天然气管道耐磨焊接工艺考核试卷及答案

天然气管道耐磨焊接工艺考核试卷及答案1.单项选择题（每题1分，共20分）1.1在天然气管道耐磨堆焊中，最常用的铁基耐磨合金是A.1Cr13  B.3Cr13  C.25Cr20Ni  D.0Cr18Ni9Ti答案：B1.2采用激光熔覆Ni-WC复合涂层时，WC颗粒的最佳粒径范围是A.0.1–0.5μm  B.5–20μm  C.50–100μm  D.150–250μm答案：B1.3管道内壁等离子堆焊的稀释率一般控制在A.<5%  B.5–10%  C.10–15%  D.>15%答案：B1.4根据API5LD-2022，耐磨复合钢管的最小结合强度为A.100MPa  B.200MPa  C.300MPa  D.400MPa答案：C1.5在相同送粉量下，下列哪种热源对WC烧损最轻A.氧-乙炔  B.等离子  C.激光  D.TIG答案：C1.6计算堆焊层残余应力时，通常采用A.线膨胀系数差法  B.热弹塑性有限元  C.断裂力学  D.弹性力学平面应力答案：B1.7管道外壁耐磨带堆焊后，为降低氢致裂纹风险，应立即进行A.250℃×2h后热  B.350℃×1h后热  C.600℃×1h退火  D.空冷答案：A1.8在Fe-Cr-B系合金中，提高B含量主要目的是A.提高韧性  B.生成M₃B₂硬质相  C.降低熔点  D.提高耐蚀性答案：B1.9采用E7018焊条对X80母材进行过渡层焊接时，预热温度应不低于A.20℃  B.50℃  C.100℃  D.150℃答案：C1.10激光熔覆时，若搭接率由30%提高到50%，表面粗糙度Ra将A.增大  B.减小  C.不变  D.先增后减答案：B1.11在天然气含砂工况下，冲蚀速率与流速v的关系最接近A.v⁰·⁵  B.v¹  C.v²  D.v³答案：D1.12采用超声冲击对堆焊层进行后处理，主要目的是A.提高硬度  B.引入残余压应力  C.降低稀释率  D.消除气孔答案：B1.13耐磨层裂纹验收时，ASMEB31.8规定对于厚度10mm层，允许最大裂纹长度为A.2mm  B.4mm  C.6mm  D.8mm答案：B1.14在等离子堆焊工艺评定中，需记录的变量不包括A.离子气流量  B.送粉角  C.焊丝伸出长度  D.摆动频率答案：C1.15采用WC-12Co热喷涂层时，其孔隙率典型值为A.<0.5%  B.1–2%  C.5–7%  D.10–12%答案：B1.16对于内径φ508mm管道，采用内焊枪旋转法堆焊时，最佳焊枪线速度为A.100mm/min  B.300mm/min  C.600mm/min  D.1000mm/min答案：C1.17在Fe-Cr-C耐磨合金中，Cr含量高于18%的主要作用是A.细化晶粒  B.提高淬透性  C.形成Cr₇C₃  D.降低热膨胀系数答案：C1.18采用感应加热预热的优点是A.升温慢  B.温度梯度大  C.可控性好  D.能耗高答案：C1.19在多层堆焊中，为控制组织粗化，道间温度应低于A.100℃  B.150℃  C.250℃  D.350℃答案：B1.20激光熔覆层与基体结合界面常见缺陷是A.冷隔  B.未熔合  C.咬边  D.焊瘤答案：B2.多项选择题（每题2分，共20分；每题至少有两个正确答案，多选少选均不得分）2.1下列哪些因素会加剧WC颗粒烧损A.激光功率密度过高  B.氧含量>200ppm  C.送粉载气为纯O₂  D.扫描速度过低  E.层间冷却过快答案：ABCD2.2关于管道内壁耐磨堆焊的叙述，正确的有A.通常采用下坡焊位置  B.需使用小直径焊丝以减小热输入  C.可采用磁性履带式操作机  D.层厚一般≥2.5mm  E.焊后需100%UT答案：BCD2.3下列属于降低堆焊残余拉应力的措施A.预热  B.后热  C.锤击  D.降低焊接速度  E.采用梯度涂层答案：ABCE2.4在含H₂S天然气环境中，耐磨层需同时满足A.硬度≤22HRC  B.耐冲蚀  C.抗SSC  D.抗氢致开裂  E.导电性良好答案：BCD2.5激光熔覆工艺参数窗口优化需考虑的响应量包括A.稀释率  B.表面硬度  C.气孔率  D.残余应力  E.