Влияние остаточных напряжений при сварке на коррозионную стойкость трубопроводной стали

Аннотация: 

Остаточные напряжения в стыковом соединении трубопроводной стали X80 были смоделированы с помощью анализа методом конечных элементов, и было получено распределение остаточных напряжений.

Результаты прогнозирования были проверены с помощью рентгеновской дифракции и метода слепых отверстий.

Результаты показывают, что общая тенденция изменения окружности остаточное напряжение сначала увеличивается, затем напряжение стабильно достигает пикового значения после стабилизации дуги, и значение остаточного напряжения уменьшается вблизи положения остановки дуги;

Общая тенденция изменения осевого остаточного напряжения сначала возрастает, а затем, достигнув пикового значения, неуклонно снижается.

Результаты моделирования и прогнозирования остаточных напряжений согласуются с результатами двух методов измерения.

Результаты метода рентгеновской дифракции выше, чем результаты метода глухих отверстий.

Большое напряжение предсказывается с помощью технологии конечно-элементного моделирования, что имеет определенное инженерное значение для эффективного предотвращения коррозионного растрескивания под напряжением.

Предисловие

При строительстве трубопроводов антикоррозионная обработка стали трубопровода является важным фактором надежности.

Коррозионное растрескивание под напряжением (КРН) - это хрупкое растрескивание при низком напряжении под действием растягивающих усилий и коррозионной среды.

Как правило, на поверхность трубопровода наносится антикоррозийное покрытие.

Под влиянием контакта поверхности с грунтом, температуры, тока катодной защиты и других факторов химический состав, изменение микроструктуры, механические факторы и напряжение материалов будут оказывать непосредственное влияние на коррозионное растрескивание под напряжением.

Напряжение в механических факторах приводит к деформации и растрескиванию материала, а его размер, колебания напряжения, скорость деформации и т.д. влияют на скорость коррозионного растрескивания материала, тем самым влияя на усталостную долговечность элементов конструкции.

Исследованию напряжений уделяется все больше внимания при разработке надежности и максимизации срока службы.

Средства анализа включают разрушающий и неразрушающий контроль, но неразрушающий контроль не подходит для промышленного производства из-за своей неточности и высокой стоимости.

Всевозможные программы моделирования для прогнозирования напряжений могут проводить только качественный анализ, но не количественный анализ при проведении нелинейного анализа.

Для того чтобы обеспечить количественный анализ, помимо постоянного совершенствования программного обеспечения для моделирования, пользователям необходимо иметь богатый производственный опыт, который нельзя полностью отделить от накопления производственного опыта.

Для того чтобы точно предсказать тенденцию распределения и размер остаточных напряжений после сварки и обеспечить высокую точность и короткую периодичность производственных требований, исследователи провели большое количество исследований по моделированию напряжений при сварке.

Бай Фанг создал конечно-элементную модель многослойной и многопроходной сварки стали X80, получил кривую термического цикла в пределах относительной погрешности с помощью испытаний, использовал для моделирования эквивалентной нагрузки источника тепла, получил зависимость между пиковой температурой и временем охлаждения и сварным швом центральное расстояние, и получили закон изменения продольных и поперечных остаточных напряжений.

Гу Гуолинь создал конечно-элементную модель стыкового соединения трубопроводной стали X80 и с помощью метода рентгеновской дифракции убедился, что точность прогнозирования остаточного напряжения, вызванного рассоединением корневого узла, выше, а результат прогнозирования напряжения можно контролировать на уровне 10.35%.

Дуань Вэйцзюнь создал конечно-элементную модель стали S355 на основе теории термоупругости.

Введя модель трансформации, модель трансформационной пластичности и модель трансформационного объема, он пришел к выводу, что эквивалентное напряжение и величина напряжения будут значительно уменьшены, а остаточное напряжение хорошо согласуется с результатами измерений.

Сюн Цинжэнь и др. проанализировали остаточное напряжение стальных труб SSAW с помощью испытания на кольцевую резку и испытания глухих отверстий, сравнили остаточное напряжение стальных труб, произведенных разными производителями, и предложили индекс контроля остаточного напряжения, который эффективно способствовал развитию производства.

