專利名稱：一種降低x80管線鋼焊接接頭殘余應(yīng)力的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利是一種通過液氮深冷處理降低X80管線鋼焊接接頭殘余應(yīng)力的處理方法，釋放了管線鋼焊管在焊接過程中出現(xiàn)的拉應(yīng)力，降低了焊接接頭殘余應(yīng)力，使得焊接接頭處于低應(yīng)力狀態(tài)，提高了管線鋼焊接接頭抗應(yīng)力腐蝕能力；本專利提出利用液氮對管線鋼焊接接頭處理的方法，屬于先進材料表面改性處理領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
焊接是X80管線鋼焊管成型過程中不可缺少的一道工藝，由于在焊接過程中管線鋼經(jīng)歷了一系列復(fù)雜的非平衡物理化學(xué)過程，從而造成焊縫和熱影響區(qū)的化學(xué)成分不均勻、晶粒粗大、組織偏析等缺陷，焊接接頭的殘余應(yīng)力處于拉應(yīng)力狀態(tài)，降低了其抗應(yīng)力腐蝕性能。管線鋼焊接接頭一般需要通過改性處理，保證焊接接頭處于低應(yīng)力狀態(tài)，常規(guī)處理方法主要有:噴丸強化、表面納米化、超聲沖擊、爆炸、碾壓、錘擊等，但這些處理方法有其局限性。深冷處理技術(shù)作為一種新型的降低殘余應(yīng)力的方法，具有操作簡便、不破壞工件、無污染、成本低等優(yōu)點，適合工業(yè)廣泛應(yīng)用；本專利提出對大型焊管進行局部深冷處理方法，以便降低液氮的消耗，深冷處理是一種將管線鋼焊接接頭放于-130°C以下處理方法，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，經(jīng)深冷處理后焊接接頭殘余應(yīng)力得到釋放，保證其處于低應(yīng)力水平，有關(guān)管線鋼焊接接頭的深冷處理研究國內(nèi)外尚未見報道；本發(fā)明專利提出利用深冷處理方法對X80管線鋼焊接接頭進行處理，改善焊接接頭的應(yīng)力狀態(tài)，可以避免常規(guī)處理方法可能帶來的各種缺陷，為提高管線鋼焊接頭抗應(yīng)力腐蝕提供了良好的保障。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明專利涉及降低 X80管線鋼焊接接頭殘余應(yīng)力的處理方法。首先對焊接接頭進行機械冷卻(即冷柜冷卻)，冷卻溫度降至-30°C，再采用氮冷，氮冷方式采用基于對流換熱與輻射換熱結(jié)合的冷卻方式，冷卻分為兩個不同階段，第一階段以10°C /min進行冷卻，冷卻溫度由冷卻箱內(nèi)的溫度檢測模塊進行測量，溫度信號經(jīng)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后輸給計算機，深冷處理溫度降低至-100°C，第二階段急速冷卻至-160°C;在冷卻箱中進行保溫，保溫時間為2小時；保溫結(jié)束后，提升箱內(nèi)溫度，溫度回升到機械冷卻溫度-30°C后，繼續(xù)使用液氮對冷卻箱急速降溫，使溫度降低到深冷溫度-160°C，保溫I小時；保溫結(jié)束后，在空氣中對工件進行回溫處理直至常溫，完成整個深冷處理過程。用于降低X80管線鋼焊接接頭殘余應(yīng)力的系統(tǒng)裝置如圖1所示，其特征在于:所述裝置包括冷卻箱、液氮缸、計算機、溫度檢測模塊、轉(zhuǎn)換模塊和控制模塊；所述冷卻箱包括外層箱體和內(nèi)層箱體，內(nèi)層箱體設(shè)有隔溫板，將內(nèi)層箱體分為上下兩個空間部分，內(nèi)冷卻箱的上空間內(nèi)側(cè)布有蛇型換熱器。隔溫板上開口套在X80管線鋼工件上，使得X80管線鋼工件的焊接接頭位于上部空間，工件其余部分位于下部空間，液氮缸通過保溫導(dǎo)管向冷卻箱內(nèi)輸入液氮，冷卻箱內(nèi)導(dǎo)管分為兩條支路，兩條支路分別接有電磁閥，如圖3所示。