（机械工程专业论文）油气输送用erw钢管焊缝质量影响因素及缺陷无损检测工艺的研究.pdf

中文摘要 论文题目：油气输送用e r w 钢管焊缝质量影响因素及缺陷无损检测工艺的研究 专业：材料加工工程 、 硕士生：张鸿博( 签名) 盘壁螳 指导教师：高惠临( 签名) g 蓟i 篙 冯耀荣( 签名) 么垄丕墅圣至0 摘要 e r w 钢管是应用于油气输送管线的一种常用钢管类型。我国e r w 钢管生产、检验 技术水平相对较低，主要表现在焊缝质量控制不稳定、缺陷检测水平相对较低等方面。 本课题通过试验，对影响e r w 钢管焊缝力学性能质量的相关因素进行了研究，系 统地分析了影响焊缝力学性能的各相关因素，提出了改善焊缝力学性能的措施。 通过研究发现，e r w 钢管力学性能尤其是韧性性能受焊接功率、焊接速度、成型开 口角度、挤压量、热处理工艺、板边加工质量、原材料性能和组织等因素影响，且焊接 功率、焊接速度、开口角度等因素之间有相关联系。对于壁厚1 4 0 i i i l 钢管，在采用开口 角为4 7 0 、挤压量为4 m m 、焊接速度为1 5 m m 抽、焊接功率为6 8 0 k w 、热处理温度为 9 6 0 时，生产出了焊缝冲击功高、组织均匀、性能稳定的e r w 钢管。 本课题通过试验，对影响e r w 钢管焊缝沟腐蚀敏感性的因素进行了研究，结果表 明e r w 钢管焊缝沟腐蚀敏感性与母材化学成分、焊缝组织、流线角度、亮线宽度有关。 通过研究得出，要达到高质量的焊缝力学性能及较低的焊缝沟腐蚀敏感性，应该采 取的措施有： 原材料质量控制：尽量降低c 、s 、p 含量，增加适量的c u ，严格控制m n s i 的 比例，母材组织应无偏析且夹杂物少，钢卷板边质量良好； 合理选择开口角度9 、焊接速度v 、挤压量、焊接功率和热处理温度。开口角度 在4 7 0 为宜，热输入功率增大时，应相应提高v 0 乘积值； 将焊缝流线角度控制在5 0 7 0 0 ，焊缝亮线宽度控制在o 1 5 姗内； 控制板边加工质量和成型质量，板边应无错边、毛刺、局部变形，推荐采用铣边。 针对钢管缺陷无损检测，本课题从焊缝检测工艺、焊缝检测灵敏度对比试块、焊缝 检测探头的选择、管体缺陷检测工艺等几个方面进行了分析和讨论，优化设计出相关的 检测工艺和方法，通过钢管实物检测验证得到了良好的效果。优化设计的各检测工艺和 方法如下： 焊缝检测采用4 组斜探头、1 个直探头的检测工艺：其中3 组斜探头检测焊缝纵 n 中文摘要 向缺陷，分别检测钢管壁厚的上部、中部及下部；1 组斜探头检测焊缝横向缺陷；直探 头位于焊缝上进行焊缝毛刺状况监控： 焊缝检测用灵敏度对比试块为不同位置加工有n 5 内刻槽、n 5 外刻槽、1 6 姗 竖通孔、1 6 咖横向钻孔的对比试块； 焊缝检测斜探头参数选择时应合理选择k 值和晶片尺寸；提出了适应于大曲率钢 管焊缝检测的曲面探头的制作方法；针对手工超声波探伤，提出了一种简便的毛刺回波 和缺陷回波的识别方法： 管体分层检测应优选钢管离线分层检测的工艺方式；使用不同聚焦深度的聚焦探 头，使用加工有不同人工反射体的灵敏度对比试块( 多个6 姗平底孔，深度分别为 1 2 w t 、l 4 w t 、3 4 w t ) 。 关键词：e r w 钢管焊缝质量沟腐蚀敏感性无损检测工艺 论文类型：应用研究 i i i 英文摘要 。一_ i - _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ - - - _ - _ - - _ - - i _ _ - - _ - _ _ - _ - - _ - _ - _ - - _ - 一 s u b j e c t ： s t u d yo ff a c t o r si n n u e n c e de r wp i p ew e l ds e a mq u a l i 锣a n di m p e r f b c t i o n n o n d e s t r u c t i v e1 1 e s t i n g7 r e c h n i q u e s p e c i a l i 够： m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e l i n g n a m e ： z h a n gh o n g b o( s i g n a t l l r e ) i n s t m c t o r ：g 粕h u i l i n ( s i g n a t i i r e ) f e n gy a o r o n g ( s i g n a t u r e ) h 岛幻 a bs t r a c t e r wp 啦i sm 0 s t l yu s e di no i l & g a sp i p e l 妇t h em 籼f a c t u l 妇ga 1 1 di n s p e c t i o n t e c l l i l i c a ll e v e lo fh o m e m a d ee r w p i p ea r es o m e1 0 wc