一種石油天然氣薄壁小直徑管道力學性能試樣制備方法技術

本發明專利技術公開一種石油天然氣薄壁小直徑管道力學性能試樣制備方法，包括以下步驟：（1）在待測石油天然氣薄壁小直徑管道周向截取試樣，所截取試樣的寬度為Wmm，厚度為Bmm；（2）在所截取試樣的兩側激光焊接兩個加長塊得到試驗試樣，所述加長塊的寬度為L，所述加長塊的厚度大于或等于B；其中L+W+L大于或等于拉伸、沖擊、CTOD斷裂韌性或裂紋擴展速率試驗所需試樣的最小長度。利用本發明專利技術方法可以測得用常規方法難以獲得的力學性能數據，對于提高石油天然氣管道的安全性評價具有重要的現實意義。同時將激光深熔焊技術應用于小試樣的制備、有效地提高了試樣的利用率，節省材料，達到了節能降耗的效果，具有綠色制造的性質。

【技術實現步驟摘要】
一種石油天然氣薄壁小直徑管道力學性能試樣制備方法
本專利技術屬于材料力學性能檢測領域，涉及一種石油天然氣薄壁小直徑管道力學性能試樣的制備方法。
技術介紹
隨著石油天然氣工業發展迅速，越來越多的輸送管道遍布在城鎮的各個角落。然而，輸氣管道一旦發生泄漏事故，石油天然氣很容易被引燃而導致爆炸及火災，并同時伴隨中毒和壞境污染，存在嚴重的安全隱患。而事故的發生往往是由于管道缺陷、焊接缺陷、腐蝕以及外力損傷等原因造成。據統計，近年來，歐美國家的輸氣管道事故率平均值為0.5，而我國僅四川的12條輸氣管道的事故率就高達4.3。目前，我國的輸氣管道的長度已經超過3萬公里，有些長距離輸氣管道已經工作了20多年，由于管道的性能退化已經達到的事故的高發期，存在非常大的安全隱患，所以對在役輸氣管道進行安全性檢測和完整性評估就尤為重要。在對石油天然氣薄壁小直徑管道進行力學性能檢測與評價時，從管道中取出的試樣尺寸難以滿足力學性能試驗標準中的拉伸、沖擊、斷裂韌性、裂紋擴展速率等試樣尺寸要求。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種石油天然氣薄壁小直徑管道力學性能試樣制備方法，以解決上述技術問題。為了實現上述目的，本專利技術采用如下技術方案：一種石油天然氣薄壁小直徑管道力學性能試樣制備方法，包括以下步驟：（1）在待測石油天然氣薄壁小直徑管道周向截取試樣，所截取試樣的寬度為Wmm，厚度為Bmm；（2）在所截取試樣的寬度方向兩側激光焊接兩個加長塊得到試驗試樣，所述加長塊的寬度為L，所述加長塊的厚度大于或等于B；其中L+W+L大于或等于拉伸、沖擊、CTOD斷裂韌性或裂紋擴展速率試驗所需試樣的最小長度。本專利技術進一步的改進在于：所述石油天然氣薄壁小直徑管道的外徑和厚度滿足以下條件：t>B(4)R2=(w/2)2+(R-t+B)2（5）式中：R為管道外徑，t為管道厚度。本專利技術進一步的改進在于：所述石油天然氣薄壁小直徑管道的材質為20#鋼；加長塊的材質為Q-235。本專利技術進一步的改進在于：所述石油天然氣薄壁小直徑管道的規格尺寸為φ114mm×6mm；步驟1（1）中所截取的試樣的寬度為20mm，厚度為5mm。本專利技術進一步的改進在于：步驟（2）中所述加長塊的寬度為75mm，厚度為6mm。本專利技術進一步的改進在于：步驟（2）中激光焊接所采用激光焊接器的型號為：YLS-4000；激光焊接參數為：焊接功率3KW，焊接速度2m/min，保護氣體為氬氣，離焦量為0，光斑直徑為0.67mm。