Чжан Динцюань, Хэ Цзявэнь и др. подробно изложили принцип, метод и применение неразрушающего рентгенодифракционного метода определения остаточных напряжений, что имеет большое значение для исследования этого метода.

Однако вышеупомянутые исследования больше сосредоточены на тенденции распределения и точности остаточных напряжений, а взаимосвязь между остаточными напряжениями и коррозионной стойкостью практически не изучена.

Сюн Цинжэнь и др. проанализировали остаточное напряжение стальных труб SSAW с помощью испытания на кольцевую резку и испытания глухих отверстий, сравнили остаточное напряжение стальных труб, произведенных разными производителями, и предложили индекс контроля остаточного напряжения, который эффективно способствовал развитию производства.

Чжан Динцюань, Хэ Цзявэнь и др. подробно изложили принцип, метод и применение неразрушающего рентгенодифракционного метода определения остаточных напряжений, что имеет большое значение для исследования этого метода.

Однако вышеупомянутые исследования больше сосредоточены на тенденции распределения и точности остаточных напряжений, а взаимосвязь между остаточными напряжениями и коррозионной стойкостью практически не изучена.

В данной статье с помощью анализа методом конечных элементов создана конечно-элементная модель стыкового соединения трубопроводной стали X80 для прогнозирования и анализа распределения остаточных напряжений, затем результаты моделирования проверены двумя методами испытаний, а именно методом рентгеновской дифракции и методом глухих отверстий, и проанализировано его влияние на коррозионную стойкость в сочетании с макротехникой.

1. Создание конечно-элементной модели

1.1 Параметры сварки

Толщина стенки трубопроводной стали для стыковых соединений составляет 22 мм, а материал - трубопроводная сталь X80.

Химический состав трубопроводной стали X80 приведен в таблице 1.

Метод сварки - электродуговая сварка.

В качестве основного низководородного натриевого электрода используется электрод E7016 диаметром 3,2 мм. сварочный материал.

Химический состав представлен в таблице 2. Перед сваркой подогрев 100 ℃.

Используется набивочный материал E8010-P1.

Химический состав представлен в таблице 3.

Параметры сварки: напряжение дуги 27~28 В, сварочный ток 120~130 А, скорость сварки 42 см/мин, форма канавки - односторонняя U-образная, сварка в 5 слоев и 10 проходов.

Таблица 1 Химический состав трубопроводной стали Х80 (масс. %)

 Таблица 2 E7016 Химический состав сварочный пруток (вес. %)

Таблица 3 Химический состав E8010-P1 (масс. %)

1.2 Определение параметров материала

Параметры материала X80 для моделирования получены с помощью анализа программы JMATPRO.

Некоторые физико-механические параметры, изменяющиеся в зависимости от температуры, показаны на рис. 1.

1.3 Создание модели сетки

Для обеспечения точности решения поля напряжений используется относительно развитая модель двойного эллипсоидального источника тепла, которая может отражать источник тепла экранированного металла дуговая сварка установлен.

В связи с относительно большими значениями остаточных напряжений вблизи сварного шва и около носка шва, а также с учетом градиента температуры, сетка в районе сварного шва уплотняется, переходная сетка используется для зона термического влияния и положение вдали от сварного шва, а сетка вдали от шва разрежена.

Размер единицы измерения положения сварного шва составляет 2 мм, общее количество единиц - 108 648, а количество узлов - 121 598, как показано на рис. 2.

1.4 Механические граничные условия

В месте расположения сварного пальца на внешней поверхности стальной трубы, соединенной встык, вдоль направления поперечное сечение сварного шваВыберите узел элемента в окружном положении для ограничения смещения в направлении X, чтобы гарантировать, что боковая усадка конечно-элементной модели трубы из стальной проволоки X80 не будет затронута;

Выберите узел элемента внешней поверхности стальной трубы трубопровода со свободной границей стыкового соединения вдоль продольного направления сварного шва и направления нормальной плоскости центра окружности для ограничения смещения по осям Y и Z, чтобы обеспечить отсутствие влияния продольной усадки модели.