o m p a r a t i v e l y ，e s p e c i a l l yi nw e l ds e 锄 q u a l 畸c 0 n t r o la n di i n p e r f e c t i o ni 1 1 s p e c t i o n 1 1 1 i sp a p e rs t l l d i e da 1 1 da n a l y z e dt h ef a c t o r si n f l u e n c e dt h e 、l ds e 锄q u a l i 吼p u tf o r w a r d m em e 硒e sh n p r o v i n g 也ew e l ds e 锄m e c h a i l i c a lp r o p e 啊1 1 1 e 吣s h o w s 也a tw e l ds e 锄 m e c h a l l i c a lp r o p e r 吼e s p e c i a lf o rt o u g l l i l e s s ，i sa 彘c t e db yw e l d i 】唱p o w e r ，w e l 曲喀v e l o c i 魄 v - a 1 1 9 l e ，e x 觚s i o nf o r c e ，s e 锄h e a t 骶a ：h 1 1 e n t ，p l a t ee d g e 删n y 锄1 d 均w m a t e r i a lq 嘣i 劬疵 畦l ef a c t o r ss u c h 嬲、e l d i n gp o w 、e l d i n gv e l o c i j 晚v - a 1 1 9 1 ei sc o r r e l a t i v c t h ef o l l o 咖g m a n u f a c t u r i n gc o n d i t i o n ，v - a n g l e 嬲4 7 。，e ) 【n m i o nf o r c e 嬲4 衄，w e l d i n gv e l o c 毋a s 1 5 i n m 氓w e l d i n gp o w e r a u s6 8 0 妣s e 锄h e a t 仃e 锄e n tt 锄p e r a t 呱c2 l s9 6 0 ，c o 栅b u t e dt o w e uw e l dm e c h a n i c a lp r o p e 啊f o re r wp i p eo f 、树l 也i c k n e s s 嬲14 m m 眦sp 印e rs 砌i e d 觚d 酬y z e d 恤f a c 吣砌u e n c e de r wp 耻w e l ds e 锄g r o o v i n g c o n o s i o n t h e 鲰i d ys h o w st l 协s e 锄g r o o v i i l g c o d s i o ns e n s i t i v 埘i s 胡e c t e db yp i p e 出疵c a lc o m p o s i _ t i o n ，w e l ds e 锄m i c r o 姗c n 鹏，w e l ds e 锄m 砌n o wl 妣a n dw e l ds e 撇 w i d m n l e 蛐s l l o w s 也a t t l l ef o l l o w i i l gm e a s u r e ss h a l lb ea d o p t e df o ri i i l p r o v i r 培e r p i p e w e l ds e 锄q 砌埘f o rc h e 缸c a lc o m p o s i t i o n ：l o w e rc o n t e mo fc ，s ，p ；a p p r o p r i a t e c 0 n t e n to fc u & m i l s i f o rm w m a t l 斑a lm i c r o s 伽t u r e ：n os e g r e g a t i o n ，l o wn o m e t a l l l c m c l u s i o n g o o dq u a l 毋o fc o ne d g e a p p r o p r i a t ep a r 锄e t e r s ：v - a n g l e ( s u g g e 僦弱4 7 。) ，w e l d 堍v e l o c 时，e x 咖s i o nf o r c e ，w e l d 吨p o w e r ，s e 锄h e a t 仃e a t m e n t i t i sb 张r 钌1 a tw e l ds e 锄m 刚f l o wl i l l ea i l g l ei s5 0 7 0 0 ，w e l ds e 锄谢d t hi s o 15 m m t h eg o o d q 嘣姆o fp i p ef o 硼i n ga n dp l a t ee d g em i l l i n g 英文摘要 t 1 1 i sp