Einfluss der Schweißeigenspannung auf die Korrosionsbeständigkeit von Pipelinestahl

Zusammenfassung: 

Die Eigenspannung der Stoßfuge von X80-Pipelinestahl wurde mit Hilfe der Finite-Elemente-Analyse simuliert, und die Verteilung der Eigenspannung wurde ermittelt.

Die Vorhersageergebnisse wurden durch Röntgenbeugung und Blindlochmethode verifiziert.

Die Ergebnisse zeigen, dass der Gesamttrend der Veränderung des Umfangs Eigenspannung steigt zunächst an, dann erreicht die Spannung nach der Stabilisierung des Lichtbogens stabil die Spitzenposition, und der Eigenspannungswert sinkt in der Nähe der Lichtbogenstoppposition;

Der allgemeine Trend der Veränderung der axialen Eigenspannung steigt zunächst an und nimmt dann nach Erreichen der Spitzenposition stetig ab.

Die Ergebnisse der Eigenspannungssimulation und -vorhersage stimmen mit denen der beiden Messmethoden überein.

Die Ergebnisse der Röntgenbeugungsmethode sind besser als die der Blindlochmethode.

Die großen Spannungen werden mit Hilfe der Finite-Elemente-Simulationstechnologie vorhergesagt, was für die effektive Verhinderung von Spannungsrisskorrosion von großer Bedeutung ist.

Vorwort

Beim Bau von Pipelines ist der Korrosionsschutz des Pipelinestahls ein wichtiger Faktor für die Zuverlässigkeit der Konstruktion.

Spannungsrisskorrosion (SCC) ist ein Phänomen der spröden Rissbildung bei geringer Spannung unter Zugspannung und in korrosiver Umgebung.

Im Allgemeinen wird die Oberfläche der Rohrleitungen beschichtet, um ihre Korrosionsbeständigkeit zu gewährleisten.

Unter dem Einfluss des Oberflächenkontakts mit dem Boden, der Temperatur, des kathodischen Schutzstroms und anderer Faktoren wirken sich die chemische Zusammensetzung, Mikrostrukturveränderungen, mechanische Faktoren und die Beanspruchung der Werkstoffe direkt auf die Spannungsrisskorrosion aus.

Spannungen in mechanischen Faktoren führen zu Materialverformung und Rissbildung, und ihre Größe, Spannungsschwankung, Dehnungsrate usw. beeinflussen die Geschwindigkeit der Materialkorrosion und damit die Ermüdungslebensdauer von Bauteilen.

Der Spannungsforschung wird immer mehr Aufmerksamkeit bei der Gestaltung der Zuverlässigkeit und der Maximierung der Lebensdauer geschenkt.

Zu den Analysemethoden gehören die zerstörende und die zerstörungsfreie Prüfung, aber die zerstörungsfreie Prüfung ist wegen ihrer Ungenauigkeit und hohen Kosten für die industrielle Produktion nicht geeignet.

Alle Arten von Simulationssoftware für die Vorhersage von Spannungen können nur eine qualitative Analyse durchführen, aber keine quantitative Analyse bei der Durchführung nichtlinearer Analysen.

Um eine quantitative Analyse zu gewährleisten, müssen die Nutzer neben der kontinuierlichen Verbesserung der Simulationssoftware auch über umfangreiche Produktionserfahrungen verfügen, die nicht vollständig von der Sammlung von Produktionserfahrungen getrennt werden können.

Um den Verteilungstrend und die Größe der Eigenspannung nach dem Schweißen genau vorherzusagen und die hohe Genauigkeit und kurze Periodizität der Produktionsanforderungen zu gewährleisten, haben Forscher eine große Anzahl von Studien zur Schweißsimulation durchgeführt.

Bai Fang ein Finite-Elemente-Modell der X80 Stahl Mehrschicht-und Multipass-Schweißen, die thermische Zyklus-Kurve innerhalb der relativen Fehlerbereich durch Tests, verwendet, um die gleichwertige Wärmequelle Belastung zu simulieren, erhalten die Beziehung zwischen der Spitzentemperatur und Kühlzeit und die Schweißnaht Achsabstandund das Gesetz der Veränderung der Längs- und Quereigenspannungen erhalten.

