一種管線環(huán)焊接頭的強(qiáng)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種強(qiáng)化方法，特別涉及一種石油天然氣管線環(huán)焊接頭的強(qiáng)化方法， 屬于石油開采技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 管道輸送是石油天然氣輸送最有效的方式之一。我國是一個(gè)地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)國家， 長輸管線如西氣東輸二線、三線，中緬、中哈等均穿越了大量地震帶、凍土帶、黃土沉降、滑 坡等惡劣地質(zhì)環(huán)境，易于導(dǎo)致管線發(fā)生較大的塑性變形，從而導(dǎo)致管線出現(xiàn)如拉伸斷裂和 壓縮屈曲等的失效事故。
[0003] 人們?yōu)榱颂岣哒麠l管線對(duì)惡劣地質(zhì)環(huán)境的適應(yīng)能力，開發(fā)出了具有良好均勻變形 能力的大變形管。目前，我國已經(jīng)成功開發(fā)出X70、X80級(jí)別的大變形管。長輸管線建設(shè)主要 由大量的管道通過焊接方式連接而成。
[0004] 近年來，國內(nèi)外管線在較大塑性變形條件下出現(xiàn)環(huán)焊接頭失效事故的情況時(shí)有發(fā) 生，其中很大一部分是由于焊接熱影響區(qū)強(qiáng)度降低而導(dǎo)致的局部集中變形所致。研究表明， 環(huán)焊接頭熱影響區(qū)軟化是這種斷裂失效的直接誘因。對(duì)于由具有良好變形能力的大變形管 所建造的管線而言，環(huán)焊接頭熱影響區(qū)軟化問題將是決定其運(yùn)行安全和使用壽命的關(guān)鍵。
[0005] X70級(jí)別以上管線鋼的生產(chǎn)均采用了特殊的超低碳、微合金化設(shè)計(jì)和控乳控冷乳 制工藝，通過獲得針狀鐵素體、貝氏體等組織來獲得管線鋼的高強(qiáng)韌性和良好焊接性。X70 級(jí)別以上管線焊接安裝過程中，環(huán)焊接頭熱影響區(qū)位置因?yàn)槭艿綗嵊绊懚l(fā)生組織轉(zhuǎn)變， 在隨后的自然冷卻過程中會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)硬性較低的粗大粒狀貝氏體等組織，從而導(dǎo)致熱影響 區(qū)位置的軟化或失強(qiáng)。所以，X70級(jí)別以上管線焊接接頭熱影響區(qū)具有存在軟化區(qū)的必然 性，而且鋼級(jí)越高，其軟化程度越明顯，對(duì)管線的安全性影響越大。
[0006] 研究表明，熱影響區(qū)軟化對(duì)接頭性能影響，除了軟化區(qū)軟化程度的影響外，也與軟 化區(qū)的形狀與尺寸直接相關(guān)。為了應(yīng)對(duì)軟化問題所導(dǎo)致的失效事故，中外大變形管線工程 往往通過在熱影響區(qū)增加焊道以形成"禮帽型"焊縫(結(jié)構(gòu)如圖1所示，加強(qiáng)焊道寬度不得小 于管道壁厚的1/2)的方式來降低焊接熱影響區(qū)軟化對(duì)管線服役能力的影響，避免在管線發(fā) 生較大變形時(shí)環(huán)焊接頭出現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)變集中，從而防止管線出現(xiàn)拉伸斷裂、壓縮屈曲等的 失效事故。然而，這種補(bǔ)強(qiáng)焊道的采用，一方面會(huì)增加管線鋪設(shè)過程中的施工成本和施工周 期；另一方面也存在補(bǔ)強(qiáng)焊道熱影響區(qū)所導(dǎo)致的二次軟化問題，因而該焊道焊接熱輸入控 制不當(dāng)，仍然會(huì)引起同樣的失效問題。隨著管線鋼強(qiáng)度級(jí)別的提高，補(bǔ)強(qiáng)焊道熱影響區(qū)軟化 問題對(duì)整個(gè)接頭的影響將越來越明顯，因此，通過補(bǔ)強(qiáng)焊道提高環(huán)焊接頭強(qiáng)度的這種結(jié)構(gòu) 補(bǔ)強(qiáng)方式的應(yīng)用空間會(huì)越來越小，亟需另辟蹊徑。
[0007] 激光束具有能量密度高、可聚焦、精度高、效率高、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成功應(yīng)用 于航空、航天、汽車制造、電子、輕工業(yè)等領(lǐng)域。激光焊是利用激光束作為熱源的一種高效、 精密的焊接方法，與傳統(tǒng)焊接方法相比，激光焊具有加熱及冷卻速度快、熱影響區(qū)及變形 小、接頭性能好、效率高及控制靈活、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。