a p e rs t u d i e da 1 1 d 锄a l y z e dt 1 1 e 、e l du t ( n o n d e s n l l c t i v et e s t i n 曲掀蛐q u e ，u t b l o c kt e c q u e ，u tp r o b et e c h l l i q u ea n dp i p eb o d yu tt e c h n i q u e t h es m d ya n dt e s ts h o w s t l l a tm ef o l l o 丽n gt e c h i l i q u ec a ni n l p r o v em e 曲p e r f e c t i o nd e t e c t a b l er a t e p r o b el a y o mf o r w e l du t ：t h r e es e t sa n g e lb e 锄p r o b ef o r1 0 n g i t u d i m lw e l di m p e r f e c t i o n ，r e s p e c t i v e l yf o r s o u n db e a ma i m i n ga tw e l du p s i d e ，w e l dc e n 扛a ls e c t i o 玛、 ，e l dd o w n s i d e o n es e ta i l g e lb e 锄 p r o b ef o rt r & n s v e r s e s 、l di m p e r f e c t i o n o n es 舰i g h tb e 锄p r o b ef o rm o l l i t o rt l l ew e l ds e a m b u r rc o 诎i o n w - e l du ts e n s i t i v i 够b l o c k ：o u t s i d en o t c h ( 5 w d ，h l s i d en o t i 出( 5 w d ， 1 6 m md r i l l e dh 0 1 e ( m 1w e l ds e c t i o n ) ，01 6 n l i nd r i l l e d h o l e ( 1 a i l d s c 印eo r i e m 撕0 n ) t h e p r o b ep 嘲m e t e rs m lb es e l e c t e dp r o p e r l y ，e s p e c i a l l yf o rkv m e & p r o b ee l e m e n ts i z e n e m i l l i n gm e m o df o r v ，时，焊接点接近于v 型收缩点，此时管坯边缘断面在v 点被连续地焊接， 为第一类焊接现象，如图2 - 2 0 ( a ) 。由于焊接热输入不足，钢板两边表面形成的氧化物 难以被挤出表面而残留在焊缝中，易形成冷焊缺陷。 当v a = v r 时，在汇聚点v 前端形成长度为0 1 5 姗的两边平行的间隙。在v 点 附近，熔融金属不断在边缘缝隙间形成，构成桥式连接。同时，熔融金属过桥沿边缘缝 隙向w 点移动，此时焊接过程间隙进行，为第二类焊接现象，见图2 2 0 ( b ) 。 当v a v r ( b ) v a = v r( c ) v a 0 6 、m n 1 5 时，将 降低韧性。在1 1 1 5 ，m s i 比例为4 5 7 之间时，焊缝冲击功比较稳定。 ( 2 ) 原材料组织状态的影响 钢板的晶粒度和非金属夹杂物对焊缝韧性有直接的影响。钢板轧制时，当非金属夹 杂物较多且呈不均匀分布时，会产生沿轧制方向延伸的带状组织( m a 或珠光体) 和夹 杂物，形成一种金属流线的形态【1 5 】。晶粒越粗大或非金属夹杂物越多，则金属流线越明 显。在焊接时，在挤压辊的挤压作用下，钢板偏析带内的大量非金属夹杂物会沿着金属 流线进入到焊接熔合区，这时严重影响焊缝的冲击韧性。因此，应严格控制钢板的组织、 晶粒度、夹杂物、带状组织等，尤其是钢板边缘的质量。 根据硬组织带的条数，母材带状组织可分为4 级。当带状组织有3 条或大于3 条时， 在钢管成型焊接后，这些带状组织大多数都被挤在焊缝熔合线上，使本应该白的发亮的 熔合线( 脱碳线) 变得全是黑点( m a 或珠光体) ，从而影响焊缝的冲击韧性值，如图 2 2 4 。 西安石油大学硕士学位论文 围2 2 4 焊缝部位低倍照片 ( 3 ) 扳卷外形质量的影响 e r w 钢管生产所用板卷的外形质量对钢管焊缝的质量也有一定影响。钢卷若存在 塔型、月牙弯等现象时，其板形和板边不规则，会影响钢管成型质量，可能出现板边局 部延伸、翘曲等问题。即使在后续的钢板机械加工后也难以保证板边以“i ”型状况进 行焊接，从而出现错边、末焊透等缺陷。因此，板卷生产中应控制钢卷外形质量，一般 要求钢卷塔型不超过5 0 衄。 ( 4 ) 板卷生产控制 e r w 铜管焊缝性能和板卷的化学成分和力学性能有关。为了保证卷板质量，应特 别重视化学成分设计。