支路出口 I與換熱板管相接，出口 2與蛇型換熱器相接，冷卻箱另一側(cè)頂端設(shè)有排氣管，排氣管為單向出氣；內(nèi)層箱體下部設(shè)有機械冷卻系統(tǒng)(冷柜制冷系統(tǒng))。液氮缸內(nèi)設(shè)有低功率加熱器，使用耐冷材料制成，加熱汽化部分液氮，提高缸內(nèi)壓力，從而壓出液氮。液氮缸缸口處有壓力表，溫度檢測模塊位于內(nèi)層箱體上部空間，用于檢測上冷卻箱內(nèi)溫度?？刂颇K、轉(zhuǎn)換模塊與計算機連接，壓力表、溫度檢測模塊與轉(zhuǎn)換模塊連接，控制模塊與液氮缸內(nèi)的加熱器、第一電磁閥和第二電磁閥連接。液氮冷卻過程當(dāng)中，首先根據(jù)液氮缸的壓力表數(shù)值，若壓力小于1.5Mpa，經(jīng)轉(zhuǎn)換模塊把數(shù)據(jù)輸給計算機，計算機向控制模塊輸入信號，控制模塊控制加熱器加熱，提高缸內(nèi)壓力，壓力達到2.5Mpa，則經(jīng)控制模塊控制停止加熱，這個壓力用于把液氮缸中的液氮壓入管道中，進行冷卻，若壓力低于1.5Mpa，則繼續(xù)加熱，保證缸內(nèi)壓力不低于1.5Mpa。通過控制模塊控制電磁閥I和電磁閥2的開關(guān)，控制液氮的流向。冷卻箱中溫度由溫度檢測模塊進行監(jiān)測，通過轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)碼，傳給計算機，計算機通過控制電磁閥I和電磁閥2進行控制，通過通入液氮進行制冷；液氮從保溫導(dǎo)管輸入冷卻箱，輸出的液氮流向通過電磁閥I和2進行控制，使之分別進入換熱板管和蛇型換熱管，如圖3所示。電磁閥2打開，液氮進入換熱板管，電磁閥I打開，液氮被壓入蛇型換熱管；從液氮缸中壓入的液氮輸入換熱管板，通過液氮在換熱管板內(nèi)的汽化降低冷卻箱內(nèi)的溫度；上層的內(nèi)層冷卻箱內(nèi)側(cè)布有蛇型換熱器，利用經(jīng)液氮汽化后形成的低溫氮氣對流換熱和輻射換熱的方式對材料進行深冷 處理；內(nèi)層冷卻處理箱下層的機械冷卻系統(tǒng)，對下箱內(nèi)材料進行機械制冷，降低上下兩箱的溫差，減少下箱內(nèi)材料對上箱焊縫部位的熱影響，排氣管用于排出冷卻箱內(nèi)的氮氣，避免箱內(nèi)外壓差過大。


圖1是深冷處理工藝 圖2是冷卻箱結(jié)構(gòu)示意 1、排氣管；2隔溫板；3外層箱體；4內(nèi)層冷卻箱；5工件；6管線鋼焊接接頭；7換熱管板；8保溫導(dǎo)管；
圖3是保溫導(dǎo)管進箱局部放大 (I)接頭與換熱管板相連；(2)接頭與蛇型換熱管相連；
圖4是X80管線鋼焊接接頭的深冷前后殘余應(yīng)力狀態(tài)對比圖。
具體實施例方式(I)XSO管線鋼焊接接頭裝箱:在裝箱過程中，需要保證管線鋼焊接接頭處在冷卻箱上箱。(2)加隔熱板:隔溫板開口，并套于管線鋼上，把內(nèi)冷卻箱分隔成上下兩個空間。(3)機械制冷:管線鋼焊接接頭裝入冷卻箱后，開啟下箱內(nèi)機械冷卻系統(tǒng)，對冷卻箱進行整體冷卻，冷卻到-30°C。(4)液氮缸向換熱板管充入液氮，進行降溫:溫度檢測模塊測定冷卻箱溫度達到-30°C后，經(jīng)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換信號，發(fā)給計算機，計算機輸出信號給控制模塊，壓力表測定缸內(nèi)壓力，判斷是否對液氮缸加熱。壓力達到后，控制模塊控制支路電磁閥2打開，液氮經(jīng)取液氮管和電磁閥2壓入換熱管板，液氮汽化進行降溫，液氮的通入量通過電磁閥2進行調(diào)節(jié)，使溫度按10°c /min降低，直至上箱內(nèi)溫度降至-100°c。(5)冷卻箱第二階段速冷:液氮輸出支路電磁閥2關(guān)閉，停止向換熱板管內(nèi)通入液氮。支路電磁閥I打開，液氮被壓入蛇型管換熱器，液氮在蛇型管內(nèi)汽化，利用低溫氮氣的對流換熱和輻射換熱的方式進行急速冷卻，溫度降低至_160°C，關(guān)閉電磁閥I。