本專利技術進一步的改進在于：對步驟（2）中得到的試驗試樣進行機械加工，得到滿足拉伸、沖擊、CTOD斷裂韌性或裂紋擴展速率試驗所需試樣尺寸要求的最終試驗試樣。本專利技術進一步的改進在于：進行拉伸試樣的最終試驗試樣中部的截取試樣沿長度方向的前后兩側加工有R20的弧形缺口。本專利技術進一步的改進在于：所述加長塊的抗拉強度與石油天然氣薄壁小直徑管道的抗拉強度相差10%以內。本專利技術進一步的改進在于：20mm≤W＜標準石油天然氣管道力學性能試樣長度。為了實現上述目的，本專利技術采用如下技術方案：（1）對于試驗給定的薄壁小直徑管道，沿著管道周向截取寬度和厚度尺寸盡可能大的試樣截面；（2）采用激光深熔焊技術，將抗拉強度相近（相差10%以內）的兩塊材料對稱焊接在待測試樣兩邊，進行加寬加長處理，達到相關力學性能測試試樣尺寸要求；（3）對加寬加長的試樣進行機械加工，達到相關試驗對試樣的尺寸要求。本專利技術所述的薄壁小直徑管道的力學性能試樣制備方法有如下特點：1）所述的周向取樣是指沿著管道軸向所取的試樣（圖1a和圖1b）。對于石油天然氣薄壁小直徑管道的具體規格，保證待測試樣中部的管道內表面不進行刨削加工的前提下，并保證待測試樣最小厚度滿足試驗標準的基礎上，根據幾何關系確定待測試樣的最大寬度（圖2）。2）所述的激光深熔焊技術是指采用光纖激光器（YLS-4K）對試樣兩側進行激光深熔焊接（圖3）。激光焊接工藝為：（1）選取加寬試件材料的性能應與待測材料抗拉強度相近的材質；對選好試件進行機械加工，使其長度和寬度均滿足后續力學試驗的尺寸要求，使其厚度和待測試樣厚度一致；（2）在采用激光焊接前，對全部的焊接材料兩側表面進行打磨拋光。（3）對于試樣厚度為5mm的試件，激光焊接參數為：焊接功率3KW，焊接速度2m/min，保護氣體為氬氣，離焦量為0，光斑直徑為0.67mm。3）根據力學性能試驗的拉伸、沖擊、CTOD和裂紋擴展試驗的試樣尺寸要求，確定待測試樣的最小厚度確定為5mm。在此基礎上，根據激光深熔焊和相關力學性能試驗特點，確定待測試樣的最小寬度為20mm。其理論依據如下：（1）根據激光深熔焊特點，對于5mm試板，采用雙面焊接時，激光焊縫的最大寬度在2mm左右，激光深熔焊產生的殘余應力分布在焊縫寬度的3-4倍范圍內，大約為5mm左右。(2)對于沖擊試驗，沖擊形成的塑性區尺寸在8mm以內；對于CTOD斷裂韌性試樣、疲勞裂紋擴展試驗，要保證在做大載荷時的裂紋尖端區域塑性區尺寸小于待測試樣寬度。依據斷裂力學理論，疲勞裂紋擴展塑性區和斷裂韌性CTOD的塑性區尺寸ry的計算公式為：式中：Kmax為裂紋試樣的最大應力強度因子，可根據具體試樣形式計算；σp0.2為屈服強度。對于石油天然氣輸送管道的材質，經過計算得到最大塑性區尺寸小于4mm。（3）綜合激光深熔焊的殘余應力分布寬度，裂紋尖端塑性區尺寸，可以得到待測試樣的最小寬度應為5x2+4=14mm，給定安全系數1.4，最小寬度約為20mm。4）根據上述的待測試樣的最小寬度，可以確定本專利技術專利可以適用的最小管道規格，確定方法如圖3所示。需滿足以下2個關系式：t>B(4)R2=(w/2)2+(R-t+B)2（5）式中：B為待測試樣寬度,W為待測試樣長度，R為管道外徑，t為管道厚度。