X80管線鋼焊縫橫向冷裂紋G-BOP試驗研究

谷云龍，郭曉疆，李燁錚，肖 建

（中國石油天然氣管道科學(xué)研究院，河北廊坊065000）

X80管線鋼焊縫橫向冷裂紋G-BOP試驗研究

谷云龍，郭曉疆，李燁錚，肖 建

（中國石油天然氣管道科學(xué)研究院，河北廊坊065000）

為了確定X80管線鋼焊縫橫向冷裂紋敏感性影響因素，選用焊縫橫向冷裂紋G-BOP（gapped bead-on-plate）試驗方法，利用有限元分析計算平板焊縫應(yīng)力集中部位，在模擬極端的環(huán)境溫度、濕度以及預(yù)熱溫度的情況下，觀察實際平板對接焊縫表面裂紋情況。試驗結(jié)果顯示，X80管線鋼橫向裂紋對環(huán)境濕度、溫度以及預(yù)熱溫度不敏感。研究表明，利用這種簡便、經(jīng)濟、實用的小型試驗方法研究焊縫橫向冷裂紋敏感性，對指導(dǎo)實際生產(chǎn)將起重要作用，并可為X80管線鋼管環(huán)焊工藝的制定提供指導(dǎo)。

X80管線鋼；焊縫；冷裂紋；G-BOP；有限元

自束試樣的載荷主要是焊縫冷卻過程中焊縫收縮產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，外加載荷試樣雖然也有殘余應(yīng)力，但主要依靠外部施加的應(yīng)力試驗載荷。外加載荷試樣的優(yōu)點是可以自由選擇應(yīng)力載荷的加載量，而自束試樣則有更好的應(yīng)力分布均勻性。筆者選用G-BOP試驗方法，通過有限元模擬計算平板對接焊縫應(yīng)力集中區(qū)域，在改變實際焊接環(huán)境溫度、濕度以及預(yù)熱溫度的前提下進行焊接，通過滲透檢測統(tǒng)計焊縫表面裂紋，特別是模擬計算出應(yīng)力集中點的裂紋情況。

G-BOP試驗是在100 mm×125 mm對接試板一側(cè)開一個0.75 mm的槽，試驗焊縫可以采用單道焊縫，也可以采用預(yù)堆焊過渡層方法，保證試驗焊縫熔敷金屬不被對接試板金屬稀釋且成分均勻，來模擬多層焊焊縫狀態(tài)。該試驗是一種簡便、經(jīng)濟、實用的焊縫橫向冷裂敏感性研究方法。

1 G-BOP試驗方法及材料

1.1 G-BOP試驗原理

G-BOP試驗原理及其試樣如圖1所示。

圖1 G-BOP裂紋試驗示意圖

本試驗分3個步驟：

（1）針對G-BOP試樣建立有限元模型，進行焊接過程模擬并計算其管道焊縫拘束度的變化。

堆焊焊縫長度貫穿兩塊板的長度，由于GBOP試驗主要是測定焊縫橫向裂紋的敏感性，焊縫長度影響不大，因此起焊和收弧部位的影響不大，可以進行此項假設(shè)。

（2）采用不同的環(huán)境溫度、環(huán)境濕度和預(yù)熱溫度進行實際焊接，測量其斷面裂紋率。

試驗焊縫焊完后，保溫48 h，然后進行發(fā)藍處理，以區(qū)分裂紋面積，裂紋率計算如圖2所示。

圖2 裂紋率計算示意圖

（3）得出適合管線鋼的預(yù)熱溫度。

1.2 試驗材料

試驗用材料為X80管線鋼，試樣為100 mm×125 mm對接試板，在一側(cè)開一個0.75 mm的槽。

1.3 焊接方法

X80管線鋼對接焊采用一道打底焊，所用焊接方法、焊條同平板對接，焊接工藝參數(shù)見表1。

表1 X80管線鋼對接焊工藝參數(shù)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 G-BOP有限元模擬

有限元模擬分析：①根據(jù)模擬軟件限制進行模擬假設(shè)；②兩塊板對接時中間留有一定的間隙；③裝配完成后，板的兩端固定用于模擬夾具的固定作用。根據(jù)實際尺寸和模擬假設(shè)建立的模型如圖3所示。