2. Методы испытаний и измерений

2.1 Неразрушающий метод рентгеновской дифракции

Рентгеновское измерение напряжения неразрушающий контроль.

Его основной принцип основан на законе Брэгга, а базовая основа заключается в том, что деформация решетки материала, вызванная определенным напряженным состоянием, соответствует макродеформации.

Металлические материалы Обычно они поликристаллические, содержат большое количество зерен с различной ориентацией в единице объема, и любая выбранная кристаллическая плоскость может наблюдаться с любого направления в пространстве.

Согласно уравнению упругой механики, рассчитайте величину деформации соответствующей кристаллической плоскости через изменение расстояния между кристаллическими плоскостями, то есть

Где

• ε - величина деформации плоскости кристалла;
• d0 - расстояние между кристаллическими плоскостями в свободном от напряжений состоянии.

2.2 Метод слепого отверстия

Испытание на остаточное напряжение методом глухих отверстий является неразрушающим методом контроля.

Он заключается в наклеивании деформационной розетки на поверхность тестируемой детали.

По ссылке бурение заготовки в центре деформационной розетки, баланс напряжений нарушается и возникает определенная деформация.

Измерив приращение упругой деформации вблизи отверстия, можно рассчитать остаточное напряжение в малом отверстии, используя принцип упругой механики.

Главное напряжение и направление в малом отверстии можно рассчитать по следующей формуле.

Где εA - деформация тензорезистора a; A. B - коэффициент ослабления деформации.

2.3 Разработка метода испытания

Чтобы свести к минимуму погрешность, для измерения одного и того же образца используются два метода: сначала метод рентгеновского измерения, а затем метод глухого отверстия.

Для проверки точности результатов расчетов необходимо использовать калибровочное оборудование для измерения рентгеновской дифракции при нулевом и высоком напряжении;

При измерении методом глухого отверстия расстояние между точками измерения должно составлять 30 мм для эффективного снятия напряжения при сверлении.

После сварки стыкового соединения трубопроводной стали X80 для измерения напряжений следует выбрать положение носка шва и положение центра шва в окружном направлении.

3. Анализ и проверка результатов моделирования

3.1 Анализ результатов измерения остаточных напряжений в окружности

Путем моделирования получены результаты моделирования поля окружных напряжений в стыковом соединении трубы из стальной проволоки X80.

Извлекаются остаточные напряжения от положения сварного пальца с одной стороны стыкового соединения до относительно гладкой наружной поверхности, проводятся испытания на растяжение методом рентгеновского излучения и методом глухих отверстий.

Результаты показаны на рис. 3.

Из рис. 3 видно, что от положения начала дуги до положения ее остановки общая тенденция изменения остаточного напряжения сначала возрастает, а после стабилизации дуги напряжение стабильно достигает пикового значения и затем остается неизменным.

При приближении к месту остановки дуги величина остаточного напряжения уменьшается, что соответствует классическому правилу стыкового соединения.

При сварке в начальной и конечной точках эффект связывания сварного шва относительно невелик.

В то же время в начальной и конечной точках происходит определенное пересечение, в результате чего величина напряжения изменяется незначительно.

Позиции запуска и остановки оказывают определенный эффект предварительного нагрева на позиции остановки.

Поэтому сварочное напряжение относительно невелико и проявляется в основном в виде сжимающего напряжения;

В средней части, из-за большой силы сцепления в месте сварки после сварки, напряжение также велико, оно сначала увеличивается, а затем уменьшается, в основном проявляется растягивающее напряжение.

Тенденции двух методов измерения хорошо согласуются с результатами моделирования.

Максимальная погрешность между результатами моделирования и результатами рентгеновских дифракционных измерений составляет 490 мм от начального положения сварного шва, при этом погрешность составляет 15,9%;

Максимальная погрешность между результатами моделирования и результатами, измеренными методом глухих отверстий, составляет 490 мм, с погрешностью 12,4%.

