（机械工程专业论文）x80级螺旋埋弧焊管的组织—性能及焊接技术研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： x s 0 级螺旋埋弧焊管的组织一性能及焊接技术研究 机械工程 杨忠文( 签名) 高惠临( 签名) 丁晓军( 签名) 摘要 为适应我国高压、大流量管道工程发展的需要，本论文运用管道工程学、材料强韧化 理论与材料成型理论以及现代物理测试技术，对x 8 0 级热轧卷板和x 8 0 级0 1 0 1 6 x 1 5 3 m m 螺旋埋弧焊管进行了系统、深入的研究。研究结果表明，试验x 8 0 管线钢是一种针状铁素 体钢，由于针状铁素体具有细小的等效晶粒尺寸和高密度的位错组态，因而赋予试验钢优 良的强韧特性和良好的使用性能。试验钢在焊接热过程中存在粗晶区( c g h a z ) 局部脆化 和临界粗晶区( 瓜c g h a z ) 局部脆化。为了开发出高强度的x 8 0 级0 1 0 1 6 x 1 5 3 m m 螺旋 埋弧焊管，研制出适合x 8 0 管线钢埋弧焊接的b g s j l 0 1 o 烧结焊剂，完成了适合x 8 0 管 线钢埋弧焊接的焊接工艺参数的优化设计。焊管力学性能实验和焊管实物静水压爆破实验 的结果表明，所开发的x 8 0 级0 1 0 1 6 x 1 5 3 m m 螺旋埋弧焊管具有优良强韧特性和服役性能。 关键词：x s 0 ；螺旋埋弧焊管；组织；性能；焊接技术 论文类型：应用研究 ( 本文得到中国石油天然气集团公司科研资金的资助) 英文摘要 s u b j e c t ： m 砌o e n a m e ： a s t u d yo nt h em i c r o s t r u c t u r e ，p r o p e r t ya n dw e l d i n gt e c h n o l o g yo f x 8 0s s a w l i n e p i p e m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g y a n gz h o n g w e u ( s i g n a t u r e ) ， i n s t r u c t o r ：g a oh u i l i n ( s i g n a t u r e ) d i n gx i a o j u n ( s i g n a t u r e ) i no r d e rt om e e tt h ed e v e l o p m e n tn e e do fp i p e l i n ew i t hh i g hp r e s s u r ea n dl a r g ef l o wi n c h i n a ，t h ex 8 0c o i lp l a t ea n dx s 00 1 0 1 6 x 1 5 3 m ms s a wl i n e p i p ea r er e s e a r c h e di nt h i s p a p e r , u s i n gp i p e l i n ee n g i n e e r i n gt h e o r y , s t r e n g t ha n dt o u g h n e 蟠t h e o r yo fm a t e r i a l s h a p i n g t h e o r y o fm a t e r i a la n dm o d e mp h y s i c a lt e s t i n g t e c h n o l o g y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e e x p e r i m t a lx 8 0p i p e l i n es t e e li s ak i n do fa c i c u l a rf e t t i t es t e e l b e c a u s eo ft h ef i n eg r a i n d i m e n s i o na n dt h eh i g hd e n s i t yd i s l o c a t i o n ，t h ee x p e r i m e n t a lx 8 0 p i p e l i n es t e e lh a se x c e l l e n t s t r e n g t ha n dt o u g h n e s s i tw a sf o u n dt h a tt h ee x p e r i m e n t a ls t e e lh a sc g h a zl o c a lw e l d i n g b r i t t l e n e s sa