異質(zhì)焊接接頭殘余應(yīng)力及抗H2S腐蝕性能研究.pdf

1、近幾年來我國越來越多地進(jìn)口中東地區(qū)含硫原油。硫含量高不僅帶來加工問題、環(huán)保問題，而且還帶來了石油化工裝置的腐蝕問題。目前石化裝置中許多壓力管道材料為20鋼，為預(yù)防高硫腐蝕失效，一些在腐蝕環(huán)境下服役的管道需要提升材料級別。一般是將碳鋼管道更換為0Cr18Ni9和1Cr5Mo，焊接材料使用A302或Inconel182。這就存在更換材料與原有碳鋼之間的異質(zhì)焊接。由于它們在化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能及熱物理性能存在差異，導(dǎo)致接頭處存在復(fù)雜的

2、殘余應(yīng)力分布。在易燃、易爆和有毒等腐蝕介質(zhì)作用下容易引起應(yīng)力腐蝕開裂。因此，如何預(yù)測和降低接頭處的殘余應(yīng)力，對于保證異種鋼焊接接頭的可靠性具有重要的意義。
　　 本文針對20鋼、0Cr18Ni9和1Cr5Mo及焊縫材料.A302或Inconel182之間異種鋼焊接問題，通過對異質(zhì)接頭的力學(xué)性能試驗(yàn)、熱應(yīng)力數(shù)值分析、焊接殘余應(yīng)力模擬和測定、應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)等，研究了六種異質(zhì)接頭的殘余應(yīng)力及抗H2S應(yīng)力腐蝕性能。主要工作和結(jié)論如下：

3、r>　　 (1)利用有限元法，模擬分析了異質(zhì)接頭20/1Cr5Mo和20/0Cr18Ni9從室溫加熱到450℃、1Cr5Mo/0Cr18Ni9從室溫加熱到500℃后的熱應(yīng)力分布情況，得出了熱應(yīng)力的分布規(guī)律。結(jié)果表明：采用A302焊接時，在焊縫或母材0Cr18Ni9熔合線及熱影響區(qū)上有較大的軸向拉應(yīng)力；而在母材1Cr5Mo或20鋼的熔合線附近及熱影響區(qū)處于胍應(yīng)力或低拉應(yīng)力狀態(tài)。環(huán)向最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在1Cr5Mo或20鋼上，而0Cr18Ni

4、9上有較大的壓應(yīng)力或低拉應(yīng)力。采用Inconel182代替A302焊接后，熱應(yīng)力的分布得到了很大的改善，應(yīng)力值有了一定程度的下降?？梢?，采用Inconel182來代替A302能有效的改變接頭熱應(yīng)力的分布，有利于提高接頭的使用壽命。
　　 (2)對異質(zhì)接頭在室溫和高溫環(huán)境下分別進(jìn)行力學(xué)性能拉伸試驗(yàn)，對比其室溫與高溫力學(xué)性能。接頭1Cr5Mo/20和0Cr18Ni9/20的高溫強(qiáng)度與室溫相比，均有所下降，而延伸率有所提高；而接頭0C

5、r18Ni9/1Cr5Mo的高溫強(qiáng)度和韌性相比常溫均有所下降。異質(zhì)接頭1Cr5Mo/0Cr18Ni9常溫拉伸時，斷裂主要產(chǎn)生在1Cr5Mo側(cè)的熔合線處，而在高溫下拉伸時，斷裂位置卻在0Cr18Ni9側(cè)的熔合線?？梢?，高溫下的0Cr18Ni9不銹鋼強(qiáng)度有一定下降。而20/0Cr18Ni9和20/1Cr5Mo斷裂均產(chǎn)生在20鋼側(cè)的熔合線處。
　　 (3)利用有限元軟件ABAQUS，開發(fā)了一個順次耦合的焊接殘余應(yīng)力有限元計算程序，對0

6、Cr18Ni9/20、1Cr5Mo/20及1Cr5Mo/0Cr18Ni9異種鋼焊接接頭殘余應(yīng)力進(jìn)行有限元分析。結(jié)果表明：無論是采用奧氏體不銹鋼焊條A302還是鎳基焊條Ineonel182，0Cr18Ni9/20鋼和1Cr5Mo/20鋼焊接接頭中最大的軸向殘余應(yīng)力均產(chǎn)生在20鋼側(cè)的熱影響區(qū)，1Cr5Mo/0Cr18Ni9焊接接頭最大的軸向殘余應(yīng)力產(chǎn)生在1Cr5Mo側(cè)熱影響區(qū)；所有接頭的環(huán)向應(yīng)力相對于軸向應(yīng)力較大，最大的均在兩種材料熱影響區(qū)

7、。另外，采用Inconel182來代替A302可以有效地降低殘余應(yīng)力，提高抗應(yīng)力腐蝕開裂的能力，對管道的更換以及異種鋼焊接有一定的指導(dǎo)意義。
　　 (4)通過X射線衍射法測定了接頭的外表面焊接殘余應(yīng)力分布。數(shù)據(jù)表明：在焊縫融合線及熱影響區(qū)部位有較大的殘余應(yīng)力，而在焊縫上軸向殘余應(yīng)力偏小，而環(huán)向殘余應(yīng)力較大；用Inconel182的接頭的殘余應(yīng)力測定值比用A302的焊接的接頭要小，起到一定的改善作用。比較模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，殘余應(yīng)

8、力的分布規(guī)律基本一致，驗(yàn)證了采用非線性有限元模擬研究焊接殘余應(yīng)力的有效性和正確性。
　　 (5)利用慢應(yīng)變速率拉伸法，研究了六種異種鋼焊接接頭在1000ppm、2000ppm、飽和的濕H2S的NACE溶液下的應(yīng)力腐蝕開裂行為，分析了不同H2S濃度及焊縫材料對接頭應(yīng)力腐蝕開裂的影響。研究結(jié)果表明：H2S濃度大于1000ppm后，應(yīng)力腐蝕開裂較為敏感。H2S濃度再增加時，焊接接頭1Cr5Mo/20刷0Cr18Ni9/1Cr5Mo的最