X70管线钢管环焊接头氢脆敏感性研究

针对X70管线钢管环焊接头进行12 MPa总压、0.36 MPa氢分压下的缺口拉伸试验,研究焊接接头的氢脆敏感性变化,并结合断裂韧性试验和疲劳裂纹扩展速率试验对其的断裂韧性和裂纹扩展行为进行了研究。结果表明,热影响区位置的断面收缩率下降较明显,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,X70钢热影响区在0.36 MPa氢分压环境下的裂纹尖端张开位移（CTOD）值下降了9.6%,断裂表面未出现二次裂纹;X70钢热影响区的疲劳裂纹扩展速率与空气环境相比增加了一个数量级,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X70钢管的氢脆敏感性较小。     

X80大应变管线钢焊接热影响区疲劳性能的研究

为了研究X80大应变管线钢焊接热影响区疲劳性能,采用MTS和INSTRON万能力学试验机测得了全壁厚X80大应变钢管焊接接头的疲劳寿命及焊接热影响区的疲劳裂纹扩展速率,并采用Gleeble-3500热模拟试验研究了焊接热循环不同峰值温度对组织和性能的影响。结果表明,焊接接头的疲劳性能显著降低,在相同的疲劳寿命条件下,其疲劳裂纹应力降低约100 MPa以上;疲劳裂纹均在焊趾处萌生,并向内沿热影响区扩展;而疲劳裂纹在热影响区的扩展速率随其通过的不同区域而变化。经焊接热循环后,热影响区呈现弱化趋势,强度最低点出现在细晶区,然而细晶区良好的塑韧性有利于抑制疲劳裂纹扩展,改善疲劳性能。     

疲劳载荷作用下X80管线钢夹杂物的微观行为

X80管线钢是我国长输管线的主要用钢,其安全性评价直接关系到管线的经济性和安全性。采用扫描电镜（SEM）原位观测的方法,动态跟踪观察了拉-拉疲劳载荷作用下国产X80管线钢中不同形状和尺寸的夹杂物导致裂纹萌生、扩展乃至试样断裂的全过程,并计算了影响X80管线钢疲劳性能的临界夹杂尺寸。结果表明,非金属夹杂物能够导致X80管线钢疲劳裂纹的萌生与扩展,疲劳裂纹首先在夹杂/基体界面的基体一侧萌生,然后向远离夹杂的基体中扩展;在拉-拉疲劳载荷作用下,X80管线钢薄板疲劳裂纹的稳态扩展速率为10⁻¹⁰ m/cycle量级;夹杂物尺寸越大,疲劳裂纹萌生越早,试样寿命越短。为了避免夹杂物对管线钢疲劳性能的危害,管线钢中夹杂物的尺寸应尽量控制在临界尺寸之内,尤其应避免出现带状夹杂物。     

输氢管道采用X80管线钢的设计建议

高强度管线钢常被用于长距离、大输量天然气管道输送,然而目前的输氢管道采用低强度管线钢,以避免氢脆的产生。为了探究大直径X80管线钢输送加压氢气的能力,对X80管线钢试样进行了拉伸、韧性、裂纹扩展和圆片破裂试验。根据试验结果,分析了输氢管道压力对试样缺陷临界尺寸的影响,从而对X80输氢管道的设计提出了建议。研究表明,在一定输送能量下,氢的运输成本可能比天然气高出数倍。此外,尽管低强度钢的氢脆敏感性更低,但使用高强度钢建造输氢管道比使用低强度钢可带来10%～40%的成本效益。     

焊缝余高及去应力退火对X80钢管焊接接头疲劳性能的影响

采用MTS Landmark 370型疲劳试验机研究了焊缝余高和去应力退火对X80大变形管线钢管焊接接头的拉-拉疲劳寿命的影响;采用显微硬度计和扫描电镜分析了焊接接头的硬度及疲劳断口形貌。结果表明:去除焊缝余高和去应力退火处理能够延长X80大变形管线钢管焊接接头的疲劳裂纹萌生寿命,提高其疲劳寿命;疲劳裂纹在内焊缝的焊趾处或者紧邻熔合线的热影响区萌生;焊缝余高引起的应力集中和热影响区软化是影响疲劳裂纹萌生的关键因素。     

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。     

OD1 422 mm X80钢管低温爆破试验研究

为了降低我国低温服役管材失效概率,掌握X80钢级管材低温性能,研究了一套低温爆破试验技术和方法,开发了低温爆破试验装置,在-5℃下开展了1次OD1422 mm X80钢管全尺寸低温爆破试验。通过试验得到了裂纹扩展速度和断口形貌,试验结果表明:在初始裂纹扩展速度达到200 m/s以上的情况下,该规格管材可依靠自身韧性将裂纹扩展速度降到100 m/s以下,实现低温止裂;同时试验钢管断口形貌与DWTT断口形貌相吻合,验证了DWTT试验方法的有效性。     

TC4-DT及TC21钛合金疲劳裂纹扩展速率的对比分析

为进一步研究航空主承力疲劳结构件损伤容限型钛合金的疲劳裂纹扩展问题,基于新版标准疲劳裂纹扩展试验方法GB/T 6398—2017,对两类损伤容限型钛合金TC4-DT及TC21进行测试。结果表明,低速扩展阶段,TC4-DT较TC21的疲劳裂纹扩展速率更小,宏观断口形貌粗糙度较大。当裂纹尖端应力强度因子范围ΔK处于24～31 MPa·m1/2的初始稳态扩展阶段时,裂纹扩展速率曲线基本重合,TC4-DT较TC21具有更长的稳态扩展区,断口形貌较为平滑。随裂纹长度的增加,应力强度因子范围ΔK约为断裂韧度KIC的50%时,进入失稳扩展阶段,断裂面粗糙度增加。     