n di r c g h a zl o c a lw e l d i n gb r i t t l e n e s sd u r i n gt h ew e l d i n gp r o c e s s i no r d e rt o p r o d u c eh i g hs t r e n g t hx 8 00 1 0 1 6 x 1 5 3 m ms s a wi i n p i p e ，ab g s j l 0 1 - gs i m e r i n gf l u xt h a t c a nm a t c ht h es u b m e r g e da r cw e l d i n go fx 8 0w a sd e v e l o p e da n dt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no f w e l d i n gp a r a m e t e r sw a sc o m p l e t e d m e c h a n i c a lp r o p e r t yt e s t i n ga n dh y d r o s t a t i cd y n a m i t e t c s t i n go fw e l d i n gp i p e ss h o wt h a tt h ed e v e l o p e dx 8 00 1 0 1 6 x 1 5 3 m ms s a wl i n p i p e sh a v e h i g l ls t r e n g t h ，t o u g h n e s sa n de x c e l l e n tp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：x 8 0 ；s s a w ；m i c r o s t r u c t u r e ；p r o p e r t y ；w e l d i n gt e c h n o l o g y t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y c r h i sp a p e ri ss u p p o r t e db ys c i e n c er e s e a r c hf o u n d a t i o no fc h i n an a t i o n a lp e t r o l e u m c o r p o r a t i o n ) 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容 以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得 西安石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名臼期： 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以 任何方法发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发 表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然 为西安石油大学。 论文作者签名： 导师签名： 日期： 日期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 管线钢的发展及研究现状 1 1 1 管道工程与管线钢 随着世界经济的飞速发展，对石油、天然气的需求日益增加。石油、天然气己经成 为影响我国2 l 世纪国民经济发展的重要资源。作为石油、天然气的一种经济、安全、不 间断的长距离输送工具，油气输送管道在近4 0 年取得了巨大的发展。目前，世界油、气 管线总长己超过2 0 4 1 0 4 l r , m ，并以每年4 巧1 0 4 k i n 的速度增长，世界范围内全部天然 气和8 0 以上的原油已实现管线输送。近1 0 年来，我国油、气管线输送工程也得到快 速发展，己建成陕京管线、涩宁兰管线、兰成渝管线以及西气东输管线等十几条重大长 输管线，预计今后1 0 1 5 年内，我国共需各类油气输送干线用钢管约1 0 0 0 1 0 4 t 。可以 展望，管道运输将成为我国主要的运输产业。随着“西气东输”重大工程的实施，已掀 开了我国在二十一世纪石油天然气输送业蓬勃发展的序幕。 从最初的工业管道发展至今，油气管线建设已经历了一个多世纪的发展。目前，油 气管道，特别是天然气管道发展的一个重要趋势是采用大口径高压输送及选用高钢级管 材。采用高强度管线钢，长距离高压、大输量输送，可以大幅度减少管道建设成本，增 加管线的运行效益，提前收回投资。