(6)保溫:溫度檢測模塊不斷檢測上箱溫度，若溫度上升5°C，控制模塊即刻打開支路電磁閥1，向蛇型管換熱器通入氮氣降溫，保證溫度在_160°C。(7)回升箱內(nèi)溫度:關(guān)閉液氮冷卻系統(tǒng)，打開冷卻箱箱蓋，使管線鋼焊接接頭直接暴露與空氣中，暴露時間為30分鐘，用于回升溫度至_30°C。(8)二次降溫:關(guān)閉冷卻箱箱蓋，控制模塊控制電磁閥I打開，通入液氮，使用蛇型管換熱器急速降低箱內(nèi)溫度，降低溫度至-160°C。(9) 二次保溫:保溫時間為I小時，保溫方式同(6)。(10)取出管線鋼:從深冷箱中取出X80管線鋼焊管，在空氣中對管線鋼焊管進行回溫處理，直至常溫。 (11)檢測:X80管線鋼焊接接頭原始狀態(tài)的殘余應(yīng)力為260.7±19.0MPa，如圖4Ca)所示，經(jīng)深冷處理后焊接接頭的殘余應(yīng)力為29.5±20.40MPa，如圖4 (b)所示，焊接接頭為低值應(yīng)力狀態(tài)，有利于降低焊管的應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種降低X80管線鋼焊接接頭殘余應(yīng)力的裝置，其特征在于:所述裝置包括冷卻箱、液氮缸、計算機、溫度檢測模塊、轉(zhuǎn)換模塊和控制模塊；所述冷卻箱包括外層箱體和內(nèi)層箱體，內(nèi)層箱體設(shè)有隔溫板，將內(nèi)層箱體分為上下兩個空間部分，內(nèi)冷卻箱的上空間內(nèi)側(cè)布有蛇型換熱器；隔溫板上開口套在X80管線鋼工件上，使得X80管線鋼工件的焊接接頭位于上部空間，工件其余部分位于下部空間，液氮缸通過保溫導(dǎo)管向冷卻箱內(nèi)輸入液氮，冷卻箱內(nèi)保溫導(dǎo)管分為兩條支路，兩條支路分別接有電磁閥；其中一條支路出口與換熱板管相接，另一支路出口與蛇型換熱器相接，冷卻箱另一側(cè)頂端設(shè)有排氣管，排氣管為單向出氣；內(nèi)層箱體下部設(shè)有機械冷卻系統(tǒng)；溫度檢測模塊位于內(nèi)層箱體上部空間，用于檢測上冷卻箱內(nèi)溫度；控制模塊、轉(zhuǎn)換模塊與計算機連接，溫度檢測模塊與轉(zhuǎn)換模塊連接，控制模塊與第一電磁閥和第二電磁閥連接。
2.如權(quán)利要求1所述的一種降低X80管線鋼焊接接頭殘余應(yīng)力的裝置，其特征在于:所述機械冷卻系統(tǒng)為冷柜制冷系統(tǒng)。
3.如權(quán)利要求1所述的一種降低X80管線鋼焊接接頭殘余應(yīng)力的裝置，其特征在于:所述液氮缸內(nèi)設(shè)有低功率加熱器，加熱汽化部分液氮，提高缸內(nèi)壓力，從而壓出液氮，低功率加熱器與控制模塊連接；液氮缸缸口處有壓力表，壓力表與轉(zhuǎn)換模塊連接。
4.一種降低X80管線鋼焊接接頭殘余應(yīng)力的方法，其特征在于:首先對X80管線鋼焊接接頭進行機械冷卻，冷卻溫度降至_30°C，再采用氮冷，氮冷方式采用基于對流換熱與輻射換熱結(jié)合的冷卻方式，冷卻分為兩個不同階段，第一階段計算機通過控制模塊使得第二電磁閥打開，從液氮缸中壓入的液氮輸入換熱管板，通過液氮在換熱管板內(nèi)的汽化降低冷卻箱內(nèi)的溫度，以10°C /min進行冷卻，冷卻溫度由冷卻箱內(nèi)的溫度檢測模塊進行測量，溫度信號經(jīng)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后輸給計算機，深冷處理溫度降低至-1oo°c，第二階段，計算機通過控制模塊使得第一電磁閥打開，液氮被壓入蛇型換熱管，液氮在蛇型管內(nèi)汽化，利用低溫氮氣的對流換熱和輻射換熱的方式進行急速冷卻，至-160°C ;在冷卻箱中進行保溫，保溫時間為2小時；保溫結(jié)束后，提升箱內(nèi)溫度，溫度回升到機械冷卻溫度-30°C后，繼續(xù)使用液氮對冷卻箱急速降溫，使溫度降低到深冷溫度-160°C，保溫I小時；保溫結(jié)束后，在空氣中對工件進行回溫處理直至常溫，完成整個深冷處理過程。
