專利名稱：一種現(xiàn)場(chǎng)快速消除小直徑管道焊接接頭殘余應(yīng)力的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及焊接結(jié)構(gòu)延壽處理技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種快速消除小直徑管道焊接接頭殘余應(yīng)力的方法。
背景技術(shù)：
在石油化工、冶金等行業(yè)，小直徑管道(φ＜300mm)在運(yùn)輸管道系統(tǒng)中占有重要作用。管道內(nèi)輸送物質(zhì)的腐蝕性和管道焊接接頭部分存在殘余拉伸應(yīng)力的聯(lián)合作用，常常會(huì)在管道焊接接頭部位發(fā)生跑、冒、滴、漏等甚至完全開裂等事故，這種由于在特定材料上作用腐蝕介質(zhì)和拉伸應(yīng)力導(dǎo)致開裂的現(xiàn)象稱為應(yīng)力腐蝕開裂，簡(jiǎn)稱SCC。由于徹底消除小直徑管道焊接殘余應(yīng)力的困難，這一現(xiàn)象一直困擾化工、冶金等行業(yè)，存在安全隱患，造成很大的浪費(fèi)和損失，因此有必要解決管道接頭的SCC問題。
傳統(tǒng)局部熱處理一般采用電加熱帶纏在材料上，進(jìn)行加熱，靠蠕變減少應(yīng)力，可以降低應(yīng)力水平至材料屈服點(diǎn)的三分之二左右，但要求冷卻速度不能太快、保溫時(shí)間較長(zhǎng)，仍存在較高的殘余應(yīng)力，因而不能完全消除SCC的危害。而且傳統(tǒng)局部熱處理有一個(gè)致命的弱點(diǎn)，就是處理效率低、能耗高，不適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種效果更優(yōu)的快速消除小直徑管道焊接接頭殘余應(yīng)力的方法。
本發(fā)明的目的技術(shù)方案是采用溫差形變處理，利用加熱設(shè)備，在小直徑管道接頭環(huán)焊縫兩邊的壓應(yīng)力區(qū)進(jìn)行快速加熱，使加熱區(qū)與焊縫部位的溫差達(dá)到一定大?。痪唧w工藝為1)加熱區(qū)以焊縫為中心對(duì)稱分布，離開環(huán)縫距離為20mm～40mm；其加熱寬度為10～30mm；2)迅速加熱，使加熱區(qū)與環(huán)縫達(dá)到150℃～550℃溫差；然后自然冷卻即可。
其中加熱部位離開焊縫的距離選擇在內(nèi)表面軸向壓應(yīng)力區(qū)對(duì)應(yīng)的外表面；對(duì)于20鋼溫差為150～550℃，對(duì)于16Mn鋼溫差為200～550℃，對(duì)于不銹鋼溫差為150～550℃；小直徑管道可以為輸送管道，管徑直徑范圍50～300mm；材料可以為低碳鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼等各種管道用鋼；所述加熱可采用火焰、遠(yuǎn)紅外或電磁感應(yīng)加熱方法，如方便的話，在現(xiàn)場(chǎng)可用氧乙炔焰實(shí)現(xiàn)迅速加熱。
本發(fā)明具有如下有益效果1.消除應(yīng)力效果更優(yōu)。加熱區(qū)與非加熱區(qū)的溫差應(yīng)該選擇合適，太小不能有效消除焊縫區(qū)拉應(yīng)力，太大又會(huì)在加熱區(qū)形成新的高拉應(yīng)力區(qū)，對(duì)不銹鋼材料將是十分有害。由于本發(fā)明加熱區(qū)與焊縫部位的溫差合理，所以采用本方法不但能消除大部分的應(yīng)力，甚至可以在接頭附近造成壓縮應(yīng)力，與現(xiàn)有技術(shù)中局部熱處理只能降低焊接接頭焊接殘余應(yīng)力的1/3～1/4相比，本發(fā)明可以降低焊接接頭拉應(yīng)力80％～100％，甚至在焊接接頭造成一定大小的壓應(yīng)力，完全消除SCC的危害。
2.本發(fā)明具有施工簡(jiǎn)便、效率極高特點(diǎn)，速度快、時(shí)間短，能耗低，特別是適合現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1采用溫差形變處理，在小直徑管道接頭環(huán)焊縫兩邊的壓應(yīng)力區(qū)進(jìn)行快速加熱，使加熱區(qū)與焊縫部位的溫差達(dá)到一定大小；具體工藝為取直徑100mm、壁厚4.5mm的20鋼管，加熱區(qū)以焊縫為中心對(duì)稱分布，用環(huán)形火焰加熱器，加熱離開焊縫的距離選擇在內(nèi)表面軸向壓應(yīng)力區(qū)對(duì)應(yīng)的外表面，火焰有效加熱寬度10mm，加熱時(shí)間在30～40s之間(本實(shí)施例為35s)，火焰中心點(diǎn)距離焊縫中心線25～30mm(本實(shí)施例為25mm)。內(nèi)壁與火焰中心正對(duì)的點(diǎn)，其最高溫度達(dá)到400～500℃。500℃時(shí)，它與焊縫中心線上點(diǎn)的最高溫差達(dá)到200℃，然后自然冷卻即可。經(jīng)測(cè)試殘余應(yīng)力的下降情況如下原始?xì)堄鄳?yīng)力值(MPa)

處理后殘余應(yīng)力值(MPa)

