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机械复合管焊接接头残余应力与断裂韧性研究

机械复合管焊接接头残余应力与断裂韧性研究

作者：孙健中国石油大学(华东)

学位级别：硕士

因为管线钢具有良好的力学性能,因此广泛应用在油气运输中。但随着管线钢在强腐蚀介质环境中应用越来越广泛,不仅对其强度提出了要求,而且要求其具有优良耐蚀性,从实际应用环境和经济方面综合考虑,机械复合管应运而生。由于基层和复层... 详细信息

因为管线钢具有良好的力学性能,因此广泛应用在油气运输中。但随着管线钢在强腐蚀介质环境中应用越来越广泛,不仅对其强度提出了要求,而且要求其具有优良耐蚀性,从实际应用环境和经济方面综合考虑,机械复合管应运而生。由于基层和复层材料的不同以及基层和复层之间机械复合会存在一定的间隙,导致机械复合管对焊时易出现合金元素烧损、焊缝周围碳原子迁移以及焊接接头应力状态复杂等问题,因此,提出了在机械复合管端部对焊之前,先采用封焊或堆焊处理机械复合管。本文采用两种不同焊接工艺的L415/316L机械复合管,分别对其焊接接头组织和力学性能、焊接接头外表面残余应力以及焊接接头在-40℃下的断裂韧性进行了综合的研究。借助光学显微镜、万能试验机和冲击试验机对焊接接头的显微组织、拉伸性能、弯曲性能和冲击性能进行研究。结果表明:采用全合金焊材的L415/316L机械复合管焊接接头的各层组织良好,综合性能也比较好,只是进行拉伸试验后基层和复层发生了分层情况;采用合金焊材及碳钢焊材搭配的L415/316L机械复合管焊接接头在填充和盖面层处出现了马氏体组织,恶化了接头性能,拉伸试验后基层和复层并未发生分层现象,弯曲时候表面产生了裂纹,且焊缝处的冲击韧性较差。借助应变片和压痕应变法应力测试系统对L415/316L机械复合管焊接接头外表面进行了残余应力的测量与分析。结果表明:L415/316L机械复合管焊接接头外表面的焊接残余应力在焊缝区、近焊缝区和母材区都为拉应力。相同直径的机械复合管,采用合金焊材及碳钢焊材搭配的焊接接头外表面焊缝区和近焊缝区的残余应力高于采用全合金焊材的焊接接头外表面焊缝区和近焊缝区的残余应力。同种焊接工艺的L415/316L机械复合管焊接接头外表面的焊缝区和近焊缝区残余应力随着管径的增加而增加。借助QBG系列高频疲劳试验机及其自带力和位移记录程序、引伸计等器材,综合考虑钢管具体形状和焊缝实际方向,合理设计了两种三点弯曲试样。采用裂纹尖端张开位移测试技术获得了基层母材、焊接接头焊缝、热影响区在-40℃下的断裂韧性。结果表明:母材和焊缝金属有明显稳定裂纹扩展区域,韧性良好,其中母材断裂韧性平均值1.0281mm,采用全合金焊材和采用合金焊材及碳钢焊材搭配的机械复合管焊接接头的焊缝断裂韧性平均值分别为0.5769mm和0.7027mm;热影响区由于组织的差异明显,导致热影响细晶区有良好的低温韧性,热影响粗晶区断裂韧性非常差,其中采用全合金焊材和采用合金焊材及碳钢焊材搭配的机械复合管焊接接头的热影响区粗晶区断裂韧性平均值分别为0.2394mm和0.3036mm。根据金相显微分析、断口形貌及断面EDS分析,发现组织形式、晶粒大小、裂纹扩展方式以及夹杂物数量是影响材料断裂韧性的重要原因。

关键词：机械复合管焊接工艺力学性能残余应力断裂韧性

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机械复合管在油田的使用状况评价及原因分析

机械复合管在油田的使用状况评价及原因分析

作者：张雄虎中国石油大学(北京)

学位级别：硕士

随着我国经济的快速发展,人们对于能源的需求量也在与日俱增。近些年虽然中国在大力发展更加清洁环保的新能源,但是目前石油和天然气仍旧是中国最主要的能源,同时也是最重要的能源和战略物资。如今我国已经成为了世界油气的开采大国,“... 详细信息