圖3 G-BOP試驗的有限元分析幾何模型

建模完成后進行網(wǎng)格劃分，由于主要考慮焊縫部位的位移和應(yīng)力關(guān)系，因此焊縫部分網(wǎng)格應(yīng)該細化，而距離焊縫較遠的地方則可適當(dāng)粗化。根據(jù)此原則進行劃分，得到的模型如圖4所示。

圖4 G-BOP試驗分析模型的網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分后，需要對試塊進行裝配，設(shè)置邊界條件（如垂直于焊縫的兩個端面在焊縫方向的位移設(shè)置為0，板的底部在厚度方向的位移為0等），加載焊接熱源進行焊接，并進行空冷。散熱渠道主要包括金屬直接的傳導(dǎo)及金屬與空氣的對流輻射，分別由傳熱系數(shù)和散熱系數(shù)控制，冷卻到室溫時就可利用此時產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和殘余變形計算拘束情況。G-BOP試驗的焊接、冷卻、冷卻到室溫后平行于焊縫方向的位移量及應(yīng)力如圖5～圖8所示。

圖5 G-BOP試驗的焊接模擬過程云紋圖

圖6 G-BOP試驗的焊接后冷卻模擬過程云紋圖

圖7 冷卻到室溫后焊縫方向的位移云紋圖

圖8 冷卻到室溫后的應(yīng)力云紋圖

在開槽與焊縫交界處取4點，由于應(yīng)力集中的存在，此4點的拘束度值最大，分析結(jié)果見表2，G-BOP試樣拘束度如圖9所示。

從以上數(shù)據(jù)分析可以看出，在焊縫與板槽交界4點處的拘束度較大，有應(yīng)力集中。

表2 G-BOP試驗的拘束度

圖9 G-BOP試樣拘束度

2.2 實際焊接

圖10、圖11及表3是環(huán)境溫度為室溫（25℃），在不預(yù)熱、預(yù)熱75℃及預(yù)熱150℃和環(huán)境濕度為60%RH、90%RH條件下的G-BOP試驗結(jié)果。

圖10 G-BOP試驗結(jié)果照片

圖11 典型G-BOP試驗試樣照片

表3 G-BOP試驗結(jié)果

從圖10、圖11及表3可以看出，在改變環(huán)境溫度、濕度以及預(yù)熱溫度下，使用兩種焊條后焊縫均未出現(xiàn)裂紋，特別是在不進行預(yù)熱且溫度為-5℃、濕度為90%RH的極端環(huán)境下，整個焊縫，尤其是焊縫應(yīng)力集中點處都沒有出現(xiàn)裂紋。

3 結(jié) 論

（1）焊縫與試樣開槽的交界4點處的拘束度較大，有應(yīng)力集中。

（2）通過實際焊接試驗發(fā)現(xiàn)，改變環(huán)境溫度、濕度以及預(yù)熱溫度的前提下，平板對接焊縫均沒有出現(xiàn)裂紋，特別是焊縫應(yīng)力集中處。

（3）環(huán)境濕度、溫度以及預(yù)熱溫度3個因素對X80管線鋼橫向裂紋不敏感。

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G-BOP Experimental Study on Transverse Cold Crack of X80 Pipeline Steel Weld

GU Yunlong,GUO Xiaojiang,LI Yezheng,Xiao Jian
（Chinese Petroleum and Natural Gas Pipeline Science Research Institute,Langfang 065000,Hebei,China）

In order to determine the transverse cold crack sensitivity factors of X80 pipeline steel weld,selecting G-BOP(gapped bead-on-plate)experimental method for weld transverse cold crack,using finite element analysis to calculate the stress concentrated position of plate weld,under extreme environmental temperature,humidity and preheating temperature of the situation,the surface crack of actual plate butt weld was observed.The results showed that transverse crack of X80 pipeline steel is not sensitive to environmental temperature,humidity and preheating temperature.The research showed that using this simple,economical and practical small test method to study the weld transverse cold crack sensitivity will play an important role for guiding actual production and the establishment of X80 ring welding technology.

X80 pipeline steel;weld;cold crack;G-BOP;finite element

TG441.3

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.02.002

谷云龍（1988—），男，本科，助理工程師，主要研究方向為管線鋼焊接性能。

2015－11－04

李紅麗