Gu Guolin erstellte das Finite-Elemente-Modell der Stoßverbindung von X80-Pipelinestahl und verwendete die Röntgenbeugungsmethode, um zu überprüfen, dass die Vorhersagegenauigkeit der durch die Wurzelknotenentkopplung verursachten Eigenspannung höher ist und das Ergebnis der Spannungsvorhersage bei 10,35% kontrolliert werden kann.

Duan Weijun erstellte das Finite-Elemente-Modell von S355-Stahl auf der Grundlage der thermischen elastoplastischen Theorie.

Durch die Einführung des Transformationsmodells, der Transformationsplastizität und des Transformationsvolumenmodells kam er zu dem Schluss, dass die Vergleichsspannung und der Spannungswert stark reduziert würden und die Eigenspannung in guter Übereinstimmung mit den Messergebnissen stünde.

Xiong Qingren et al. analysierten die Eigenspannung von SSAW-Stahlrohren mittels Ringschneideprüfung und Sacklochprüfung, verglichen die Eigenspannung von Stahlrohren verschiedener Hersteller und schlugen den Eigenspannungs-Kontrollindex vor, der die Produktion wirksam förderte.

Zhang Dingquan und He Jiawen usw. haben eine umfassende und detaillierte Darstellung des Prinzips, der Methode und der Anwendung der zerstörungsfreien Röntgenbeugungseigenspannungsmethode vorgelegt, die für die Erforschung dieser Methode von großer Bedeutung ist.

Die oben genannten Forschungsarbeiten konzentrieren sich jedoch eher auf die Verteilungstendenz und die Genauigkeit der Eigenspannung, während die Beziehung zwischen Eigenspannung und Korrosionsbeständigkeit kaum erforscht ist.

Xiong Qingren et al. analysierten die Eigenspannung von SSAW-Stahlrohren mittels Ringschneideprüfung und Sacklochprüfung, verglichen die Eigenspannung von Stahlrohren verschiedener Hersteller und schlugen den Eigenspannungs-Kontrollindex vor, der die Produktion wirksam förderte.

Zhang Dingquan und He Jiawen usw. haben eine umfassende und detaillierte Darstellung des Prinzips, der Methode und der Anwendung der zerstörungsfreien Röntgenbeugungseigenspannungsmethode vorgelegt, die für die Erforschung dieser Methode von großer Bedeutung ist.

Die oben genannten Forschungsarbeiten konzentrieren sich jedoch eher auf die Verteilungstendenz und die Genauigkeit der Eigenspannung, während die Beziehung zwischen Eigenspannung und Korrosionsbeständigkeit kaum erforscht ist.

In diesem Artikel wird mit Hilfe der Finite-Elemente-Analyse das Finite-Elemente-Modell der X80-Pipeline-Stumpfstoßverbindung erstellt, um die Eigenspannungsverteilung vorherzusagen und zu analysieren. Anschließend werden die Simulationsergebnisse durch zwei Prüfmethoden verifiziert, nämlich die Röntgenbeugungsmethode und die Sacklochmethode, und ihre Auswirkungen auf die Korrosionsbeständigkeit werden in Verbindung mit der Makrotechnik analysiert.

1. Erstellung eines Finite-Elemente-Modells

1.1 Schweißtechnische Parameter

Die Wandstärke des Rohrleitungsstahls mit Stumpfstoß beträgt 22 mm, und das Material ist X80-Rohrleitungsstahl.

Die chemische Zusammensetzung von X80-Rohrleitungsstahl ist in Tabelle 1 dargestellt.

Die Schweißverfahren ist das Elektroden-Lichtbogenschweißen.

Die basische Natrium-Niedrigwasserstoff-Elektrode E7016 mit einem Durchmesser von 3,2 mm wird als Elektrode verwendet. Schweißmaterial.

Die chemische Zusammensetzung ist in Tabelle 2 angegeben. Vor dem Schweißen 100 ℃ vorwärmen.

Es wird das Füllmaterial E8010-P1 verwendet.

Die chemische Zusammensetzung ist in Tabelle 3 aufgeführt.

Die Schweißparameter sind: Lichtbogenspannung 27~28V, Schweißstrom 120~130A, Schweißgeschwindigkeit 42 cm/min, einseitig U-förmige Nut, 5 Lagen und 10 Schweißgänge.

