x80高强管线钢的焊接性及其模拟仿真

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1、中文摘要高压、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，建立超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

2、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30～40m。随着冷却时间t。的增加，第二相粒子的数量减少，晶粒尺寸增加，当tm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t“s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

3、，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VoronoJ仞始网格和Radhakrishnan算法，在MATLAB平台上编写了Mc

4、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。采用陔系统可实现对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。关键词：X80管线钢；焊接性；热模拟；数值模拟；评定系统ABSTRACTHigh—pressure，large—diameterandhigh—strengthpipesareinevitabletrendfortheoilandnatur

5、algastransportingpipeline．X80pipelinesteel，microalloyedsteelproducedbyTMCPprocesswithhighstrengthandgoodcrack—resistanceprosperity,isthemainmaterialoftransportingpipeline．Inthispaper,physicalsimulationandquantitativepredicationofCGGHAZforX80pipelinesteelwerepreformedinordertostudyitsme

6、chanicalprosperitiesandcoldcracksusceptivity,whichwillprovidetheoreticalknowledgeforitspracticalapplication．Atthesametime，Onthebasisofheattransfer，metalphysicsandmechanics，theevaluatingsystemwereestablishedaftercalculatingthedistributionoftemperature，microstructureandstress，whichcanbeu

7、sedtooptimizechemicalcompositionandweldingconditionandpredictmicrostructureandmechanicalprosperities．Takingintoconsiderationheatinput，platethicknessandpreheatedtemperature，orthogonalregressionandthermalsimulatingtechnologywasusedtOstudyweldCGHAZofpipelinesteelX80．Thethermalcyclefordi