一种降低X80管线钢焊接接头残余应力的装置和方法

摘要

本发明是一种通过液氮深冷处理降低X80管线钢焊接接头残余应力的处理方法，首先对焊接接头进行机械冷却，冷却温度降至-30℃，再采用氮冷，氮冷方式采用基于对流换热与辐射换热结合的冷却方式，分为两个不同阶段，第一阶段以10℃/min进行冷却，深冷处理温度降低至-100℃，第二阶段急速冷却至-160℃；在冷却箱中进行保温，保温时间为2小时；保温结束后，提升箱内温度，温度回升到机械冷却温度-30℃后，继续使用液氮对冷却箱急速降温，使温度降低到深冷温度-160℃，保温1小时；保温结束后，在空气中对工件进行回温处理直至常温，完成整个深冷处理过程。本发明使得焊接接头处于低应力状态，提高了管线钢焊接接头抗应力腐蚀能力。

说明书

技术领域

本发明专利是一种通过液氮深冷处理降低X80管线钢焊接接头残余应力的处理方法，释放了管线钢焊管在焊接过程中出现的拉应力，降低了焊接接头残余应力，使得焊接接头处于低应力状态，提高了管线钢焊接接头抗应力腐蚀能力；本专利提出利用液氮对管线钢焊接接头处理的方法，属于先进材料表面改性处理领域。

背景技术

焊接是X80管线钢焊管成型过程中不可缺少的一道工艺，由于在焊接过程中管线钢经历了一系列复杂的非平衡物理化学过程，从而造成焊缝和热影响区的化学成分不均匀、晶粒粗大、组织偏析等缺陷，焊接接头的残余应力处于拉应力状态，降低了其抗应力腐蚀性能。管线钢焊接接头一般需要通过改性处理，保证焊接接头处于低应力状态，常规处理方法主要有：喷丸强化、表面纳米化、超声冲击、爆炸、碾压、锤击等，但这些处理方法有其局限性。深冷处理技术作为一种新型的降低残余应力的方法，具有操作简便、不破坏工件、无污染、成本低等优点，适合工业广泛应用；本专利提出对大型焊管进行局部深冷处理方法，以便降低液氮的消耗，深冷处理是一种将管线钢焊接接头放于-130℃以下处理方法，具有明显的技术优势，经深冷处理后焊接接头残余应力得到释放，保证其处于低应力水平，有关管线钢焊接接头的深冷处理研究国内外尚未见报道；本发明专利提出利用深冷处理方法对X80管线钢焊接接头进行处理，改善焊接接头的应力状态，可以避免常规处理方法可能带来的各种缺陷，为提高管线钢焊接头抗应力腐蚀提供了良好的保障。

发明内容

本发明专利涉及降低X80管线钢焊接接头残余应力的处理方法。首先对焊接接头进行机械冷却（即冷柜冷却），冷却温度降至-30℃，再采用氮冷，氮冷方式采用基于对流换热与辐射换热结合的冷却方式，冷却分为两个不同阶段，第一阶段以10℃/min进行冷却，冷却温度由冷却箱内的温度检测模块进行测量，温度信号经转换模块转换后输给计算机，深冷处理温度降低至-100℃，第二阶段急速冷却至-160℃；在冷却箱中进行保温，保温时间为2小时；保温结束后，提升箱内温度，温度回升到机械冷却温度-30℃后，继续使用液氮对冷却箱急速降温，使温度降低到深冷温度-160℃，保温1小时；保温结束后，在空气中对工件进行回温处理直至常温，完成整个深冷处理过程。

用于降低X80管线钢焊接接头残余应力的系统装置如图1所示，其特征在于：所述装置包括冷却箱、液氮缸、计算机、温度检测模块、转换模块和控制模块；所述冷却箱包括外层箱体和内层箱体，内层箱体设有隔温板，将内层箱体分为上下两个空间部分，内冷却箱的上空间内侧布有蛇型换热器。隔温板上开口套在X80管线钢工件上，使得X80管线钢工件的焊接接头位于上部空间，工件其余部分位于下部空间，液氮缸通过保温导管向冷却箱内输入液氮，冷却箱内导管分为两条支路，两条支路分别接有电磁阀，如图3所示。支路出口1与换热板管相接，出口2与蛇型换热器相接，冷却箱另一侧顶端设有排气管，排气管为单向出气；内层箱体下部设有机械冷却系统（冷柜制冷系统）。液氮缸内设有低功率加热器，使用耐冷材料制成，加热汽化部分液氮，提高缸内压力，从而压出液氮。液氮缸缸口处有压力表，温度检测模块位于内层箱体上部空间，用于检测上冷却箱内温度。控制模块、转换模块与计算机连接，压力表、温度检测模块与转换模块连接，控制模块与液氮缸内的加热器、第一电磁阀和第二电磁阀连接。