[0008] 雖然激光重熔具有眾多優(yōu)勢(shì)，但也存在一定的缺點(diǎn)：一方面是激光加熱過程中的 高能量密度會(huì)導(dǎo)致金屬的快速蒸發(fā)，致使加強(qiáng)焊道出現(xiàn)少量凹陷，從而形成結(jié)構(gòu)性缺陷；另 一方面是激光焊道高強(qiáng)硬性可能導(dǎo)致的環(huán)焊接頭熱影響區(qū)韌性損失。
[0009] 比如，公布號(hào)為CN103341695A的中國專利申請(qǐng)公開了一種改善調(diào)質(zhì)低合金高強(qiáng)鋼 GMAW接頭力學(xué)性能的方法。該申請(qǐng)主要針對(duì)調(diào)質(zhì)低合金高強(qiáng)鋼焊接接頭軟化區(qū)引起的失強(qiáng) 問題而提出，但沒有考慮到調(diào)質(zhì)低合金高強(qiáng)鋼激光重熔焊道引起的脆化、開裂等問題，以及 激光重熔焊道導(dǎo)致的調(diào)質(zhì)低合金高強(qiáng)鋼焊接接頭熱影響區(qū)的沖擊韌性和焊接接頭彎曲性 能惡化等問題。上述專利申請(qǐng)通過在軟化區(qū)形成馬氏體組織來達(dá)到提高其強(qiáng)度的目的，但 往往會(huì)導(dǎo)致熱影響區(qū)韌性的惡化及焊接接頭彎曲性能不達(dá)標(biāo)的問題出現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種石油天然氣管線環(huán)焊接頭的 強(qiáng)化方法，該方法可以提高管線的抗斷裂及服役能力，適用于基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)管線(大變形管 線)環(huán)焊接頭的強(qiáng)化，也適用于高鋼級(jí)管線環(huán)焊接頭的強(qiáng)化。
[0011] 為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明提供了一種管線環(huán)焊接頭的強(qiáng)化方法，該方法包 括以下步驟：
[0012] 根據(jù)環(huán)焊接頭的施焊工藝，確定管線環(huán)焊接頭外表面熱影響區(qū)的寬度；
[0013] 在管線環(huán)焊接頭外表面的熱影響區(qū)，采用連續(xù)激光束以激光重熔方式處理管線環(huán) 焊接頭，并確保重熔焊道覆蓋管線環(huán)焊接頭外表面的熱影響區(qū)；
[0014] 對(duì)激光重熔處理后的管線環(huán)焊接頭進(jìn)行修磨，完成對(duì)管線環(huán)焊接頭的強(qiáng)化。
[0015] 在本發(fā)明的管線環(huán)焊接頭的強(qiáng)化方法中，優(yōu)選地，以正離焦量進(jìn)行激光重熔，確保 重熔焊道覆蓋管線環(huán)焊接頭外表面的熱影響區(qū)。
[0016] 在本發(fā)明的管線環(huán)焊接頭的強(qiáng)化方法中，優(yōu)選地，所述激光重熔的熱輸入范圍為 3 · 0kJ/cm_f5 · OkJ/cm。
[0017] 在本發(fā)明的管線環(huán)焊接頭的強(qiáng)化方法中，優(yōu)選地，在所述激光重熔方式中，激光重 熔焊道的平均硬度為Hv260-Hv280。
[0018] 在本發(fā)明的管線環(huán)焊接頭的強(qiáng)化方法中，優(yōu)選地，在所述激光重熔方式中，激光束 垂直于管線環(huán)焊接頭外表面。
[0019] 在本發(fā)明的管線環(huán)焊接頭的強(qiáng)化方法中，優(yōu)選地，在所述激光重熔方式中，激光斑 點(diǎn)中心沿管線環(huán)焊接頭的焊縫熔合線移動(dòng)360°的方式進(jìn)行。
[0020] 在本發(fā)明的管線環(huán)焊接頭的強(qiáng)化方法中，優(yōu)選地，激光重熔在純氬氣氣氛下進(jìn)行。
[0021] 在本發(fā)明的管線環(huán)焊接頭的強(qiáng)化方法中，優(yōu)選地，所述純氬氣的流量為15L/min_ 25L/min;更優(yōu)選地，所述純氬氣的流量為25L/min。
[0022] 在本發(fā)明的管線環(huán)焊接頭的強(qiáng)化方法中，優(yōu)選地，該方法具體包括以下步驟：