随着我国经济的快速发展,人们对于能源的需求量也在与日俱增。近些年虽然中国在大力发展更加清洁环保的新能源,但是目前石油和天然气仍旧是中国最主要的能源,同时也是最重要的能源和战略物资。如今我国已经成为了世界油气的开采大国,“西气东输”工程的竣工同时也标志着我国成为油气运输工程的建设大国,油气储运技术位列世界前茅。近些年,中国大力发展油气资源,开发建设了许多油田。其中塔里木油田就是新疆重点建设的大型油田之一。塔里木油田经过多年的开采,生产作业环境日益严峻。长距离的油气输送以及高含C0、HS的开采环境对管材性能要求很高,而双合金复合管既能满足油田作业要求又能保证油气安全生产。本论文研究了英牙凝析油管线卡堵物的成分,通过对316L、2205和低合金钢三种复合管评价、疲劳和腐蚀模拟试验,掌握连续管疲劳性能的主要影响因素及不同环境下的腐蚀状况及抗应力腐蚀开裂情况。经分析英牙凝析油管线发生卡堵事故中,管线卡堵物的主要成分是低温时管壁析出的蜡,5种溶解剂中仅有轻烃对卡堵物有较好的溶解能力。双相不锈钢（2205）、奥氏体不锈钢（316L）和低合金钢均能满足钻井液环境作业要求,其中低合金钢连续管因其成本较低更适合用于此类钻井液环境作业。三种复合管在油田高含C0HS的油气开采环境中都表现出很好的耐腐蚀性能,高强度奥氏体不锈钢在生产环境表现出的耐蚀性最好,但其开裂敏感性较高,在高含HS/CO生产环境作业宜选用双相不锈钢连续管。双相不锈钢和低合金钢在塔里木酸液系统中的腐蚀速率较高,且双相不锈钢在四类鲜酸环境均出现了选择性腐蚀。

关键词：塔里木油田机械复合管耐腐蚀性

L415/316L双金属机械复合管后内焊工艺及接头组织性能研究

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L415/316L双金属机械复合管后内焊工艺及接头组织性能研究

作者：肖军中国石油大学(华东)

学位级别：硕士

双金属复合管性能优异,性价比高,在石油石化、核工业等领域应用广泛。机械复合管相对于冶金复合管具有更高的性价比,但其对接焊接时存在许多问题,焊接接头结构成分复杂,经常出现裂纹、马氏体组织、合金元素稀释、碳迁移等问题,严重影响... 详细信息

双金属复合管性能优异,性价比高,在石油石化、核工业等领域应用广泛。机械复合管相对于冶金复合管具有更高的性价比,但其对接焊接时存在许多问题,焊接接头结构成分复杂,经常出现裂纹、马氏体组织、合金元素稀释、碳迁移等问题,严重影响了双金属机械复合管的性能。本文针对双金属机械复合管焊接问题,采用后内焊工艺焊接,即先焊外部基层碳钢,后焊内部衬层不锈钢的焊接顺序进行焊接,其中基层焊接为ER70S-6碳钢焊丝TIG焊打底,J507焊条手工电弧焊填充盖面,内衬层使用ER625不锈钢焊丝CMT工艺堆焊,对该焊接工艺进行评定,并研究接头组织性能关系。同时使用外焊过渡焊工艺施焊相同母材,即先使用ER316L不锈钢焊丝进行TIG打底焊接,然后使用ER309Mo L不锈钢焊丝进行TIG过渡层焊接,最后使用J507焊条手工电弧焊进行填充盖面焊。对比两种焊接工艺所得焊接接头性能差异,为双金属复合管后内焊工艺的实际应用提供指导,推动双金属复合管的应用。针对CMT内堆焊过程,先进行焊接参数实验,研究焊接参数对焊缝成形的影响。选择焊接电流、焊接速度、摆弧宽度、摆弧频率、摆弧两侧停留时间五组焊接参数,以焊缝宽度、焊缝高度、熔合比为焊缝成形质量评价因素。实验结果表明:影响焊接成型的主要因素是焊接电流、焊接速度以及摆弧宽度,这三个因素基本决定了焊缝宽度及高度。根据实验结果确定后内焊工艺管道内部焊接参数:焊接电流120A、焊接速度5.12mm/s、摆弧宽度5mm、摆弧频率2Hz、两侧停留时间0.05s。性能检测及分析表明,后内焊工艺抗拉强度大于外焊外焊过渡焊工艺,两种焊接接头弯曲实验均合格,但外焊过渡焊工艺弯曲试样内衬层发生扭曲。两种焊接工艺的焊接接头冲击性能均合格,但后内焊工艺抗冲击性能明显优于外焊过渡焊工艺,后内焊工艺平均冲击功为138.5 J/cm外焊过渡焊工艺平均冲击功为47 J/cm,两种接头冲击断口形貌相似,冲击断口韧窝清晰,属于韧性断裂。后内焊工艺接头各方向显微硬度比较稳定,焊缝硬度与母材硬度匹配较好,后内焊工艺避免了脆硬层的出现,有效改善了焊接接头脆硬问题。通过电化学实验研究焊接接头内表面的耐腐蚀性能,动电位电流密度ERNi625焊缝<316L母材