液氮冷却过程当中，首先根据液氮缸的压力表数值，若压力小于1.5Mpa，经转换模块把数据输给计算机，计算机向控制模块输入信号，控制模块控制加热器加热，提高缸内压力，压力达到2.5Mpa，则经控制模块控制停止加热，这个压力用于把液氮缸中的液氮压入管道中，进行冷却，若压力低于1.5Mpa，则继续加热，保证缸内压力不低于1.5Mpa。通过控制模块控制电磁阀1和电磁阀2的开关，控制液氮的流向。

冷却箱中温度由温度检测模块进行监测，通过转换模块转码，传给计算机，计算机通过控制电磁阀1和电磁阀2进行控制，通过通入液氮进行制冷；液氮从保温导管输入冷却箱，输出的液氮流向通过电磁阀1和2进行控制，使之分别进入换热板管和蛇型换热管，如图3所示。电磁阀2打开，液氮进入换热板管，电磁阀1打开，液氮被压入蛇型换热管；从液氮缸中压入的液氮输入换热管板，通过液氮在换热管板内的汽化降低冷却箱内的温度；上层的内层冷却箱内侧布有蛇型换热器，利用经液氮汽化后形成的低温氮气对流换热和辐射换热的方式对材料进行深冷处理；内层冷却处理箱下层的机械冷却系统，对下箱内材料进行机械制冷，降低上下两箱的温差，减少下箱内材料对上箱焊缝部位的热影响，排气管用于排出冷却箱内的氮气，避免箱内外压差过大。

附图说明

图1是深冷处理工艺图；

图2是冷却箱结构示意图；

1、排气管；2隔温板；3外层箱体；4内层冷却箱；5工件；6管线钢焊接接头；7换热管板；8保温导管；

图3是保温导管进箱局部放大图；

（1）接头与换热管板相连；（2）接头与蛇型换热管相连；

图4 是X80管线钢焊接接头的深冷前后残余应力状态对比图。

具体实施方式

（1）X80管线钢焊接接头装箱：在装箱过程中，需要保证管线钢焊接接头处在冷却箱上箱。

（2）加隔热板：隔温板开口，并套于管线钢上，把内冷却箱分隔成上下两个空间。

（3）机械制冷：管线钢焊接接头装入冷却箱后，开启下箱内机械冷却系统，对冷却箱进行整体冷却，冷却到-30℃。

（4）液氮缸向换热板管充入液氮，进行降温：温度检测模块测定冷却箱温度达到-30℃后，经转换模块转换信号，发给计算机，计算机输出信号给控制模块，压力表测定缸内压力，判断是否对液氮缸加热。压力达到后，控制模块控制支路电磁阀2打开，液氮经取液氮管和电磁阀2压入换热管板，液氮汽化进行降温，液氮的通入量通过电磁阀2进行调节，使温度按10℃/min降低，直至上箱内温度降至-100℃。

（5）冷却箱第二阶段速冷：液氮输出支路电磁阀2关闭，停止向换热板管内通入液氮。支路电磁阀1打开，液氮被压入蛇型管换热器，液氮在蛇型管内汽化，利用低温氮气的对流换热和辐射换热的方式进行急速冷却，温度降低至-160℃，关闭电磁阀1。

（6）保温：温度检测模块不断检测上箱温度，若温度上升5℃，控制模块即刻打开支路电磁阀1，向蛇型管换热器通入氮气降温，保证温度在-160℃。

（7）回升箱内温度：关闭液氮冷却系统，打开冷却箱箱盖，使管线钢焊接接头直接暴露与空气中，暴露时间为30分钟，用于回升温度至-30℃。

（8）二次降温：关闭冷却箱箱盖，控制模块控制电磁阀1打开，通入液氮，使用蛇型管换热器急速降低箱内温度，降低温度至-160℃。

（9）二次保温：保温时间为1小时，保温方式同（6）。

（10）取出管线钢：从深冷箱中取出X80管线钢焊管，在空气中对管线钢焊管进行回温处理，直至常温。

（11）检测：X80管线钢焊接接头原始状态的残余应力为260.7±19.0MPa，如图4（a）所示，经深冷处理后焊接接头的残余应力为29.5±20.40MPa，如图4（b）所示，焊接接头为低值应力状态，有利于降低焊管的应力腐蚀敏感性指数。