为了改善低温韧性、断裂抗力及延性，现代管线钢的含碳量越来 越低于a p is p e c5 l 标准要求的最大舍碳量，通常低于o 1 ，甚至达到00 1 0 0 4 的 超低量。减少钢中含碳量使屈服强度下降可以用m n 的强化作用补偿。 h 1 可以提高钢 的韧性、降低钢的韧脆转变温度，但m n 过多会加大控轧钢板的中心偏析，m n 一般控 制在l1 l5 。为了增大钢板的应力腐蚀抗力，减少硫化物夹杂、特别是条状硫化物 夹杂，要求s 含量不太于o0 0 5 还可加入c a 使硫化物夹杂成球形。应尽可能降低p 含量以减小钢板的冷脆现象。加入微量n b 、v 、t i 等强碳化物形成元素是获得高强度 韧性钢板的重要手段，n b lv 、t i 等不仅有显著的细化晶粒作用，而且有很强的沉淀强 化效果。 钢材应采用吹氧转炉或电炉炼制，加微量c a 、n 进行球化处理，真空脱气。采用 电磁搅拌技术、轻压下等技术改善成分、组织的不均匀性，控制钢板的晶粒度( 晶粒度 应符台a s l m e l l 2 规定9 级或更小尺寸) 、夹杂物及带状组织。小口径e r w 钢管生产 时，采用分裁卷板生产对钢板成分偏析、夹杂物等要求更为严格，重要用途的钢管应避 免采用中间分裁的卷板。 2 4 5 成型质量对焊缝质量的影响 成型质量指钢板的边缘形态质量，成型质量也影响焊缝的力学性能和缺欠发生率 2 6 第二章既r w 钢管焊缝力学性能影响因素研究 成型状况对焊缝质量影响主要表现在钢板对焊时板边的平齐状况、原材料扳边质量 及钢管成型时的残余应力方面。以下探讨各种情况对焊缝质量的影响。 板边的平齐状况直接影响了焊缝边缘的错边量、焊接内毛刺大小、焊缝成型的形貌。 从以上2 3 节中第1 种工艺试生产时可以看出若板边呈现v 型，内毛刺大小不一，氧 化夹杂物难以排出，直接影响焊缝的性能。因此，钢板对焊两边表面应平行，在进入挤 压辊前应尽量平齐，保证两扳边以“i ”字型进行焊接。此时袷壁厚方向能均匀加热和 挤压，焊缝氧化物易于排出。 原材料板边质量指扳边的几何形态状况。原材料的镰刀弯、边浪、两侧强度较大差 异和钢卷的严重塔型均直接影响板边对焊时的状况。因此，应该严格控制钢卷的板边几 何质量。 e r w 钢管成型时的残余应力对焊缝质量有一定的影响【旧。e r w 焊管成型过程可分 为两个阶段，见图2 2 5 。第一阶段为弯曲变形，第二阶段为减径变形。在钢管成型过程 中，钢管内层始终受周向压应力进行压缩变形。外层在精成型前的弯曲过程中受周向拉 应力进行延伸变形，在精成型及定径过程中，钢管外层受压应力作用而进行压缩变形 且不同规格的e r w 焊管，其外层最终应变也有差异。由此可见，e r w 焊管内外层在制 管过程中周向应变是不一致的，应力状态及应力大小也随之改变，各层之间的应力差异 是形成残余应力的原因。 掎压括成型线性虞醒预襁弯设 图2 _ 2 5 钢管成型过程 e r w 钢管成型时的残余应力会导致成型过程中出现板边的局部变形，即钢带对中 不电、不对称弯边、周向和轴向不对称变形等。受这些医索的影响，精成型的带钢边缘 在弯曲弹复应力作用下产生不对称回弹，使v 形区钢带边缘高度或宽度在连续生产过 程中出现不一致，或带钢边部失稳而形成鼓包，从而影响钢带边缘高频电流的邻近效应 或电流分布，并可能产生局部冷焊或错边缺陷。局部变形与成型方式和原材料两侧强度 差异有关。成型中钢板由平直状态经过轧辊的逐渐弯曲变成待焊的圆管坯，在这个过程 中钢板产生较复杂的横向和纵向变形。钢板边缘相对会产生沿纵向的伸长，其伸长量与 成型铜管管径和成型变形区长度有关。一般管径越大，成型变形区越小，其伸长量越大。 钢板边缘的伸长易产生边缘波纹、折皱、鼓包等缺陷，这些缺陷的产生导致钢板对焊两 边不能在平行状态下焊接。因此，应尽量延长钢管成型变形区的长度。钢管宜径和壁厚、 西安石油太学硕士学位论文 轧辊孔型调整不同，所产生的边缘延伸及鼓包现象就不同。一般钢管壁厚与直径之比 m 较小时，易产生鼓包等缺陷。 为减小残余应力对于焊缝质量的影响，侧重于避免焊接前带钢的不对称变形或减 小回弹两个方面- 就避免不对称变形而言，应对钢带的镰刀弯、边浪、两侧强度差异和 卷形控制建立必要的技术和监控规范，并在成型过程中注意钢带的对中情况、弯边的对 称性和下山量的合理设置等。减小回弹主要从精成型的缩减量与道次缩减量合理分配着 手。直径2 1 9 m m 以上的e r w 焊管，其精成型缩减量不应小于6 衄。值得注意的是， 过小的道次缩减量对于减小钢带残余应力作用不大特别是精成型最后一架应有一定的 缩减量，这对稳定带铜边部至关重要。 影响钢管成型质量状况除板边加工质量外，由成型设备和方法所决定。成型设各 有多种形式，本课题研究使用的成型设备采用f f ( f 1 e x i b l ef o m i n 2 ) 成型技术。这是 一种多功能轧辊技术，在机组的能力范围内，通过调整一套公用轧辊的位置与角度，可 生产出不同规格的e r w 钢管。f f 成型采用轧辊分体组合技术，由边缘+ 中央+ 边缘三 端组成。