Tabelle 1 Chemische Zusammensetzung von X80-Rohrleitungsstahl (Gewicht %)

MnSipsMo
1.82940.27950.011020.00060.217
TiVNbNiCr
0.01610.05860.06080.03080.0337

 Tabelle 2 E7016 Chemische Zusammensetzung von Schweißdraht (wt. %)

CMnSiSP
0.061.050.65≤0.02≤0.02

Tabelle 3 Chemische Zusammensetzung von E8010-P1 (Gew. %)

MnSiPSMoVCrNi
0.50.140.0150.020.40.010.0350.4

1.2 Festlegung der Materialparameter

Die Materialparameter des Werkstoffs X80 für die Simulation werden mit Hilfe der JMATPRO-Softwareanalyse ermittelt.

Einige physikalische und mechanische Parameter, die mit der Temperatur variieren, sind in Abb. 1 dargestellt.

1.3 Erstellung des Netzmodells

Um die Genauigkeit der Spannungsfeldlösung zu gewährleisten, wurde ein relativ ausgereiftes Modell einer doppelten ellipsoiden Wärmequelle entwickelt, das die Wärmequelle von abgeschirmtem Metall widerspiegeln kann. Lichtbogenschweißen festgelegt ist.

Aufgrund der relativ großen Eigenspannungswerte in der Nähe der Schweißnaht und in der Nähe des Schweißfußes und unter Berücksichtigung des Temperaturgradienten wird das Gitter an der Schweißnaht verdichtet, das Übergangsgitter wird für die Wärmeeinflusszone und die Position weit weg von der Schweißnaht, und das Gitter weit weg von der Schweißnaht ist spärlich.

Die Einheitsgröße der Schweißposition ist 2 mm, die Gesamtzahl der Einheiten beträgt 108 648 und die Anzahl der Knoten 121 598, wie in Abb. 2 dargestellt.

Abb. 2 Finite-Elemente-Modell

1.4 Mechanische Randbedingungen

An der Position der Schweißnaht an der Außenfläche des stumpf gestoßenen Stahlrohrs, in Richtung der SchweißnahtquerschnittWählen Sie den Elementknoten an der Umfangsposition für die Verschiebungsbeschränkung in X-Richtung, um sicherzustellen, dass die seitliche Schrumpfung des Finite-Elemente-Modells des X80-Stahldrahtrohrs nicht beeinflusst wird;

Wählen Sie die äußere Oberfläche Element Knoten der Pipeline-Stahlrohr mit der freien Grenze des Stumpfes entlang der Längsrichtung der Schweißnaht und der normalen Ebene Richtung des Umfangs Mitte zu beschränken, die Y-und Z-Verschiebung, um sicherzustellen, dass die Längs-Schrumpfung des Modells ist nicht betroffen.

2. Prüf- und Messverfahren

2.1 Zerstörungsfreie Röntgenbeugungsmethode

Die Röntgenspannungsmessung ist zerstörungsfreie Prüfung.

Das Grundprinzip beruht auf dem Bragg-Gesetz, und die grundlegende Annahme ist, dass die durch einen bestimmten Spannungszustand verursachte Gitterdehnung des Materials mit der Makrodehnung übereinstimmt.

Metallische Werkstoffe sind im Allgemeinen polykristallin und enthalten eine große Anzahl von Körnern mit unterschiedlichen Orientierungen pro Volumeneinheit, und jede ausgewählte Kristallebene kann aus jeder Richtung im Raum beobachtet werden.

Berechnen Sie nach der Gleichung der elastischen Mechanik den Dehnungswert der entsprechenden Kristallebene durch die Änderung des Abstandes der Kristallebene, d. h.

Wo

  • ε ist der Dehnungswert der Kristallebene;
  • d0 ist der Abstand zwischen den Kristallebenen im spannungsfreien Zustand.

2.2 Sacklochmethode

Die Eigenspannungsprüfung nach der Sacklochmethode ist eine zerstörungsfreie Prüfmethode.

Sie besteht darin, eine Dehnungsrosette auf die Oberfläche des zu prüfenden Werkstücks zu kleben.

Unter Bohren Wenn das Werkstück in der Mitte der Dehnungsrosette liegt, wird das Spannungsgleichgewicht zerstört und eine gewisse Dehnung erzeugt.

Nach der Messung des elastischen Dehnungsinkrements in der Nähe des Lochs kann die Eigenspannung an dem kleinen Loch nach dem Prinzip der elastischen Mechanik berechnet werden.