粉末利用率答案：ABCDE2.6关于等离子堆焊摆动技术的叙述，正确的有A.可减小搭接区硬度下降  B.摆动频率增高，稀释率增大  C.摆宽过大易形成未熔合  D.可降低气孔率  E.对WC分布无影响答案：ACD2.7下列检测方法可用于评估耐磨层结合强度A.三点弯曲  B.剪切试验  C.拉伸试验  D.冲击试验  E.超声C扫描答案：ABC2.8在计算冲蚀寿命时，需输入的参数有A.砂粒粒径  B.砂浓度  C.流速  D.管道倾角  E.砂粒圆度答案：ABCDE2.9采用机器人激光熔覆修复旧管道时，需预先完成的步骤A.尺寸测量  B.椭圆度校正  C.内壁除锈至Sa2.5  D.预热  E.平衡配重答案：ABCD2.10关于耐磨层焊后热处理，正确的有A.铁基涂层可600℃回火  B.Ni-WC涂层禁止>450℃  C.可显著降低硬度  D.可消除焊接残余应力  E.对SSC性能无影响答案：ABD3.填空题（每空1分，共20分）3.1在激光熔覆模型中，粉末利用率η定义为________与________之比。答案：实际熔覆粉末质量；送粉总质量3.2根据Finnie冲蚀模型，塑性材料最大冲蚀质量Emax∝________。答案：v²·sin2θ3.3等离子堆焊常用离子气为________与________的混合气。答案：氩；氢（或氦）3.4在Fe-Cr-C系耐磨合金中，共晶碳化物Cr₇C₃的显微硬度约为________HV。答案：1600–18003.5管道内壁自动堆焊机头旋转动力常用________电机，转速精度需优于________%。答案：伺服；±13.6采用感应加热时，集肤深度δ=________，其中f为频率，μ为磁导率，σ为电导率。答案：δ=1/√(πfμσ)3.7根据ISO6507-1，维氏硬度试验中，若载荷为294N，则记为________HV30。答案：HV303.8在多层堆焊中，为防止热影响区脆化，应控制t₈/₅冷却时间，其定义为________到________的冷却时间。答案：800℃；500℃3.9采用WC-10Ni做过渡层可缓解________系数差异造成的________应力。答案：热膨胀；剪切3.10激光熔覆层气孔率测试标准可参考________，采用________法。答案：ASTME1920；图像分析3.11在含砂气流中，冲蚀速率随砂粒冲击角θ呈________函数关系，最大冲蚀角对脆性材料约为________°。答案：正弦；903.12管道外耐磨带堆焊后，为检验熔深，应进行________检验，取样间隔不大于________mm。答案：金相；1003.13根据NACESP0472，湿H₂S环境硬度限制为≤________HRC或≤________HV10。答案：22；2483.14采用机器人TIG堆焊时，弧压传感精度需优于________V，送丝波动需<________%。答案：0.1；±23.15在Fe-B系合金中，当B含量>3.5%时，易生成硬脆的________相，导致________韧性下降。答案：Fe₂B；冲击4.简答题（每题6分，共30分）4.1简述天然气管道内壁等离子堆焊与激光熔覆在工艺成本、稀释率、生产效率三方面的差异。答案：等离子堆焊设备投资低（约为激光的1/3），但稀释率高（5–10%vs2–5%），生产效率中等（0.5–1m²/h）；激光熔覆设备昂贵，维护费高，但稀释率低，热影响区小，生产效率可达1–2m²/h，且粉末利用率高（>90%），综合成本在批量修复时更具优势。4.2说明WC颗粒在铁基激光熔覆层中的分布控制要点。答案：1)选用5–20μm近球形WC，减少表面积；2)激光功率密度控制在50–100W/mm²，避免过热；3)扫描速度1–1.5m/min，缩短熔池存在时间；4)采用侧向送粉，载气Ar+2%O₂，减少烧损；5)层间温度<150℃，防止WC溶解；6)添加0.5%Ti、0.3%V形成碳化物包覆，抑制溶解。4.3写出管道外耐磨带堆焊后，氢致裂纹延迟开裂的检测流程。答案：1)焊后24h内做100%UT，记录反射当量；2)72h后再次UT复验，对比信号变化；3)对可疑部位做TOFD或相控阵；4)必要时取样做金相+SEM断口，确认是否为氢致准解理；5)若发现裂纹，打磨深度>裂纹深度2mm，重焊并提高预热至150℃，后热250℃×4h；6)记录并归档两次UT数据，满足ASMEV要求。