关键词：机械复合管后内焊工艺 CMT堆焊力学性能耐腐蚀性

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机械复合管在海底管道中的应用

管道技术与设备 2012年第1期 32-34页

作者：罗世勇贾旭徐阳黄俊中海油研究总院北京100027

原油、湿气含有CO2或H2S是造成海底管道内腐蚀失效的主要原因之一。机械复合管作为一种新型管材,可以有效解决CO2或H2S造成的内腐蚀问题,在国际上得到了广泛应用,但其在国内油气田开发海底管道中,尚无应用先例。文中介绍了机械复合管的... 详细信息

原油、湿气含有CO2或H2S是造成海底管道内腐蚀失效的主要原因之一。机械复合管作为一种新型管材,可以有效解决CO2或H2S造成的内腐蚀问题,在国际上得到了广泛应用,但其在国内油气田开发海底管道中,尚无应用先例。文中介绍了机械复合管的制造原理、设计制造规范、用作海底管道的技术要求、海上安装技术特点以及应用前景。文中研究了机械复合管在海底管道中应用对设计制造和安装技术的要求,以推动其在国内油气田开发海底管道中的应用。

关键词：机械复合管海底管道 CO2或H2S腐蚀

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机械复合管基管壁厚计算方法探讨

天然气与石油 2017年第2期35卷 26-30页

作者：陈俊文周迎王磊胡连锋郭艳林李科中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司四川成都610041

机械复合管具备良好的抗腐蚀性能和经济性能,应用前景广阔。机械复合管现行设计规范规定其基管壁厚按照设计压力计算,不考虑耐蚀合金内衬的承压作用。为避免基管和内衬分层,机械复合管制造规范要求基管和内衬具有一定的紧密度,这将导致... 详细信息

机械复合管具备良好的抗腐蚀性能和经济性能,应用前景广阔。机械复合管现行设计规范规定其基管壁厚按照设计压力计算,不考虑耐蚀合金内衬的承压作用。为避免基管和内衬分层,机械复合管制造规范要求基管和内衬具有一定的紧密度,这将导致两种管层间产生残余接触压力。残余接触压力和内衬承压的综合影响可能导致基管承压不同于设计压力,需进一步量化上述作用压力,以评估现行计算方法的适应性。基于机械复合管紧密度要求,推算了内衬和基管的残余接触压力,分析了基管在内压下的实际受力情况,提出了另一种基管壁厚计算方法,并探讨了设计规范基管壁厚计算公式的适用性。研究表明,成管紧密度越高,则残余接触压力越大;本文提出的计算方法考虑了内衬承受内压和残余接触压力对基管壁厚计算的影响;中高压下,现行规范基管壁厚计算选取结果高于本文计算方法,说明现行规范计算结果可靠,但本文的计算结果更具经济性。本文的研究成果为集输系统用机械复合管的精细化设计提供了一定的参考与借鉴。

关键词：机械复合管残余压力壁厚计算

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集输系统机械复合管紧密度性能探讨

天然气与石油 2017年第6期35卷 18-23页

作者：陈俊文顾泓王磊刘玉峰李天雷中国石油工程建设有限公司西南分公司四川成都610041 塔里木油田分公司库车油气开发部新疆库尔勒841000

机械复合管具备良好的抗腐蚀性能和经济性能,具有广阔的应用前景。目前,在集输系统中,机械复合管选用条件主要考虑为运行温度、压力和介质特性对内衬抗高温氯离子开裂风险的影响。为保证机械复合管应用效果可靠,现行制造规范进行了基管... 详细信息