Die Hauptspannung und -richtung am kleinen Loch kann nach folgender Formel berechnet werden.

Dabei ist εA die Dehnung von Dehnungsmessstreifen a; A. B ist der Dehnungsfreisetzungskoeffizient.

2.3 Gestaltung der Prüfmethode

Um den Fehler zu minimieren, werden zwei Methoden zur Messung desselben Prüfstücks verwendet, zunächst die Röntgenmessmethode und dann die Sacklochmethode.

Um die Genauigkeit der Berechnungsergebnisse zu überprüfen, sind für die Röntgenbeugungsmessung Kalibrierungsgeräte für Nullspannung und Hochspannung zu verwenden;

Bei der Messung mit der Sacklochmethode muss der Abstand zwischen den Messpunkten 30 mm betragen, um die Bohrspannung effektiv abzubauen.

Nach dem Schweißen des Stumpfstoßes von X80-Rohrleitungsstahl sind die Position der Schweißnahtspitze und die Position der Schweißnahtmitte entlang der Umfangsrichtung für die Spannungsmessung zu wählen.

3. Analyse und Überprüfung der Simulationsergebnisse

3.1 Analyse der Ergebnisse der Messung der Eigenspannung in Umfangsrichtung

Durch Simulationsberechnungen werden die Simulationsergebnisse des Umfangsspannungsfeldes der Stoßverbindung eines X80-Stahldrahtrohrs ermittelt.

Die Eigenspannung von der Schweißnahtspitze auf einer Seite des Stumpfstoßes bis zur relativ glatten Außenfläche wird extrahiert, und die Belastungstests nach der Röntgen- und Sacklochmethode werden durchgeführt.

Die Ergebnisse sind in Abb. 3 dargestellt.

Abb.3 Lage und Anordnung der Messungen für die Spannung

Aus Abb. 3 geht hervor, dass die Eigenspannung von der Startposition des Lichtbogens bis zur Endposition des Lichtbogens zunächst ansteigt und nach der Stabilisierung des Lichtbogens einen stabilen Spitzenwert erreicht und dann unverändert bleibt.

Bei Annäherung an die Endposition des Bogens nimmt der Wert der Eigenspannung ab, was mit der klassischen Stumpfstoßregel übereinstimmt.

Beim Schweißen der Start- und Endposition ist die Bindungswirkung der Schweißnaht relativ gering.

Gleichzeitig gibt es an den Start- und Endpositionen eine gewisse Überschneidung, so dass sich der Spannungswert kaum ändert.

Die Start- und Haltepositionen haben eine gewisse Vorwärmwirkung auf die Haltepositionen.

Daher ist die Schweißspannung relativ gering und äußert sich hauptsächlich als Druckspannung;

Im mittleren Teil ist die Spannung aufgrund der großen Bindungskraft an der Schweißstelle nach dem Schweißen ebenfalls groß, sie steigt zunächst an und nimmt dann ab, wobei hauptsächlich Zugspannungen auftreten.

Die Trends der beiden Messmethoden stimmen gut mit den Simulationsergebnissen überein.

Der maximale Fehler zwischen den Simulationsergebnissen und den Ergebnissen der Röntgenbeugungsmessung beträgt 490 mm von der Startposition der Schweißnaht entfernt, mit einem Fehler von 15,9%;

Der maximale Fehler zwischen den Simulationsergebnissen und den mit der Sacklochmethode gemessenen Ergebnissen beträgt 490 mm, mit einem Fehler von 12,4%.

Die Ergebnisse der mit der Röntgenmethode gemessenen Eigenspannung schwanken relativ stark.

Aufgrund des Messverfahrens und der Eigenschaften der Messprobe erfordert die Röntgenbeugungsmethode eine hohe Ebenheit der Messfläche bei der Messung.

Die Ebene der Stoßfuge des X80-Stahldrahtrohrs hat jedoch einen gewissen Radius, und die Gittergröße an der Messstelle ändert sich abnormal, was zu einem großen Spannungswert führt.

Die Veränderungstrends der beiden Messmethoden sind in etwa gleich, und die meisten Messwerte sind größer als die Simulationswerte.

Bei der Simulationsberechnung werden Faktoren wie die Fließfähigkeit des Füllkörpers, die Materialverfestigung und die Phasenumwandlung nicht berücksichtigt, was zu den geringeren Eigenspannungsergebnissen führt, die durch die Simulation vorhergesagt werden.