[0023] 根據(jù)環(huán)焊接頭的施焊工藝，確定管線環(huán)焊接頭外表面的熱影響區(qū)的寬度；
[0024] 對(duì)管線環(huán)焊接頭的焊縫熔合線的兩側(cè)區(qū)域進(jìn)行清理；
[0025] 在管線環(huán)焊接頭外表面的熱影響區(qū)，采用連續(xù)激光束以激光重熔方式處理管線環(huán) 焊接頭，以正離焦量進(jìn)行激光重熔，確保重熔焊道覆蓋管線環(huán)焊接頭外表面的熱影響區(qū)，其 中，所述激光重熔工藝的熱輸入范圍為3. OkJ/cm-5 . OkJ/cm，激光重熔焊道的平均硬度為 Hv260-Hv280，激光束垂直于管線環(huán)焊接頭外表面，激光半點(diǎn)中心沿管線環(huán)焊接頭的焊縫熔 合線移動(dòng)360°的方式進(jìn)行，在流量為15L/min-25L/min的純氬氣氣氛下進(jìn)行；
[0026] 對(duì)激光重熔處理后的管線環(huán)焊接頭進(jìn)行修磨，完成對(duì)管線環(huán)焊接頭的強(qiáng)化。
[0027] 在本發(fā)明的管線環(huán)焊接頭的強(qiáng)化方法中，優(yōu)選地，對(duì)管線環(huán)焊接頭的焊縫熔合線 的兩側(cè)區(qū)域進(jìn)行清理時(shí)，兩側(cè)區(qū)域的范圍根據(jù)熱影響區(qū)的寬度確定。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以 自行進(jìn)行確定。一般為焊縫熔合線兩側(cè)各15mm的范圍。
[0028] 本發(fā)明的管線環(huán)焊接頭的強(qiáng)化方法主要針對(duì)X70級(jí)別以上的石油天然氣管線環(huán)焊 接頭而提出，借助激光束的加熱及冷卻特點(diǎn)，主要通過激光重熔，以在超低碳的高鋼級(jí)管線 焊接接頭熱影響區(qū)獲得細(xì)小針狀鐵素體及貝氏體鐵素體組織，來達(dá)到強(qiáng)化熱影響區(qū)，獲得 良好熱影響區(qū)韌性和焊接接頭彎曲性能的目的。
[0029] 本發(fā)明的管線環(huán)焊接頭的強(qiáng)化方法適用于大變形管線環(huán)焊接頭，解決熱影響區(qū)軟 化對(duì)管線整體形變能力的影響問題，以取代現(xiàn)行的"禮帽型"環(huán)焊縫解決方案，適合X70以上 大變形管線環(huán)焊接頭的強(qiáng)化，也適合X70以上級(jí)別其它管線環(huán)焊接頭的強(qiáng)化。
[0030] 本發(fā)明的管線環(huán)焊接頭的強(qiáng)化方法采用激光束對(duì)管線環(huán)焊接頭熱影響區(qū)進(jìn)行重 熔，以獲得具有高強(qiáng)韌性的加強(qiáng)焊道，來提高熱影響區(qū)的抗變形能力，擾亂熱影響區(qū)的連續(xù) 變形路徑，旨在防止管線變形過程中熱影響區(qū)的優(yōu)先變形及快速變形。
[0031] 本發(fā)明的管線環(huán)焊接頭的強(qiáng)化方法選擇激光束作為重熔焊道的熱源，主要利用激 光加熱及冷卻快的特點(diǎn)，獲得強(qiáng)硬性高的針狀鐵素體及貝氏體鐵素體等組織來替代"禮帽 型"焊道結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)的效果；同時(shí)利用激光束精度高、效率高、二次軟化區(qū)尺寸小等特點(diǎn)，來獲 得一定尺寸的重熔焊道，以改變焊接接頭熱影響區(qū)軟化區(qū)的形狀及尺寸，既可以起到強(qiáng)化 焊接接頭的作用，又對(duì)熱影響區(qū)韌性和焊接接頭彎曲性能會(huì)產(chǎn)生良好的影響。
[0032] 本發(fā)明的管線環(huán)焊接頭的強(qiáng)化方法與現(xiàn)有方法相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0033] 本發(fā)明的管線環(huán)焊接頭的強(qiáng)化方法是一種用于大變形管線環(huán)焊接頭強(qiáng)化的方法， 可以大大提高大變形管線環(huán)焊接頭熱影響區(qū)的形變抗力，摒棄了現(xiàn)有的通過"禮帽型"焊縫 增強(qiáng)的焊材及施工成本高、施工周期長等缺點(diǎn)。
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