机械复合管具备良好的抗腐蚀性能和经济性能,具有广阔的应用前景。目前,在集输系统中,机械复合管选用条件主要考虑为运行温度、压力和介质特性对内衬抗高温氯离子开裂风险的影响。为保证机械复合管应用效果可靠,现行制造规范进行了基管-内衬紧密度规定。实际投产后,管道运行状态复杂,但现行设计规范尚未量化保证机械复合管紧密度的具体指标。为进一步保证高温、高压集输系统合理使用机械复合管,有必要深入探讨在运机械复合管适用工况。基于机械复合管制造阶段紧密度测试方法和指标,结合钢制管道强度理论和自然锚固规律,推导了制造和运行情况下内衬不锈钢的应力计算式,探索性地提出了机械复合管紧密度校核方法,并结合算例进行了探讨与分析。结果表明,机械复合管在制造阶段的坍塌试验产生的内衬轴向压应力较高,超过屈服极限,导致试验后机械复合管紧密度大幅降低;为保证机械复合管紧密度,运行状态下内衬轴向压应力不应超过坍塌试验工况;操作-安装温度差和弹性敷设是影响机械复合管紧密度的主要因素。研究成果为油气集输系统机械复合管的精细化设计提供了一定的参考。

关键词：机械复合管紧密度适用工况热膨胀

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机械复合管管端的耐蚀性

腐蚀与防护 2023年第1期44卷 68-74页

作者：汪建明刘桥林周声结黄锦圳陈大江梁德炽南方海洋科学与工程广东省实验室(湛江) 湛江524002 中海石油(中国)有限公司湛江分公司湛江524057

对油气管道用316L/X65双金属机械复合管管端进行了微观组织观察、化学成分分析及耐晶间腐蚀、点腐蚀性能评价。结果表明:复合管管端堆焊层分为内外两层,显微组织为柱状树枝状奥氏体组织,外层相比内层晶粒更细小,且外层堆焊层具有良好的... 详细信息

对油气管道用316L/X65双金属机械复合管管端进行了微观组织观察、化学成分分析及耐晶间腐蚀、点腐蚀性能评价。结果表明:复合管管端堆焊层分为内外两层,显微组织为柱状树枝状奥氏体组织,外层相比内层晶粒更细小,且外层堆焊层具有良好的耐蚀性;复合管管端的晶间腐蚀性能符合工程应用要求,耐点蚀性能由弱到强依次为316L-Inconel625、316L衬管、Inconel625堆焊层,温度升高会显著降低管端的耐点蚀性能,因电偶作用316L衬管与Inconel625堆焊层连接处的316L更易发生腐蚀。

关键词：机械复合管管端 Inconel625 点蚀

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316L/X65复合管管端的耐腐蚀性研究

热加工工艺 2024年第4期53卷 51-57页

作者：汪建明曾庆杨周声结黄锦圳陈大江梁德炽王文龙南方海洋科学与工程广东省实验室(湛江) 广东湛江524002 中海石油(中国)有限公司湛江分公司广东湛江524057

对油气管道用316L/X65双金属机械复合管管端进行了微观组织分析、成分分析及晶间腐蚀、点腐蚀测试。结果表明,复合管的化学成分符合条件,性能都满足要求。复合管管端堆焊层分为内外两层,Inconel625堆焊层组织主要为奥氏体组织,外层相比... 详细信息

对油气管道用316L/X65双金属机械复合管管端进行了微观组织分析、成分分析及晶间腐蚀、点腐蚀测试。结果表明,复合管的化学成分符合条件,性能都满足要求。复合管管端堆焊层分为内外两层,Inconel625堆焊层组织主要为奥氏体组织,外层相比内层晶粒更细小,因内层堆焊层的阻隔作用,外层堆焊层没有受到X65基管的影响,保持了良好的耐蚀性能,复合管管端晶间腐蚀测试符合工程应用要求,耐点蚀性能由低到高的顺序为316L-Inconel625焊接区管管端的耐点蚀性能。316L衬管与Inconel625堆焊层之间的焊接区因电偶作用,使得316L更易发生腐蚀。

关键词：机械复合管管端 Inconel 625 点蚀

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机械复合管接头高温高压腐蚀性能研究

铸造技术 2014年第7期35卷 1526-1528页

作者：庞大海广州民航职业技术学院广东广州510403

以X70和316L机械复合管为研究对象,对机械复合管进行了焊接试验,研究了焊接接头在高温高压下CO2腐蚀行为。结果表明,随着腐蚀温度的增加,焊接接头处的腐蚀速率逐渐增大;经过去膜处理后焊接接头发生了均匀腐蚀,未见局部腐蚀或者点蚀现象。

关键词：机械复合管焊接腐蚀