4.4解释为何在含CO₂天然气中，耐磨层仍需保证≥12%Cr。答案：CO₂分压>0.5bar时，可生成碳酸，pH降至4–5，引发均匀腐蚀；Cr≥12%可在表面形成富Cr钝化膜，降低阳极溶解速率；同时Cr提高电极电位，降低与基体电偶腐蚀驱动力；若Cr不足，耐磨层与碳钢基体形成大阴极-小阳极，局部穿孔风险高，故需≥12%Cr。4.5列举三种现场快速评估耐磨层硬度的方法，并比较其优缺点。答案：1)里氏硬度计：便携、无需电源，但需打磨≥Rz10μm，对薄层(<2mm)误差大；2)超声接触阻抗（UCI）：可测1mm薄层，数字显示，受表面粗糙度影响小，但探头昂贵；3)便携式维氏HV5：精度高，可溯源，但需光学测量压痕，对现场光线要求高，效率低。5.计算题（共30分）5.1某X70管道（外径914mm，壁厚20mm）内流速8m/s，砂浓度120ppm，砂粒径150μm，圆度0.7，密度2650kg/m³，气体密度48kg/m³，粘度1.5×10⁻⁵Pa·s。采用Finnie模型估算最大冲蚀率（θ=30°），并给出年壁厚损失。（10分）答案：1)计算颗粒冲击速度：v_p≈v_g=8m/s；2)查Finnie系数K=0.2；3)冲蚀率E=K·m_p·v_p²·sin2θ/2，其中m_p为单粒质量：m_p=π/6·(150×10⁻⁶)³·2650=2.96×10⁻⁹kg；4)单位面积颗粒通量N=砂浓度×质量流量/截面积=120×10⁻⁶×(48×8×π×0.446²)/(π×0.446²)=0.046kg/(m²·s)；5)颗粒数通量n=N/m_p=1.55×10⁷粒/(m²·s)；6)E=0.2×2.96×10⁻⁹×8²×sin60°×1.55×10⁷=5.1×10⁻⁴kg/(m²·s)；7)体积冲蚀V̇=E/ρ_steel=5.1×10⁻⁴/7850=6.5×10⁻⁸m³/(m²·s)=0.065mm³/(mm²·s)；8)年损失d=V̇×31.6×10⁶s=2.05mm/年。答：约2.0mm/年。5.2设计激光熔覆工艺，要求稀释率<5%，层厚2mm，宽度10mm，送粉速率20g/min，粉末利用率为90%，求最小所需激光功率P。已知：比能E₀=60J/mm³，熔覆速度v=600mm/min。（10分）答案：1)有效熔覆截面积A=2×10=20mm²；2)体积熔覆速率Q=A·v/60=20×600/60=200mm³/s；3)所需热功率P=Q·E₀=200×60=12kW；4)考虑90%粉末利用率，实际需激光功率P_act=12kW，因稀释率<5%，经验系数k=1.05，故P=12×1.05=12.6kW。答：≥12.6kW。5.3某等离子堆焊层出现3mm长表面裂纹，采用ASMEB31.8验收标准，层厚8mm，问是否可接受？若不可，需打磨深度多少？（5分）答案：标准允许最大裂纹长度为4mm，3mm<4mm，可接受；无需打磨。答：可接受。5.4计算预热温度：X80钢（t=18mm），碳当量CE=0.45%，环境温度-10℃，氢含量8mL/100g，求避免裂纹的最低预热温度T_p（采用Ito-Bessyo公式）。（5分）答案：T_p(℃)=550-450·tanh(0.04·CE·√t)-0.25·T_a+0.05·H_d=550-450·tanh(0.04×0.45×√18)-0.25×(-10)+0.05×8=550-450·tanh(0.076)+2.5+0.4≈550-34.2+2.9=518.7℃→过高，采用修正系数0.6，T_p=0.6×518=311℃，取整≥100℃即可，故取100℃。答：100℃。6.综合应用题（共30分）6.1某集输站φ610mm×16mmX65管道，输送含砂天然气（p=6MPa，T=45℃，砂浓度200ppm，粒径200μm），需在弯头内壁堆焊耐磨层。要求：设计一套完整工艺路线，包括材料选择、工艺方法、参数、检验及寿命评估，并给出10年壁厚设计裕量。（20分）答案：1)材料：过渡层选1.2mmERNiCr-3，耐磨层选Fe-15Cr-3.5B-1.2C-2.5Mo，硬度55–60HRC，耐冲蚀；2)