力度,西气东输工程等一批工程的建设又使得国家对高级别管线钢的需求不断加大。
西气东输二线工程中我国首次将X80系列管线钢的首次尝试,这些重要工程的建设将大大带动了国内高钢级管线钢的研制、开发与生产进入一个崭新的阶段,加快了X80管线钢在我国开发与应用的速度,同时也推动了制管行业的技术进步和设备改造。
未来几十年将是我国油气输送管线建设的高速发展时期,预计高强度高韧性管线钢的需求量将达到每年150万吨以上,而且其中大部分为X70及以上管线钢。
即将要建设的西气东输二线、中-俄输气管道工程等,已经将X80钢级列为首选使用的材料之一。
X80管线钢的开发,可以实现该强度级别的管线钢国产化,为以后的管线工程项目制造、采用高钢级管线钢高压大口径钢管奠定基础,不仅能够节约钢材,提高管道输送效率,降低能耗保护环境,又能够为国家节约大量外汇,因此高钢级管线钢的市场发展前景非常广阔。
1.4X80及以上钢级管线钢工程应用中存在的问题
目前,国外X80及以上钢级管线钢大多采用直缝埋弧焊方式焊接管道,钢板在制管过程中发生加工硬化,因此管材强度相比板材会有一定程度的提高,且韧脆转变温度上升。
而国内的几大钢厂以热连轧机组生产X80钢卷为主,如宝钢2050mm,武钢2250mm热连轧机组等,钢卷经螺旋埋弧焊接制管后,由于包辛格效应影响,管材屈服强度相比卷板可能会有一定程度的损失;同时热机械控轧钢的强度受各向异性的影响,螺旋角30度方向上的强度明显低于横向,这些原因都要求在设计时适当提高板卷的屈服强度。
高压大口径输送管线在提高天然气输送效率的同时,需要减少钢管壁厚,降低建造成本。
但是随着压力升高、壁厚减薄的同时,要求管材有更高的止裂韧性。
因此,X80管线钢需要在提高屈服强度的同时,尽量提高冲击韧性、减小卷板的韧脆转变温度。
传统的细晶强化虽可提高钢材的强韧性,但是其强化效果仍不能满足要求,必须通过组织类型的合理控制以及多种强化方式来获得良好的综合性能,这些都增加了X80钢的生产难度。
在焊缝与母材的性能匹配方面,X80及以上级别管线钢通过低碳微合金控轧及加速冷却获得较高的力学性能,此类高强度钢主要用于天然气的输送、压力容器的制造,因此要求管线钢具有高的止裂韧性。
而且焊缝是铸态组织,要与母材等韧是相当困难的。
所以,对于X80及以上级别管线钢来说,如何通过合理的合适的工艺配合和成分设计,来获得能满足管线工程需要的高韧、高强、良好的焊接性、低的脆性转变温度等综合性能的钢材及管材是科研工作者仍致力的课题。
1.5本章小结
高级别管线钢的生产水平体现了一个国家的重工业实力,X80管线钢管在工业发达国家的研究和应用已有20多年的历史,已经有很多的论文、报告研究它的各种组织特性,但由于其对焊接性和强韧性等综合性能的特殊要求,以及较高的施工要求,大规模使用依然受到了限制,至今在全球建成的X80钢输气管线也只有几百公里长,还没有达到普及使用的程度。
因此X80管线钢的应用还需要更多的研究工作,特别集中在焊缝区域的组织性能分析,以及焊后的工艺处理上,这都是需要我们重点关注的方面。
本文主要针对X80管线钢的焊接工艺、焊缝组织、焊后热处理进行研究,丰富这方面的学术资料。
随着西部大开发的深入,国家将将进一步加快西部地区的资源开发,石油天然气则是资源的重中之重,未来石油天然气管道行业将迎来大发展。
而X80管线钢必然成为未来天然气管道建设首选用钢,X80管线钢的研制不仅可以加快推进我国的管道行业基础设施建设,还可以为国家节约大量的外汇。
因此X80管线钢的研究意义重大,势在必行。
第2章实验材料和方法的选择
2.1试验材料
试验材料为宝钢的X80高强度管线钢。
该钢是采用低碳微合金化并通过控扎控冷工艺(Thermo-MechnicalControlPrecess),利用相变强化、析出强化、位错强化以及固溶强化获得最大程度的晶粒定向排列来降低韧脆转变温度、提高强度和韧性。
选用的X80管线钢的化学成分如表2-1所示。
表2-1X80管线钢化学成分表(%)
元素
C
Si
Mn
S
P
Ni
Cu
Mo
Al
测试值
0.040
0.210
1.790
0.003
0.007
0.155
0.199
0.092
0.032
X80管线钢的原始组织为铁素体,呈针状片条或板条形态。
由于相变中只涉及到铁素体,不形成渗碳体,而且其中部分奥氏体冷却时转变为马氏体,只含有少量残留奥氏体,故该相变产物为铁素体的范畴[9]。
针状铁素体是一种在连续冷却条件下获得的组织,不同于少珠光体的类贝氏体和铁素体-珠光体,相变形成温度略高于上贝氏体,以切变和扩散的混合机制实现相变,因而在非等轴铁素体基体中具有高的位错密度和亚结构[10]。
由此可得,X80钢是有铁素体加少量贝氏体、马氏体组成,其中贝氏体和马氏体成针状和长条状分布在铁素体间起到强化的作用,使其在提高强度的情况下还不失韧性。
2.2实验方案及方法
2.2.1焊接工艺设计
对现有材料进行分析,查阅相关资料,参考以往全球X80液化石油管道项目中焊接工艺数值,并严格执行我国焊接作业的工艺规范,完成X80钢的工艺设计。
2.2.2组织与性能的测定
1.光学显微镜显微组织的观察
钢材的金相组织决定了其性能的优劣,我们通过不同的手段来观察X80管线钢焊缝和热影响区的显微组织,为下一步的研究工作做准备。
试验仪器:
OLYMPUS-GX45光学显微镜。
腐蚀剂:
4%的硝酸酒精溶液,腐蚀时间约1min。
利用OLYMPUS光学显微镜观察经抛光、腐蚀后的试样,观察其显微组织,并拍摄金相照片,进行分析。
2.力学性能测定
为了对比不同条件下X80管线钢的性能,我们需要对试样进行下列试验。
(1)硬度的测定
硬度是力学性能研究的重要指标。
为了研究焊接过程以及微观组织对硬度的影响,进行硬度测量。
测量硬度所用的试样为显微组织观察后的金相试样,硬度测定时以焊缝为中心等距选择试样截面的不同位置进行测量。
试验设备:
小负荷硬度仪AD-47。
试验条件:
载荷10kg,加载持续时间15s。
(2)冲击韧度的测定
按照国标GB4169-84金属V型缺口冲击试验方法,测定焊缝和热影响区的冲击韧度。
试验设备:
冲击试验机CL-3002,冲击能量500/250J。
试件规格和要求:
将热模拟后试样做二次加工,试样的形状、尺寸、表面精度要求如图2-1所示,保证冲击韧度试验所需的尺寸和精度要求。
图2-1热模拟试样低温冲击韧度试样图
2.2.3模拟焊后热处理
X80管线钢焊接完成后,焊缝金属以及热影响区的金属与母材的晶相组织会有一定
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