與現有技術相比，本專利技術具有以下有益的技術效果：本專利技術提供了一種針對石油天然氣薄壁小直徑輸送管道進行力學性能檢測時的試樣制備方法，利用本專利技術方法可以測得用常規方法難以獲得的力學性能數據，對于提高石油天然氣管道的安全性評價具有重要的現實意義。同時將激光深熔焊技術應用于小試樣的制備、有效地提高了試樣的利用率，節省材料，達到了節能降耗的效果，具有綠色制造的性質?！靖綀D說明】圖1a和圖1b為不同角度的周向取樣示意圖；圖2為激光加寬試樣示意圖；圖3為薄壁管道范圍幾何關系示意圖；圖4a和圖4b為拉伸試樣的正視圖的俯視圖；圖5a-圖5c為沖擊試樣的三視圖，圖5d為圖5a中I部的放大圖；圖6a和圖6b為疲勞裂紋擴展CT試樣加工圖；圖7a和圖7b為CTOD斷裂韌性試樣加工圖；圖8為殘余應力測量點的布點位置；圖9為殘余應力分布特征圖；圖10為拉伸，沖擊試驗結果對比。【具體實施方式】下面結合具體的實施例對本專利技術做進一步的詳細說明。本實施例檢測中國石油長慶油田采氣一廠的在役天然氣管道:其材質為20#鋼，管道規格尺寸為φ114mm×6mm。需要進行拉伸、沖擊、CTOD斷裂韌性和裂紋擴展速率試驗。試樣制備的具體實施步驟包括：（1）在待測管道周向截取試樣，尺寸為：150mm×20mm×5mm。（2）激光深熔焊接，加寬試樣。選取焊接材料Q-235，尺寸為：120mm×75mm×6mm。將待激光焊接的材料的兩側表面進行打磨拋光，采用激本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種石油天然氣薄壁小直徑管道力學性能試樣制備方法，其特征在于，包括以下步驟：（1）在待測石油天然氣薄壁小直徑管道周向截取試樣，所截取試樣的寬度為Wmm，厚度為Bmm；（2）在所截取試樣的寬度方向兩側激光焊接兩個加長塊得到試驗試樣，所述加長塊的寬度為L，所述加長塊的厚度大于或等于B；其中L+W+L大于或等于拉伸、沖擊、CTOD斷裂韌性或裂紋擴展速率試驗所需試樣的最小長度。

【技術特征摘要】
1.一種石油天然氣薄壁小直徑管道力學性能試樣制備方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)在待測石油天然氣薄壁小直徑管道周向截取試樣，所截取試樣的寬度為Wmm，厚度為Bmm；(2)在所截取試樣的寬度方向兩側激光焊接兩個加長塊得到試驗試樣，所述加長塊的寬度為L，所述加長塊的厚度大于或等于B；其中L+W+L大于或等于拉伸、沖擊、CTOD斷裂韌性或裂紋擴展速率試驗所需試樣的最小長度；所述石油天然氣薄壁小直徑管道的外徑和厚度滿足以下條件：t>B(4)R2＝(w/2)2+(R-t+B)2(5)式中：R為管道外徑，t為管道厚度；所述加長塊的抗拉強度與石油天然氣薄壁小直徑管道的抗拉強度相差10％以內；所述石油天然氣薄壁小直徑管道的材質為20#鋼；加長塊的材質為Q-235；所述石油天然氣薄壁小直徑管道的規格尺寸為φ114mm×6mm；步驟(1)中所截取的試樣的寬度為20mm，厚度為5mm；步驟(1)所截取的試樣的寬度通過以下步驟獲得：(1.1)根據激光深熔焊特點，對于5mm試板，采用雙面焊接時，激光焊縫的最大寬度在2mm，激光深熔焊產生的殘余應力分布在焊縫寬度的3-4倍范圍內；(1....

【專利技術屬性】
技術研發人員：張建勛，李喆，朱彤，李振崗，周濤，魏文瀾，張興軍，
申請(專利權)人：西安交通大學，
類型：發明
國別省市：陜西;61