孔型设计时，保证了钢带中央无拘束自由变形，钢带两边缘微张力弯曲，边缘 辊采用的是渐开线曲率成型辊，不同的管径对应着不同的成型半径。 传统e r w 生产线采用传统轧辊成形( 如图2 - 2 6a ) 采用平辊、立辊对钢板进行 变形弯曲，这种成型方式容易出现板边鼓包变形等缺陷。比较先进的e r w 成型方式为 “排辊成型( c a g er 0 l if o r m i n g ) ”方式( 如图2 2 6b ，c ) 采用根据钢板自然成型曲线 密集排列的许多小辊，使管坯接近连续的自然成型。这种方法可以减小板边回弹，防止 产生板边波纹、鼓包的缺点。同时，成型底线采用下山法( d o nh i l l ) ，以调整每对轧 辊的高度，使管坯出孔型后相对变平直，有利于减小板边缘和中心的纵向延伸，降低钢 管残余应力( 州f 1 钔。 镢 、“ ( a ) 传统辊式成型方法( b ) 排辊成型方法 ( c ) 排辊成型方法俯视图 匪2 2 6 成型方式的改进 第= 章e r w 钢管掉缝力学性能影响园桑研究 2 4 6 板边加工对焊质量的影响 在e r w 钢管成型前对板边进行机械加工，确保了钢板成型宽度，并且去除了钢板 边缘的氧化物，有利于焊接质量。但板边加工质量不同，对焊缝性能也有影响。 如图2 2 7 所示是目前常见的两种板边加工方式。( a ) 图为使用剪刃加工的剪边方 式，( b ) 图为使用铣刀加工的铣边方式。 ( a ) 剪切后板边( b ) 铣削后扳边 图2 2 8 剪边和铣边后板边金属漉线对比 综上所述，板边加工应选择铣削的方式进行。 2 5 本章小结 本章的试验研究结果表明，e r w 钢管力学性能尤其是韧性性能受焊接功率、焊接 速度、成型开口角、挤压量、热处理工艺、板边加工质量、原材料性能和组织等因素影 响，且焊接功率、捍接速度、成型开口角等因素之间有相关联系。 西安石油大学硕士学位论文 对于壁厚1 4 n 1 i i l 钢管，在采用开口角为4 7 0 、挤压量为4 1 1 1 i n 、焊接速度为1 5 删，m i n 、 焊接功率6 8 0 k w 、热处理温度9 6 0 时，生产出了焊缝冲击功高、组织均匀等各项质量 性能稳定的e r w 钢管。 本章研究表明，要达到高质量的焊缝力学性能，应该采取的措施有： 严格控制原材料质量，包括化学成分、金相组织、夹杂物、钢卷外形质量等。 在板卷化学成分设计中，应尽量降低c 、s 、p 含量，严格控制m 1 1 s i 的比例。试验结 果表明，在低的s 含量、m n 含量在1 1 1 5 ，m i l s i 的比例在4 5 7 之间的条件下， 能得到较好的焊缝力学性能。板卷组织应无偏析，夹杂物少，晶粒度应至少9 级，带状 组织优于3 级；钢卷板边应质量良好，钢卷无大的塔型等现象； 在钢管焊接过程中，应合理选择开口角0 、焊接速度v 、挤压量、焊接功率和 热处理温度等。试验结果表明，开口角在4 7 0 为宣，热输入功率增大时，则应相应提 高v 0 的乘积值； 在钢管焊接过程中，应将焊缝流线角度控制在5 0 7 0 0 ，焊缝亮线宽度控制在 0 1 5 m m 内，这时候夹杂物能得到有效挤出，焊缝力学性能稳定； 应控制板边的加工质量和成型质量，保证板边无错边、毛刺、局部变形等，推 荐采用铣边进行板边加工。 3 0 第三章e r w 钢管焊缝抗沟腐蚀性能影响因素研究 第三章e r w 钢管焊缝抗沟腐蚀性能影响因素研究 e r w 钢管在油气输送管线等应用中会发生一种特有的沟状腐蚀现象，即焊缝的局部 选择性腐蚀。许多事例表明，焊缝区在几个月到一、二年内首先发生点蚀，然后这些蚀 孔连续发展，沿焊缝发展并向焊缝两侧母材侵蚀而形成沟槽状腐蚀形态，从而大大影响 钢管的使用寿命1 9 1 。本章将通过试验，研究影响e r w 钢管焊缝沟状腐蚀的因素，提出 改善措施，从而减少或抑制沟状腐蚀的发生。 3 1 试验方法 选取不同厂家生产的钢管，首先对钢管取样进行化学成分分析和焊缝金相检验；其 次，对焊缝部位取样进行焊缝抗沟腐蚀性能试验。试验采用动态浸泡试验法测定钢管的 焊缝沟状腐蚀敏感系数和母材腐蚀速度。 焊缝沟状腐蚀敏感系数定义为下式( 如图3 1 所示) ： a = h 2 m l = ( h 1 - h 2 + 1 1 ) 1 1 式中：h 1 管体部位腐蚀厚度； h 2 焊缝腐蚀厚度； h - 试验后腐蚀沟槽的深度。 h 1 试样原始壁厚； h 2 试验后试样壁厚； 焊缝 图3 1沟腐蚀敏感系数测量示意图 母材腐蚀速度定义为下式： 腐蚀速度= 聊( a d d ： 式中：w 二金属重量减少，单位g ； a - 试样暴露面积，单位c m z ； 试验周期，单位h ； k - 常数，o 0 0 3 2 7 ； d 一密度，7 8 6 幽浊3 。 西安石油大学硕士学位论文 在e r w 钢管上沿纵向焊缝切取5 0 4 0 姗的试样，厚度为原始壁厚，焊缝居于试 样中部。将试样表面用1 8 0 号砂纸磨光，用丙酮、无水乙醇依次清洗，干燥后放入干燥 器内备用。在试验前后将e r w 输送管样品用分析天平逐个称量，精确到o 0 0 1 9 。在试 验前后用读数显微镜测量所有样品焊缝区域的厚度，精确到0 0 1 n 吼。