可見，本實(shí)施例可以使焊接接頭內(nèi)表面由接近材料屈服點(diǎn)的拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，可完全消除SCC的危害。
本發(fā)明原理如下
由于小直徑管道環(huán)焊縫縮短造成管內(nèi)壁存在軸向拉應(yīng)力，這是造成SCC的主要因素。在焊縫兩邊的壓應(yīng)力區(qū)加熱使加熱區(qū)與未加熱區(qū)-中心焊縫區(qū)產(chǎn)生溫差，溫差造成焊縫兩邊的加熱區(qū)的受熱膨脹受到與之相鄰的非加熱區(qū)-中心焊縫區(qū)的限制。當(dāng)溫差達(dá)到相當(dāng)大的數(shù)值時(shí)，便會(huì)使加熱區(qū)產(chǎn)生壓縮塑性變形，這樣在溫度平衡后，就會(huì)使焊縫兩邊加熱區(qū)縮短，與中心焊縫區(qū)相協(xié)調(diào)，從而使焊縫區(qū)應(yīng)力降低乃至消除。
本發(fā)明加熱區(qū)與非加熱區(qū)的溫差應(yīng)該選擇合適，太小不能有效消除焊縫區(qū)拉應(yīng)力，太大又會(huì)在加熱區(qū)形成新的高拉應(yīng)力區(qū)，對(duì)不銹鋼材料將是十分有害。
實(shí)施例2與實(shí)施例1不同之處在于取不銹鋼鋼管，直徑300mm，壁厚4.5mm，加熱區(qū)離開環(huán)縫距離為30mm；其加熱寬度為20mm，加熱為40s，使加熱區(qū)與環(huán)縫達(dá)到600℃，溫差為400℃，然后自然冷卻即可。
其結(jié)果原始?xì)堄鄳?yīng)力值(MPa)

處理后殘余應(yīng)力值(MPa)

本發(fā)明還可以取低合金結(jié)構(gòu)鋼等各種管道用鋼。
采用本發(fā)明可根據(jù)具體管道的材料、直徑和壁厚，確定處理工藝參數(shù)，包括加熱器的選擇、離開焊縫的距離以及加熱時(shí)間的選定。其中加熱器的選擇可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體情況來(lái)定，一般來(lái)說采用火焰加熱在現(xiàn)場(chǎng)更加方便實(shí)用；其加熱時(shí)間可以通過試驗(yàn)預(yù)先進(jìn)行確定。各種管道用鋼所需溫差的確定原理是根據(jù)鋼的熱膨脹系數(shù)和處理所要達(dá)到的應(yīng)力值來(lái)確定。
權(quán)利要求
1.一種現(xiàn)場(chǎng)快速消除小直徑管道焊接接頭殘余應(yīng)力的方法，其特征在于采用溫差形變處理，在小直徑管道接頭環(huán)焊縫兩邊的壓應(yīng)力區(qū)進(jìn)行快速加熱，造成加熱區(qū)與焊縫部位的溫差；具體工藝為1)加熱區(qū)以焊縫為中心對(duì)稱分布，離開環(huán)縫距離為20mm～40mm；其加熱寬度為10～30mm；2)迅速加熱，使加熱區(qū)與環(huán)縫達(dá)到150℃～550℃溫差；然后自然冷卻即可。
2.按照權(quán)利要求1所述現(xiàn)場(chǎng)快速消除小直徑管道焊接接頭殘余應(yīng)力的方法，其特征在于加熱離開焊縫的距離選擇在內(nèi)表面軸向壓應(yīng)力區(qū)對(duì)應(yīng)的外表面。
3.按照權(quán)利要求1所述現(xiàn)場(chǎng)快速消除小直徑管道焊接接頭殘余應(yīng)力的方法，其特征在于小直徑管道可以為輸送管道，管徑直徑范圍50～300mm；材料可以為低碳鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼各種管道用鋼。
4.按照權(quán)利要求1所述現(xiàn)場(chǎng)快速消除小直徑管道焊接接頭殘余應(yīng)力的方法，其特征在于對(duì)于20鋼溫差為150～550℃，對(duì)于16Mn鋼溫差為200～550℃，對(duì)于不銹鋼溫差為150～550℃。
全文摘要
本發(fā)明涉及焊接結(jié)構(gòu)延壽處理技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種快速消除小直徑管道焊接接頭殘余應(yīng)力的方法。具體是采用溫差形變處理，在小直徑管道接頭環(huán)焊縫兩邊的壓應(yīng)力區(qū)進(jìn)行快速加熱，造成加熱區(qū)與焊縫部位的溫差；工藝為1)加熱區(qū)以焊縫為中心對(duì)稱分布，離開環(huán)縫距離為20mm～40mm；其加熱寬度為10～30mm；2)迅速加熱，使加熱區(qū)與環(huán)縫達(dá)到150℃～550℃溫差；然后自然冷卻即可。本發(fā)明可以降低焊接接頭拉應(yīng)力80％～100％，本發(fā)明不但能消除大部分的應(yīng)力，甚至完全消除SCC的危害，并且具有施工簡(jiǎn)便、效率極高特點(diǎn)，速度快、時(shí)間短，能耗低，特別是適合現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用。
文檔編號(hào)B23K31/02GK1548265SQ03133348
公開日2004年11月24日 申請(qǐng)日期2003年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月22日
發(fā)明者林泉洪, 陳懷寧, 呂建民, 陳靜, 梁越, 黃春玲 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所