高压油气输送管道疲劳寿命预测研究

通过对X60和X80钢级埋弧焊管疲劳裂纹扩展试验的研究,分析了不同钢级及应力比对埋弧焊管裂纹扩展速率的影响,并模拟停输工况对X80级准1 219 mm×22.0 mm埋弧焊管的疲劳寿命进行了分析计算。研究结果表明,应力比和钢管材料本身抗裂纹扩展能力对裂纹扩展速率有明显的影响。在单一模拟工况下,X80级准1 219 mm×22.0 mm埋弧焊管疲劳寿命为76年,有足够的疲劳寿命安全裕度。     

预热温度和冷却速度对X80抗大变形管线钢焊接粗晶区性能的影响

采用插销试验和热模拟技术研究了不同预热温度和冷却速度对X80抗大变形管线钢焊接粗晶区的冷裂纹敏感性及组织性能的影响。试验结果表明,随着预热温度的升高,X80抗大变形管线钢焊接粗晶区的临界断裂应力提高,抗冷裂纹敏感性能力增强;当预热温度达到150℃时,粗晶区的冷裂纹敏感性变得很小,断口形貌为韧窝状;随着冷却速度的增加,X80抗大变形管线钢焊接粗晶区的显微硬度升高,而断裂韧性由高到低,再由低到高,当冷却速度达到2~25℃/s时,粗晶区具有优良的断裂韧性;当进一步增大冷却速度时,由于板条马氏体的形成,粗晶区断裂韧性迅速降低。     

高强度管线钢焊接性影响因素分析

为了使X80～X120高强度管线钢焊接时获得高强韧性焊接接头,避免产生冷裂纹及热影响区脆化、软化等各种缺陷,针对高强度管线钢的焊接性影响因素进行了分析论述,包括冷裂纹产生的原因及影响因素、管线钢的HAZ软化及脆化影响因素等。重点对管线钢的焊缝与管材的强韧匹配以及管线钢焊接工艺进行了分析研究。研究结果表明,高强度管线钢焊接时,应依据等韧性原则来选用接头的匹配,选择合适的预热温度、含氢量较小的焊接材料、合理的焊接热输入,保证焊接接头具有足够的韧性,满足实际需要。同时针对冷裂纹及热影响区脆化、软化等各种缺陷提出了合理的控制措施。     

X80管线钢电化学充氢后的断裂特性研究

采用3点弯曲试样,研究了X80管线钢在0.5mol/L H2SO4溶液中,经不同电流密度充氢后的断裂特性。结果表明:X80管线钢在0.5mol/L H2SO4溶液中充氢时,材料中可扩散氢的质量分数随电流密度增大而增加。以小于12.5mA/cm2的电流密度充氢时,X80管线钢的断裂韧性随电流密度的增大而增加,当电流密度大于该值时,材料的断裂韧性随电流密度增加呈下降趋势。断口分析表明:电化学充氢试件断口仍以韧窝为主要特征,但与未充氢试件相比,韧窝的尺寸变小、变浅,且数量增多,韧窝的分布也接近均匀。     

管线钢断裂和疲劳裂纹扩展特性研究

对厚度分别为3mm、6mm、9mm、12mm、1mm的紧凑拉伸(CT)试样进行了断裂韧性试验,研究了X60管线钢的断裂特性.研究结果表明,由于试件厚度与分层裂纹间有强烈的耦合效应,表观断裂韧性不随厚度的变化而变化,靠增加试样厚度无法获得材料的平面应变断裂韧性,应用穿透裂纹的表观断裂韧性数据进行管道的安全评定不可靠;考虑塑性区修正的有效应力强度因子K_e与弹塑性J积分参量K_J在失稳扩展前保持了良好的等效性.对厚度分别为2mm、4mm和14mm的CT试样的疲劳裂纹扩展试验表明,高韧性管道钢的疲劳裂纹扩展存在显著的厚度效应,厚度效应敏感区在4 mm以内.     

X80钢焊接热影响区脆化软化现象热模拟试验研究

为了研究X80管线钢焊接热影响区(HAZ)组织及力学性能随冷却速度和焊接线能量的变化规律,采用热模拟试验的方法,对特定化学成分和原始金相组织的26.4 mm厚X80管线钢进行了热模拟试验。试验结果表明:通过采用加速冷却或高熔敷率低线能量焊接工艺,可以适当提高热影响区冷却速度,达到细化热影响区晶粒、改善或消除热影响区脆化软化的目的,有效改善了X80管线钢热影响区强韧匹配,提高了产品合格率。     

管线钢平面应变断裂韧性经验模型研究

为了研究高钢级管线钢断裂韧性受试样厚度影响的变化规律,对X80管线钢不同厚度的试样进行了系列断裂韧性试验,建立了X80管线钢平面应变断裂韧性和临界壁厚关系的经验估算模型。基于试验结果以及三维断裂力学理论和准则,对所建立的经验模型进行了验证。结果表明,对于X80管材,平面应变的临界壁厚大约在50 mm,与厚壁弯管的爆破试验结果基本吻合;经验估算模型的预测结果较为准确,能够满足工程应用的需要。