张体明,蒋伟
摘要
采用ABAQUS软件建立了煤制气管线X80钢螺旋焊管三维模型,综合考虑焊接残余应力和组织不均匀性的影响,进行了焊接接头氢扩散的数值模拟。结果表明,残余应力和组织不均匀都会导致氢扩散的发生,氢浓度的分布规律与静水应力分布特征相似,即静水应力越高的区域,相应的氢浓度也较高,说明残余应力的影响大于组织不均匀性的影响。氢浓度最高的焊缝区比不考虑残余应力时提高了2.7倍,通过等效充氢压力下的慢应变速率拉伸实验发现,氢脆系数由不考虑残余应力时的18.56%上升至考虑残余应力所致氢富集条件下的32.53%,增加幅度达到75.27%。因此,残余应力是导致焊接接头氢富集进而影响氢脆失效的重要因素,采用数值模拟方法确定氢富集程度则是评估煤制气管线焊接接头安全性的重要基础。
关键词：
预计至2030年,全球能源的需求量将增长45%,而到本世纪末将增长3倍[1]。与此同时,由传统能源带来的环境污染和温室气体排放等问题也日益凸显。作为新型清洁高效能源的代表,氢将会在未来的社会发展中起到至关重要的作用[2]。例如,发展含氢煤制天然气行业被认为是传统能源清洁利用的典范,国家能源局印发的《煤炭深加工产业示范“十三五”规划》中明确提出了2020年实现煤制天然气产能达到170×108m3/a的目标。为了将内陆生产的煤制气输送到沿海地区,势必涉及高压含氢气体的输送问题,而管道无疑是运输方式的首选[3]。但是高压环境下H会扩散进入材料内部,进而降低输送管线的塑性和断裂韧性[4]。为减少建设成本,英国曾做过采用现有天然气管线进行天然气和H2混合输送的可行性调查[5],但调研过程中并未对管线特别是管线焊接接头部位的氢脆失效风险展开针对性的系统研究。焊接是长输管线的重要连接工艺,其热作用会导致接头部位出现严重的组织不均匀[6,7,8]和复杂的残余应力[9,10,11],性能与母材相比发生严重恶化,极有可能加剧氢致脆化失效的风险。氢扩散是材料发生氢脆失效的前提条件[12,13],因此研究和揭示氢在焊接接头中的扩散和富集行为,是进一步明确焊接接头薄弱区域,评判煤制气管线等临氢管线氢脆失效风险的基础和关键。
焊接热过程所导致的接头组织不均匀势必影响接头各亚区的氢扩散参数,如何确定各区的氢扩散参数对接头部位氢富集的评判至关重要。氢渗透实验方法是获得氢在材料中的扩散系数、溶解度、氢浓度等参数的重要手段。但是对于热影响区而言,由于其跨度很小,并且随着距离焊缝位置的不同,所经历的峰值温度也不相同,存在严重的组织差异,所以直接从接头处切取热影响区试样进行氢渗透实验的方法难以保证测试精度。鉴于此,本文作者前期工作[14,15]采用焊接热模拟的方法,使试样经历与实际焊接过程相同的热循环过程,以获得放大的试样,并通过高压气相氢渗透实验获得了各区的氢扩散系数、吸附氢浓度、氢溶解度等关键参数。除此之外,焊接残余应力也是影响氢扩散的另一重要因素[16],与接头组织不均匀产生叠加效应,极易诱发焊接接头局部氢富集,进一步增加了管线氢致脆化的可能性和复杂程度。但是通过氢渗透实验仅能研究单一因素作用下材料中的氢渗透行为,不能确定焊接接头多组织共存且耦合残余应力条件下的氢扩散和富集行为,而这恰是影响焊接接头氢致失效的关键。相比而言,数值模拟的方法则弥补了这一不足。蒋文春等[17]采用数值模拟的方法研究发现,存在焊接残余应力梯度的情况下,氢会向接头高应力区富集。遗憾的是,计算过程中将焊接接头作为均质材料处理,并没有考虑焊接接头各区组织差异对氢扩散行为的影响。