试验时将试样全 浸在3 5 n a c l 水溶液中进行。试验温度为室温，试验周期为1 8 0 天。流速为1 “s ，温 度为4 0 。 3 2 试验材料及设备 试验所用材料见表3 1 ( 为了得到更加普遍的规律，增加了用作套管的e r w 钢管 进行试验) 。 表3 1 试样基本情况 试样编号 钢管生产厂钢级规格( 胁) p l 川崎制铁 x 5 2 2 7 3 6 0 p 2n k kx 5 2 2 7 3 6 o p 3 新日铁x 5 22 7 3 6 0 p 4 住友金属 x 5 2 2 7 3 6 o p 5 宝鸡石油钢管厂t s 5 2 k2 1 9 1 6 o p 6 宝鸡石油钢管厂 s m 4 1 b 2 7 3 7 0 9 p 7 宝鸡石油钢管厂 x 6 0 1 5 9 6 o c l 新日铁j 5 513 9 7 6 2 c 2新日铁j 5 51 3 9 7 9 1 7 c 3 新日铁 j 5 51 3 9 7 l o 0 3 c 4 新日铁 n 8 013 9 7 7 7 2 c 5 新日铁 n 8 013 9 7 7 7 2 c 6韩国 j 5 5 3 3 9 7 1o 5 4 c 7n k kn 8 02 4 4 5 1 0 0 3 试验所用设备：直读光谱仪( b a m ds p e c t r o v a c 2 0 0 0 型) 、金相显微镜( m e f 3 a 型) ；采用的动态浸泡试验的装置为管材研究所自制半密封恒温动态模拟装置，如图3 2 所示。 3 2 第三章e r w 钢管焊缝抗沟腐蚀性能影响因素研究 图3 2 动态浸泡试验装置 3 3 试验结果 e r w 钢管化学成分分析结果见表3 2 ，焊缝金相检验结果见表3 3 。用作输送管线 的e r w 钢管焊缝沟腐蚀敏感系数及母材腐蚀速度测定结果见表3 - 4 。用作输送管线的 e r w 钢管腐蚀后试样外观形貌见图3 3 。 所有用作套管的e r w 钢管在试验周期内均未出现明显的沟状腐蚀现象，且其母材 也表现出良好耐蚀性，仅c 6 样品稍差，但也无明显腐蚀深度。用作套管的e r w 钢管腐 蚀后试样外观见图3 4 。 表3 2e r w 钢管化学成分分析结果( 州) 试样编号 cs in h lpsc uc rv面n b p lo 0 7o 1 61 1 60 0 1 5o 0 0 60 0 1 00 0 2 3o 0 1 0o 0 0 7o 0 3 4 p 2o 1 6o 2 10 8 2o 0 1 80 0 0 50 0 0 7o 0 3 2o 9 1 90 0 0 70 0 3 2 p 3o 0 8o 2 3o 9 1o 0 1 40 0 1 20 0 0 7 0 0 1 5o 0 1 0o 0 0 70 0 1 8 p 40 1 40 1 3o 7 20 0 1 6o 0 0 4o 0 0 8o 0 2 l0 0 l o0 0 0 7o 0 3 0 p 50 1 5o 2 11 2 2o 0 2 0o 0 1 8o 0 0 7o 0 2 30 0 1 0o 0 0 7o 0 2 9 p 6 o 1 8o 2 0o 6 70 0 1 1o 0 0 60 0 0 7o 0 1 40 0 1 0o 0 0 7o 0 0 2 p 7o 0 7o 2 91 2 40 0 1 4o 0 1 1o 0 4 10 0 1 00 0 1 0o 0 0 70 0 5 4 c lo 0 5o 2 21 4 0o 0 0 90 0 0 40 3 0 o 0 30 0 3o 0 3 3 c 2o 0 5 o 2 01 3 30 0 l o0 0 0 30 3 l o 0 3o 0 3o 0 3 2 c 3o 0 60 2 11 3 0o 0 1 10 0 0 30 3 0 o 0 3o 0 30 0 2 9 c 4 0 1 0 0 2 01 6 3o 0 0 9o 0 0 30 2 90 0 3o 0 30 0 4 3 c 5o 1 0o 2 21 6 30 0 0 9o 0 0 30 2 9 o 0 3 0 0 30 0 4 0 c 6 0 1 2 o 2 01 1 8o 0 1 60 0 0 4q 0 0 5o 0 l p 5 p 4 p 3 p 2 p 1 可见，宝鸡石油钢管厂生产的e r w 输送管焊区耐蚀性最差，住友金属较差，川崎 制铁、n k k 、新日铁较好。在试验周期内，用作套管的e r w 钢管未发生沟腐蚀现象， 说明这些样品沟状腐蚀敏感性较小，母材耐蚀性也较好。 e r w 钢管焊缝沟腐蚀的实质是由于焊缝及热影响区与基体在腐蚀介质中的电化学 特性差异引起的局部选择性腐蚀，腐蚀断面呈现v 字形沟槽。e r w 钢管焊接过程中内 外焊缝毛刺被刮除，金属流线暴露在管子内外表面，沿金属流线分布的s 夹杂物直接 露在钢管表面。这些富s 区活性较大，当遇到腐蚀介质( 典型时为充氧的c 1 介质中) 时， 富s 区对于管体母材呈阳极，被优先腐蚀，在m n s 夹杂物周围形成蚀坑，这就是沟状腐 蚀的源点。