Q460E焊接性能分析及匹配焊材研究

论文摘要

目前国内石油井架存在的主要问题是结构过于笨重,无法满足石油装备发展模块化、移运性和高强度的要求。针对这一问题,采用高强度级别钢材替代传统钢材是一个合理的选择,因此本文选择Q460E钢作为母材进行了焊接试验及性能测试,其焊接接头具有较高的强度和较好的低温韧性,在获得更高强度的同时能够减轻井架的重量,满足了石油装备发展对移运性和高强度的要求,有利于井架生产的模块化和高效率。在此基础上,结合焊接接头力学性能和金相组织,深入探讨了焊接材料中合金成分及配比对焊接组织及性能的影响。通过分析发现,采用多元微合金化以及严格控制焊材中S、P的含量能有效地改善焊接接头的性能,尤其是添加适量的Ni、Mo再辅以其它微合金元素能显著改善焊接接头的低温冲击性能。基于此,通过调整合金系和药皮配方,试制了55公斤级低氢型焊条,并采用该焊条进行了焊接试验及性能测试,该焊条完全满足Q460E钢的焊接要求,尤其是低温冲击性能方面有明显的改善,为Q460E等高强度钢在焊接材料方面提供了更好的选择。Q460E作为一种高强度承载结构钢,其焊接残余应力将对结构安全性及使用寿命产生重要影响,为了研究其残余应力水平及分布状态,本文利用Ansys软件对焊接过程进行了数值模拟,并分析了焊接过程中温度场和应力应变场的变化规律。为了验证模拟结果的有效性,采用盲孔法进行了焊接残余应力测试。结果表明,模拟结果与测试结果吻合较好,数值模拟可作为预测重要结构焊接残余应力的一种有效手段,同时也为优化焊接工艺提供了科学依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 石油用钢现状
• 1.2 石油井架底座的现状
• 1.3 现代设计思想及原则
• 1.4 石油井架底座存在的问题
• 1.5 研究的主要内容及技术路线
• 2 Q460E钢焊接性分析及试验方案
• 2.1 检测项目及方法
• 2.2 试验结果及分析
• 2.2.1 化学成分分析
• 2.2.2 拉伸试验
• 2.2.3 冲击试验
• 2.2.4 冷弯试验
• 2.2.5 斜Y试验
• 2.3 Q460E钢焊接性分析
• 2.4 焊接试验方案
• 2.4.1 焊接材料选择
• 2.4.2 焊接工艺
• 2.4.3 试验具体方案
• 2.5 小结
• 3 焊接接头力学性能分析
• 3.1 焊接接头拉伸试验
• 3.2 焊接接头冲击试验
• 3.3 焊接接头冷弯试验
• 3.4 焊接接头硬度测试
• 3.5 小结
• 4 焊接接头组织分析
• 4.1 定量金相
• 4.2 光镜组织分析
• 4.3 扫描组织分析
• 4.4 小结
• 5 低氢焊条研制
• 5.1 焊条合金系设计
• 5.2 焊条药皮配方设计
• 5.3 焊条制备及性能测试
• 5.4 小结
• 6 温度及残余应力场分析
• 6.1 焊接过程数值模拟
• 6.1.1 热源模型的选取
• 6.1.2 Ansys有限元模拟分析
• 6.1.2.1 单元属性设置
• 6.1.2.2 建立模型、划分网络及施加载荷
• 6.1.2.3 进入求解器、执行求解和后处理
• 6.1.3 模拟结果及分析
• 6.1.3.1 温度场模拟结果
• 6.1.3.2 X向应力场模拟结果
• 6.1.3.3 Y向应力场模拟结果
• 6.1.3.4 Z向应力场模拟结果
• 6.1.3.5 应变场模拟结果
• 6.1.3.6 应力场随时间的变化规律
• 6.2 残余应力测试
• 6.2.1 测试原理
• 6.2.2 测试步骤
• 6.2.3 试验结果及分析
• 6.3 模拟结果与实测结果对比分析
• 6.4 小结
• 7 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 Q460E焊接工艺
• 附录2 各种焊材焊接接头力学性能一览表
• 附录3 三维模拟命令流文件
• 附录4 在校期间发表的论文