本工作选用X80钢螺旋缝埋弧焊管为研究对象,采用ABAQUS软件建立数值模拟计算模型,模拟计算管线焊接残余应力场,并作为氢扩散计算的预定应力场,焊接接头各区的氢扩散参数通过高压氢渗透实验获得,在此基础上模拟计算组织不均匀和残余应力耦合作用下焊接接头中的氢扩散和富集行为,确定焊接接头所能达到的最高氢浓度,为临氢焊接管线的安全评定奠定基础。
1 焊接接头各区氢扩散参数的测定
1.1 实验材料及方法
选用X80钢螺旋缝埋弧焊管,主要化学成分(质量分数,%)为：C 0.06,Si 0.27,Mn 1.81,S 0.002,P 0.011,Ni 0.30,Mo 0.31,Cu 0.28,Nb 0.07,Cr 0.02,Ti 0.015,Fe余量。管线外径为1219 mm,壁厚18.4 mm,焊缝螺距为1760 mm,采取先内焊、后外焊的方式,内焊领先外焊1.5个螺距,焊丝及焊接工艺如表1所示,焊接过程中采用SJ101G型烧结焊剂保护。截取焊接接头部位的试样,打磨、抛光、侵蚀后,利用Leica S6D体式显微镜观察试样宏观形貌,如图1所示。并对接头的尺寸进行测量。
表1螺旋焊管焊接材料及工艺参数
Table 1Welding materials and parameters of spiral welded pipe
图8a~c分别为焊缝金属在N2、模拟煤制气以及等效充氢环境中宏观断口形貌的SEM像。可以看出,试样的断口面积依次增加,相应的断面收缩率不断降低,塑性变形能力逐渐恶化。N2环境中的试样断口呈杯锥状(图8a),属于典型的韧性断裂特征。断口边缘局部放大形貌如图8d所示,可见该区由塑性较好的韧窝组成。模拟煤制气环境下试样断口局部放大形貌(图8e)同样主要由韧窝组成,但韧窝的深度显著减小,说明塑性变形能力有所下降。在考虑残余应力氢富集作用的等效充氢环境下,试样断口边缘(图8f)几乎观察不到塑性变形迹象,断口表面平齐,无韧窝出现,存在一些细小的二次裂纹,氢脆敏感性比模拟煤制气环境下有明显的增加,与氢脆系数的计算结果相对应。
通过氢脆系数和断口分析可知,由焊接残余应力所导致的氢富集对材料的氢脆失效敏感性具有重要影响,采用数值模拟的方法对氢扩散进行数值模拟,进而确定氢富集区域和程度则是焊接接头安全评价的重要基础。
图8不同环境中焊缝区断口形貌的SEM像
Fig.8Low (a~c) and high (d~f) magnified fracture SEM images of weld metal in nitrogen gas (a, d), coal gas (b, e) and equivalent charging hydrogen (c, f) environments
4 结论
(1) 综合考虑焊接残余应力和组织不均匀对氢扩散的影响,建立了煤制气输送管线X80钢螺旋焊管氢扩散三维计算模型。结果表明,接头残余应力和组织不均匀性均会导致氢扩散的发生,其中残余应力的影响大于组织不均匀性的影响。残余应力最高的焊缝区心部,其氢浓度比不考虑残余应力时提高了2.7倍。
(2) 提出等效充氢压力的概念,采用SSRT实验研究了组织不均匀和焊接残余应力耦合所致氢富集对氢脆敏感性的影响。焊缝金属的氢脆系数由模拟煤制气环境中的18.56%上升至等效充氢压力下的32.53%,增加幅度达到75.27%。
(3) 残余应力对氢扩散的影响不容忽视,采用数值模拟的方法进行焊接接头氢富集的预测,并与环境力学性能测试相结合,提供了科学评价临氢焊接结构氢致脆化敏感性的新思路。
来源--金属学报