e r w 钢管的焊缝相对于基体金属组织存在差异而呈现阳极特性，焊缝腐蚀电 位低于基体金属约2 0 6 0 i n v ，由于偏离腐蚀电位的弱阳极极化，焊缝和基体金属组成的 电偶对加速了焊缝金属的溶解，最终在焊缝部位形成沟槽状腐蚀【2 例。 影响沟腐蚀敏感性的主要因素有材料本身和所处环境中溶解氧和n a c l 含量，以下 仅从e r w 钢管本身几个方面分析影响焊缝沟腐蚀性能的因素。 3 4 1 母材化学成分的影响 从表3 2 试验用钢管的化学成分可以看出，几种e r w 输送管的s 含量约为o 0 1 ， 远高于用作套管的e r w 的s 含量( 0 0 0 4 左右) 。s 含量增大了e f 唧输送管的沟状腐蚀 敏感性，因此应该严格控制s 含量。低s 可抑制作为沟状腐蚀源点的m n s 的形成，从 而降低沟腐蚀敏感性。 从表3 2 试验结果可以看出，沟腐蚀敏感性低的钢管，其c 含量普遍较低。当c 以 碳化物形式存在于钢中时，是不耐蚀的。低c 可消除金属组织的差异，可以减少f e 3 c 含量，抑制局部电池的形成，从而提高抗沟腐蚀能力。因此应采用较低的含c 量。 从表3 2 试验结果可以看出，试验用的七种用作套管的e r w 钢管样品中有五种添加 了约o 3 0 的c u ，这也是其耐沟状腐蚀的主要原因之一。加入c u ，可以改变夹杂物的 形态，使之与s 结合形成c u s 夹杂物。由于c u 的硫化物可形成固溶体分散在母材中， 因此通过焊后的热处理，可消除m n s 周围的富s 区，降低了沟状腐蚀的敏感性。 石油管材研究所对进口国外e r w 套管的试验结果【2 】表明，进口e i 州套管的化学成 分有两个显著的特点，一是s 含量很低，一般不高于0 0 0 4 ，二是添加了适量的c u 、 n 等合金元素，c u 的添加量一般为o 3 0 。这说明采取适当措施减少钢中s 含量，添加 3 8 第三章e r w 钢管焊缝抗沟腐蚀性能影响因素研究 适量的c u 等元素将大大降低e r w 钢管的沟状腐蚀敏感性。因此，应增加c u 等元素以 改变s 的存在形式。另外，为了增加焊缝耐蚀性，可适当增加n i 、n b 、砧、n 等耐 腐蚀元素。 3 4 2 母材组织的影响 在h 刑钢管焊接时，焊接区域的显微组织和夹杂物形态等发生了改变，焊缝的组 织一般为珠光体与铁素体或贝氏体、回火索氏体。采用图像分析仪对焊缝区域的组织进 行定量分析，发现即使焊缝和母材组织相似，同为珠光体与铁素体，但焊缝的珠光体含 量明显低于母材和热影响区( 表3 5 ) 。这种显微组织的差别导致处于腐蚀介质中的焊缝 和母材间存在电位差异，电位差异会引起焊缝选择性腐蚀。 表3 5e r w 钢管焊缝定量金相分析结果( ) 区域 焊缝热影响区母材 珠光体含量 1 4 9 8 32 7 6 8 81 8 1 6 6 焊缝组织的改变可采用焊缝热处理方式进行。应采用合理的热处理工艺以减少焊缝 与基体之间的组织差别，并缩小m n s 夹杂物周围的硫富集区的面积。图3 5 为热处理 温度对沟状腐蚀的影响关系【2 1 1 。 一o 墓 嫠o 蠢 键 薹o o j、 _ ，t f 一 t 彳弋! ? ， ， ， ，严。 j- - - e、 厣 、 澎 r 厶一a 热处理温度( ) 图3 5 热处理温度对沟状腐蚀的影响 3 4 3 焊缝流线角度的影响 e r w 钢管焊接时熔融金属在挤压力作用下被挤出焊缝，并在其后的工艺中被去除， 造成焊缝部位金属流线上升和大量的流线露头，使得带状偏析内的m n s 等夹杂物直接露 于表面，易于被侵蚀。金属流线角越大，流线露头和夹杂物暴露增多，沟状腐蚀敏感性 增大。流线角度太小，夹杂物无法全部挤出去，导致焊缝韧性降低及焊缝缺陷几率的增 大。 3 9 西安石油大学硕士学位论文 从表3 3 可以看出，试验钢管的焊缝沟腐蚀敏感性低的试样，其流线角度均大致在 5 0 7 0 。之间。因此，为了减小焊缝沟腐蚀敏感系数，应控制金属流线角度在5 0 7 0 0 之间。 3 4 4 焊缝亮线宽度的影响 e r w 钢管焊接时由于集肤效应，仅焊接部位金属被熔化。由于温度很高，熔融金属 脱碳，e r w 焊缝的碳含量低于基体金属，焊合后在焊缝处形成一条宽约0 0 2 0 2 0 n 1 i n 的亮线带。焊缝部位贫c 成为腐蚀阳极，导致沟状腐蚀敏感性增大。文献表明瞄】，高碳 钢在含0 2 盐水中的电化学试验显示较高的不耐蚀性，可能是大量的珠光体将腐蚀势能 轻微地转移向正方向。如果两种不同碳含量的钢通过高频电阻焊相接触，低碳含量的钢 将沿正方向弱极化，有较大含量珠光体的金属趋于阴极化，焊缝微弱地变向阳极，加重 了焊缝处金属溶化，e r w 钢管焊缝处的情况和这种情况一样。e r w 焊管的焊缝亮线是 贫c 区，沟状腐蚀可以优先在此发生。 从表3 2 试验结果可以看出，耐腐蚀性差的钢管，其焊缝亮线宽度均较大。焊缝亮 线越宽，该区域面积增大，腐蚀敏感性增大。因此，应该尽量减小亮线宽度以降低腐蚀 敏感性。以上试验结果显示，e r w 钢管亮线宽度在o 1 5 i 衄内时有较好的耐腐蚀性。 3 5 本章小结 本章研究了不同e r w 钢管的沟腐蚀敏感性，从以上分析可以看出，影响e r w 钢管 焊缝沟腐蚀的因素有化学成分、焊缝组织、焊缝流线角度及焊缝亮线宽度。