Результаты остаточного напряжения, измеренного рентгеновским методом, колеблются в довольно больших пределах.

В связи с методом измерения и характеристиками образца для измерения, метод рентгеновской дифракции требует высокой плоскостности измерительной поверхности при измерении.

Однако плоскость стыкового соединения трубы из стальной проволоки X80 имеет определенный радиан, и размер решетки в месте измерения изменяется ненормально, что приводит к большому значению напряжения.

Тенденции изменения двух методов измерения примерно совпадают, и большинство измеренных значений больше, чем значения, полученные при моделировании.

В процессе расчета моделирования не учитываются такие факторы, как текучесть наполнителя, затвердевание материала и фазовые превращения, что приводит к меньшим результатам остаточного напряжения, предсказанным моделированием.

3.2 Анализ результатов измерений осевого остаточного напряжения

Результаты испытаний и моделирования осевого остаточного напряжения показаны на рисунке 4.

Из рис. 4 видно, что общая тенденция изменения остаточного напряжения от начального до конечного положения дуги сначала увеличивается, а после достижения пикового положения остаточное напряжение неуклонно снижается, что соответствует классическому правилу стыкового соединения.

Вблизи центра сварного шва сварное соединение относительно ограничено, что приводит к большим изменениям значений напряжений и относительно большим сварочным напряжениям, которые в основном являются растягивающими и сжимающими напряжениями;

Вблизи свободного конца значение остаточного напряжения относительно мало, поскольку оно не ограничено сварочное тепло входная деформация холодной и горячей усадки.

Тенденции двух методов измерения хорошо согласуются с результатами моделирования.

Максимальная погрешность между результатами моделирования и результатами рентгенодифракционных измерений составляет 68 мм, а погрешность - 13,9%;

Максимальная погрешность между результатом моделирования и результатом измерения методом глухих отверстий составляет 110 мм, а погрешность - 11,4%.

Результат измерения напряжения рентгеновским методом колеблется относительно сильно.

3.3 Влияние остаточного напряжения на коррозионную активность в технике

Результаты остаточных напряжений, полученные различными методами измерений, подтверждают точность результатов моделирования остаточных напряжений для трубопроводной стали X80.

В случае послепродажного обслуживания, полученного в результате реального инженерного применения, сотрудники послепродажного обслуживания в Пакистане обнаружили, что краска на сварном шве трубопроводной стали X80 очень легко отваливается под воздействием длительной почвенной коррозии и освещения, высвобождая вредную деформацию под воздействием факторов окружающей среды и остаточного напряжения, вызывая локальную коррозию и повреждение трубопроводной стали X80, что в конечном итоге приводит к коррозионному растрескиванию под напряжением.

При отсутствии серьезных аварий проблемы, возникающие на месте эксплуатации, решались путем анализа неисправностей.

4. Заключение

(1) Модель конечных элементов была использована для моделирования остаточных напряжений в стыковом соединении трубопроводной стали X80, а точность результатов моделирования была проверена с помощью рентгеновской дифракции и метода глухих отверстий.

Результаты моделирования хорошо согласуются с двумя методами измерения, а результаты рентгеновской дифракции превосходят результаты метода глухих отверстий.

(2) От начального положения дуги до положения остановки дуги общая тенденция изменения окружного остаточного напряжения сначала увеличивается, а после стабилизации дуги напряжение стабильно достигает пикового положения и затем сохраняется, а когда оно приближается к положению остановки дуги, значение остаточного напряжения уменьшается.

От положения начала дуги до положения ее остановки общая тенденция изменения осевого остаточного напряжения сначала возрастает, а после достижения пикового значения остаточное напряжение неуклонно снижается.

(3) Трубопроводная сталь X80 имеет локальное коррозионное растрескивание под напряжением.

С помощью технологии конечно-элементного моделирования можно предсказать местоположение высокого напряжения, что имеет определенное инженерное значение для эффективного предотвращения коррозионного растрескивания под напряжением.