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X80高强管线钢的焊接性及其模拟仿真

陈翠欣  
【摘要】:高压、大管径、高钢级管线钢是石油、天然气输送管道发展的必然趋势。X80管线钢是控轧控冷的微合金钢,具有高强度和良好的抗延性断裂能力,是输气管道中的高钢级管材。本课题即以X80管线钢为对象,采用物理模拟和定量预测手段,研究其在焊接工艺中所形成接头的性能及冷裂倾向,为X80管线钢在管道上的实际应用提供理论依据。同时还以热动力学、金属物理学和力学等基本理论为基础,计算X80高钢级管线钢焊接接头的热场、应力场,以及显微组织状态场,建立起完善的焊接性评定模型,得出保证X80管线钢焊接接头强韧化的最优化学成分和焊接条件,实现对焊接接头的组织和性能进行预测。 考虑线能量、板厚和预热温度三因素的影响,采用一次正交回归试验方法,制定了试验方案,并测量了不同工艺参数焊接热循环曲线。利用焊接热模拟技术模拟不同焊接工艺条件下的X80管线钢焊接粗晶区的组织和性能。研究结果表明,X80管线钢粗晶区组织主要为贝氏体,具有板条束和粒状两种形态;奥氏体晶粒显著粗化,尺寸约为30~40μm。随着冷却时间t8/5的增加,第二相粒子的数量减少,晶粒尺寸增加,当t8/5在6~8s时,粒状贝氏体含量较高,板条束贝氏体细小且方向性较弱,试样的冲击韧性较高;而当t8/5大于或小于该范围后,粒状贝氏体含量逐渐下降,板条贝氏体逐渐粗大、平行,试样韧性又逐渐降低。M-A组元由于其含量低,尺寸小,对韧性的影响不显著。因此为提高焊接粗晶区的韧性,应采用小线能量和合适的预热温度来控制晶粒尺寸和组织形态。 以焊接传热学、Leblond相变理论和热弹塑性理论为基础,考虑了材料物理性能参数与温度的非线性关系,以及温度分布、相变类型和比例以及应力应变之间的相互作用,采用SYSWELD有限元数值模拟软件实现了温度场、组织转变场和应力应变场三场耦合计算。 根据不同工艺参数的热循环曲线建立了X80管线钢热循环方程,并在热模拟数据的基础上建立了HAZ粗晶区的奥氏体晶粒长大动力学方程。采用Voronoi初始网格和Radhakrishnan算法,在MATLAB平台上编写了MC模拟微观组织的程序,实现了不同时刻晶粒长大演变情况的模拟。其模拟结果与试验结果吻合较好。 以VB6.0为平台设计了管线钢焊接性评定系统,用户可以实现焊接工艺参数的输入,材料的选择,模型的选择或自定义,评定结果的输出等功能。采用该系统可实现对X80管线钢的焊接性(包括冷裂纹敏感性、过热区的组织和奥氏体晶粒尺寸以及硬度和韧性)进行预测。


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