3.2 Analyse der Messergebnisse der axialen Eigenspannung

Die Prüf- und Simulationsergebnisse der axialen Eigenspannung sind in Abbildung 4 dargestellt.

Abb.4 Lage und Anordnung der Messungen für die Spannung

Aus Abb. 4 geht hervor, dass die Eigenspannung von der Startposition des Bogens bis zur Endposition des Bogens zunächst ansteigt und nach Erreichen der Spitzenposition stetig abnimmt, was mit der klassischen Stumpfstoßregel übereinstimmt.

In der Nähe der Mitte der Schweißnaht ist die Schweißnaht relativ stark eingespannt, was zu großen Änderungen der Spannungswerte und relativ großen Schweißspannungen führt, bei denen es sich hauptsächlich um Zug- und Druckspannungen handelt;

In der Nähe des freien Endes ist der Wert der Eigenspannung relativ gering, da er nicht durch die Eigenspannung eingeschränkt wird. Schweißwärme Eingabe von Kalt- und Warmschrumpfung.

Die Trends der beiden Messmethoden stimmen gut mit den Simulationsergebnissen überein.

Der maximale Fehler zwischen den Simulationsergebnissen und den Ergebnissen der Röntgenbeugungsmessung beträgt 68 mm, und der Fehler liegt bei 13,9%;

Der maximale Fehler zwischen dem Simulationsergebnis und dem Messergebnis der Sacklochmethode beträgt 110 mm, mit einem Fehler von 11,4%.

Das Ergebnis der Röntgenmethode zur Messung der Spannung schwankt relativ stark.

3.3 Auswirkung der Eigenspannung auf die Korrosivität bei technischen Anwendungen

Die Ergebnisse der Eigenspannungen, die mit verschiedenen Messmethoden ermittelt wurden, bestätigen die Genauigkeit der Simulationsergebnisse der Eigenspannungsvorhersage für X80-Rohrleitungsstahl.

Bei der Anwendung nach dem Verkauf, die durch die tatsächliche technische Anwendung zurückgemeldet wurde, stellte das pakistanische Kundendienstpersonal einmal fest, dass die Farbe an der Schweißnaht des X80-Pipelinestahls unter der langfristigen Bodenkorrosion und der Beleuchtung sehr leicht abfällt und unter den Auswirkungen von Umweltfaktoren und Eigenspannungen schädliche Spannungen freisetzt, die zu lokaler Korrosion und Beschädigung des X80-Pipelinestahls führen, was letztendlich zu Spannungsrisskorrosion führt.

Da es keine schweren Unfälle gab, wurden Probleme bei der Anwendung vor Ort durch eine Analyse der Fehlerquellen gelöst.

4. Schlussfolgerung

(1) Das Finite-Elemente-Modell wurde verwendet, um die Eigenspannung der X80-Pipeline-Stumpfstoßverbindung zu simulieren, und die Genauigkeit der Simulationsergebnisse wurde durch Röntgenbeugung und Blindlochmethode überprüft.

Die Simulationsergebnisse stimmen gut mit den beiden Messmethoden überein, und die Ergebnisse der Röntgenbeugung sind besser als die der Blindlochmethode.

(2) Von der Startposition des Lichtbogens bis zur Endposition des Lichtbogens nimmt die Gesamtveränderungstendenz der Eigenspannung in Umfangsrichtung zunächst zu, und nachdem sich der Lichtbogen stabilisiert hat, erreicht die Spannung stabil die Spitzenposition und bleibt dann konstant, und in der Nähe der Endposition des Lichtbogens nimmt der Wert der Eigenspannung ab.

Von der Startposition des Lichtbogens bis zur Endposition des Lichtbogens steigt die Gesamtveränderungstendenz der axialen Eigenspannung zunächst an, und die Eigenspannung nimmt nach Erreichen der Spitzenposition stetig ab.

(3) X80-Pipelinestahl weist lokale Spannungsrisskorrosion auf.

Durch Finite-Elemente-Simulation Technologie, prognostizieren die Lage der hohen Belastung, die bestimmte technische Anwendung Bedeutung für die wirksame Verhinderung von Spannungsrisskorrosion hat.

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Shane
Autor

Shane

Gründerin von MachineMFG

Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.

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