高的c 、s 含量、金相组织的差异、较大的流线角度及较宽的焊缝亮线宽度增大了焊缝的沟腐蚀敏 感性。 降低e r w 钢管焊缝沟腐蚀的敏感性应该从以下几个方面进行控制。 1 ) 严格控制钢的化学成分，降低c 、s 含量，并适当增加c u 元素。降低c 可消 除金属组织的差异，降低s 可抑制作为沟状腐蚀源点的m n s 的形成，增加c u 可以改变 夹杂物的形态，使c u 与s 结合形成c u s 夹杂物，从而在焊后的热处理中消除富s 区。 2 ) 严格控制焊接状态，在允许范围内尽量减小流线角度，以减少流线露头和夹杂 物暴露增多导致腐蚀敏感性增加；并尽量减小焊缝亮线宽度，使焊缝贫c 区面积减小。 3 ) 应采用有效的热处理方式，以减小焊缝与母材基体之间的组织差别，减小m n s 夹杂物周围的硫富集区的面积，并可减小残余应力。另外，也可采用内涂层、内衬里、 或合适的缓蚀剂等方法抑制或防止沟状腐蚀发生。 第四章e r w 钢管缺陷无损检测工艺研究 第四章e r w 钢管缺陷无损检测工艺研究 e r w 钢管生产中进行的缺陷无损检测主要分为焊缝缺陷检测和管体缺陷检测，常用 的无损检测方法是超声波监测方法。目前国内e r w 钢管生产中的无损检测，主要存在 的问题是超声波检测工艺不完善，焊缝检测可靠性低，常出现缺陷漏检现象等问题。另 外，目前很多要求较高的油气输送管线如海底管线对使用的e r w 钢管提出了进行全管 体1 0 0 面积检测的要求，这在很多钢管厂目前难以达到。本章将对以上问题进行分析， 并提出改善措施。 4 1 研究内容和方案 针对我国目前e r w 钢管常见的缺陷无损检测工艺和布置，从焊缝超声波检测工艺、 超声波对比试块、焊缝超声波检测探头的选择、钢管管体无损检测工艺等几个方面，分 析、探讨其存在的缺点，优化并设计出e r w 钢管焊缝缺陷检测的探头工艺布置、焊缝 灵敏度对比试块、焊缝检测探头的设计和制作方法；针对焊缝检测中难以辨别的毛刺回 波，提出一种简易的识别方法；针对管体检测，分析常见检测工艺的优缺点，优化并提 出管体缺陷检测有效工艺及管体灵敏度对比试块的设计。最后，按照设计的检测工艺对 钢管进行实物检验，验证检测工艺和方法的可靠性。 4 2 焊缝检测工艺分析和设计 4 2 1 常规焊缝检测工艺分析 目前在国内e r w 钢管生产中焊缝检测中，常见的超声波检测工艺一般使用两组常 规探头进行检测( 如图4 1 ) ，每组探头分别检测焊缝的上下部位。根据声束扩展规律， 每个探头在焊缝部位的声束宽度一般约为4 6 姗，以此计算，两组探头可扫查的钢板 壁厚最大约为1 2 n l l i l 。在钢管壁厚较小( 1 2 1 1 1 i n 以下) 时，使用两组探头基本能完成整 个壁厚上的缺陷扫查，但在钢管壁厚较大时，可能出现壁厚中部的扫查盲区( 图4 2 ) ， 致使中部缺陷漏检。即使壁厚中部无盲区，该部位由于为声束的副瓣扫查，其灵敏度相 对较低，也易使缺陷漏检。另外，常规工艺中无检测横向缺陷的探头布置，会出现焊缝 或热影响区横向缺陷的漏检。 蚁沁j 图4 1 常规使用的二组探头检测示意图 4 l 管 西安石油大学硕士学位论文 声柬 r 、 、 焊缝 钢管 圈3 2 二组探头检测中的声束扩展范围 根据以上分析可以看出，目前常用的两组探头的检测工艺设置是不完善的 4 2 2 焊缝检测工艺分析和设计 e r w 钢管焊缝中易出现的缺陷为末熔台( 冷焊) 、裂纹、夹杂等，主要为沿焊缝延 伸的面积型缺陷删。由于焊接工艺的特点，e r w 钢管焊缝中一般不会出现比如气孔、夹 渣等体积型的缺陷，因此，对体积型缺陷检测敏感的射线检测方法一般不适用于e r w 焊缝的检测e r w 焊缝检测应该使用对面积型缺陷最有效、灵敏度最高的超声波检钡4 方 法。 脉冲反射法是超声波检测的一种常用方式。脉冲反射法检测是根据脉冲超声波在物 体内传播到有声阻抗差异的界面上，产生反射的原理进行探伤。它是通过探伤仪器荧光 屏上脉冲反射法的位置、波高和形态对物体中缺陷及材料的性质进行判断的一种检测方 法其探测灵敏度较高，并能较准确地对材料的缺陷进行定位嘲。本设计采用脉冲反射 回波式探头进行焊缝缺陷检测。 根据焊缝缺陷出现的部位，检测中应使探头的有效声束聚集到易出现缺陷的部位， 这样反射回波信号强度高，缺陷易被检出。e r w 焊缝中缺陷可能出现在焊缝的上部、下 部及中部，因此应使检测探头的声束聚集到焊缝的各个部位，才能完全达到整个壁厚上 的缺陷被有效检出。 本设计使用4 组反射式横波探头和一个反射式纵波探头进行焊缝检测，探头工艺设 置如图4 3 所示。 图 3 焊缝检测探头工艺设置 第四章e r w 钢管缺陷无损检测工艺研究 本设计工艺中，l 1 组探头横跨焊缝两侧1 o 跨距( 1 o s ) ，每个探头自发自收，使用 一次反射回波进行检测，用于焊缝上部位的检测；l 2 组探头横跨焊缝两侧0 5 跨距，每 个探头自发自收，使用一次波进行检测，用于焊缝下部位的检测；l 3 组探头横跨焊缝两 侧0 2 5 跨距，每个探头自发自收，使用一次波进行检测，用于钢管壁厚较大检测焊缝的 壁厚中部；l 4 组探头横跨焊缝两侧，采