5.如權(quán)利要求4所述的一種降低X80管線鋼焊接接頭殘余應(yīng)力的方法，其特征在于:液氮冷卻過程當(dāng)中，首先根據(jù)液氮缸的壓力表數(shù)值，若壓力小于1.5Mpa，經(jīng)轉(zhuǎn)換模塊把數(shù)據(jù)輸給計算機，計算機向控制模塊輸入信號，控制模塊控制加熱器加熱，提高缸內(nèi)壓力，壓力達到2.5Mpa，則經(jīng)控制模塊控制停止加熱，這個壓力用于把液氮缸中的液氮壓入管道中，進行冷卻，若壓力低于1.5Mpa,則繼續(xù)加熱,保證缸內(nèi)壓力不低于1.5Mpa。
6.如權(quán)利要求4所述的一種降低X80管線鋼焊接接頭殘余應(yīng)力的方法，其特征在于包括如下步驟: (1)X80管線鋼焊接接頭裝箱:在裝箱過程中，需要保證管線鋼焊接接頭處在冷卻箱上箱； (2)加隔溫板:隔溫板開口，并套于管線鋼上，把內(nèi)冷卻箱分隔成上下兩個空間； (3)機械制冷:管線鋼焊接接頭裝入冷卻箱后，開啟下箱內(nèi)機械冷卻系統(tǒng)，對冷卻箱進行整體冷卻，冷卻到-30°C ； (4)液氮缸向換熱板管充入液氮，進行降溫:溫度檢測模塊測定冷卻箱溫度達到-30°C后，經(jīng)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換信號，發(fā)給計算機，計算機輸出信號給控制模塊，壓力表測定缸內(nèi)壓力，判斷是否對液氮缸加熱；壓力達到后，控制模塊控制支路第二電磁閥打開，液氮經(jīng)取液氮管和第二電磁閥壓入換熱管板，液氮汽化進行降溫，液氮的通入量通過第二電磁閥進行調(diào)節(jié)，使溫度按10°c /min降低，直至上箱內(nèi)溫度降至-100°c ； (5)冷卻箱第二階段速冷:液氮輸出支路第二電磁閥關(guān)閉，停止向換熱板管內(nèi)通入液氮；支路第一電磁閥打開，液氮被壓入蛇型管換熱器，液氮在蛇型管內(nèi)汽化，利用低溫氮氣的對流換熱和輻射換熱的方式進行急速冷卻，溫度降低至_160°C，關(guān)閉第一電磁閥； (6)保溫:溫度檢測模塊不斷檢測上箱溫度，若溫度上升5°C，控制模塊即刻打開支路第一電磁閥，向蛇型管換熱器通入氮氣降溫，保證溫度在-160°C ； (7)回升箱內(nèi)溫度:關(guān)閉液氮冷卻系統(tǒng)，打開冷卻箱箱蓋，使管線鋼焊接接頭直接暴露與空氣中，暴露時間為30分鐘，用于回升溫度至-30°C ； (8)二次降溫:關(guān)閉冷卻箱箱蓋，控制模塊控制第一電磁閥打開，通入液氮，使用蛇型管換熱器急速降低箱內(nèi)溫度，降低溫度至-160°C ； (9)二次保溫:保溫時間為I小時，保溫方式同步驟6 ； (10)取出管線鋼:從深冷箱中取出X80管線鋼焊管，在空氣中對管線鋼焊管進行回溫處理，直至常 溫。
全文摘要
本發(fā)明是一種通過液氮深冷處理降低X80管線鋼焊接接頭殘余應(yīng)力的處理方法，首先對焊接接頭進行機械冷卻，冷卻溫度降至-30℃，再采用氮冷，氮冷方式采用基于對流換熱與輻射換熱結(jié)合的冷卻方式，分為兩個不同階段，第一階段以10℃/min進行冷卻，深冷處理溫度降低至-100℃，第二階段急速冷卻至-160℃；在冷卻箱中進行保溫，保溫時間為2小時；保溫結(jié)束后，提升箱內(nèi)溫度，溫度回升到機械冷卻溫度-30℃后，繼續(xù)使用液氮對冷卻箱急速降溫，使溫度降低到深冷溫度-160℃，保溫1小時；保溫結(jié)束后，在空氣中對工件進行回溫處理直至常溫，完成整個深冷處理過程。本發(fā)明使得焊接接頭處于低應(yīng)力狀態(tài)，提高了管線鋼焊接接頭抗應(yīng)力腐蝕能力。
文檔編號C21D6/04GK103194579SQ20131012808
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月15日
發(fā)明者孔德軍, 葉存冬, 王文昌, 付貴忠, 張壘, 龍丹, 吳永忠, 蔡金龍 申請人:常州大學(xué)