因为随着管线钢强度的增加，在同样的输气量下， 可以使管道壁厚减薄，从而节省用钢量，随之也会带来制造费用和现场施工费用的减少。 一般情况下，钢管费用占整个管道建设的2 5 3 0 。据e u r o p i p e 公司介绍，全长2 5 0 k i n 的鲁尔管道在同样输气量条件下用x 8 0 取代x 7 0 ，由于管壁减薄节省钢材2 万t ，降低 成本7 ”1 。因此从安全性和经济性考虑，人们趋向于使用高钢级的管线钢。 随着冶金技术的进步，高性能的钢材被逐步研制出来。自1 9 5 9 年微合金钢开始在管 线钢上应用以来，国际上对管线钢的研究与生产已进行了四十多年。近年来，由于管线 钢的设计和生产过程采用了冶金数学、“超净化技术”、微电子控制和人工智能等高新技 术，使管线钢成为低合金高强钢和微合金钢领域内最富有活力、最具有研究成果的一个 重要分枝n “。 1 1 2 管线钢的发展 ( 1 ) 国外管线钢的发展自从二战期间美国建立了世界上第一条具有现代规模的 长距离石油输送管线以来，随着输送压力、输送介质以及自然环境的不断变化，管线钢 的要求及钢级在不断提高( 见图1 1 慨6 1 ) 。从使用标准来看，管线钢的发展主要经历了以 下几个阶段： 1 1 普通碳素钢早期建设的管道由于管径小，压力低和冶金技术的限制，直至2 0 世纪4 0 年代末，管道用钢一直采用普通碳素钢，其中包括1 9 2 6 年美国石油学会a p i 发 布的a p i5 l 标准中的三种碳素钢f 屈服强度分别为1 7 3 m p a 、2 0 6 m p a 、2 3 5 m p a ) 。 西安石油人学硕十学位论文 p i - 0 o r 2 l jn - r r 一 t 性 。，竺!芦一 譬- - o 档 当 簟气出。 蚀性 图1 - - 1管线钢要求以及钢级的变化 2 ) 普通低合金钢自2 0 世纪6 0 年代开始，输油、气管广泛采用低合金高强度钢 ( h s l a l ，其中包括由1 9 4 7 年a p i5 l 标准发展起来的x 4 2 、x 4 6 、x 5 2 。h s l a 的名称最 先于1 9 3 4 年在美国出现，是在普通碳素钢的基础上加上少量合金元素而发展起来的一种 高强度结构钢。普通低合会钢和普通碳素钢一样，主要是以热轧或正火状态交货。 3 ) 微合会化高强度低合会钢( 简称微合会钢) 在1 9 6 7 、1 9 6 8 和1 9 7 0 年中，a p l5 l x 和a p l5 l s 又增加了x 5 6 、x 6 0 和x 6 5 三种钢。这些钢突破了传统的c m n 合会化加 正火的生产过程，在钢中加入微量( 不大于0 2 ) n b 、v 、t i 等合金元素，并通过控制轧 制工艺，使钢的综合力学性能得到明显的改善。 钔m n m o - - n b 系微合会化高强度钢1 9 7 3 年a p i 标准中又增加了x 7 0 钢，这是 一种m n m o n b 系微合金化高强度钢。随后又于1 9 8 5 年5 月，x 8 0 钢j 下式列入a p i5 l 标准文本，并于1 9 9 0 年完成了对x 8 0 的实际应用。目前，x 8 0 级已被成功开发出来， 并被投入陆上管线建设中( 低温环境用、特厚壁钢管除外) ，主要技术问题已经解决，但 具备批量商业生产条件的厂家不多；x 1 0 0 已被一些钢厂生产出来，但是在设计、焊接等 方面还需进一步研究、完善；x 1 2 0 钢级只是限于个别厂家，还处于摸索阶段。 ( 2 ) 国内管线钢的发展在我国管道建设的不同阶段，管线钢的发展变化非常迅 速。2 0 世纪5 0 - 7 0 年代我国管线主要采用a 3 钢和a 3 f 制造，少数采用1 6 m n 钢；7 0 年代后期和8 0 年代采用从日本进口的t s 5 2 钢f 相当于x 5 2 级钢) ；“八五”期间，通过 冶金部门和石油部门的联合攻关，成功研制和开发了x 5 2 x 7 0 级高韧性管线钢，实现 了管线钢的高强度和高韧性化，从而使我国的管线钢和焊接钢管达到世界2 0 世纪9 0 年 代初的先进水平，并逐步得到广泛应用。 为适应我国西部油气输送工程的需要，宝钢和武钢研制了a p ix 6 5 、x 7 0 级管线钢 。其中x 6 5 钢已应用于0 7 1 1 m m 、长2 4 8 k m 的东营一黄岛输油管道和0 4 2 6 m m 、长1 6 0 k m 的中原油田一洛阳输油管道，其研制、试验及管道运行已达到近期国外水平。塔罩木三 条油气管道、鄯乌输气管道、库鄯输油管道和陕京输气管道采用了主要由宝钢和武钢生 2 第一章绪论 产的x 5 2 、x 6 0 、x 6 5 级热轧板卷。西气东输、陕京二线均要求管线钢级为x 7 0 、壁厚 1 4 6 m m 和1 7 5 m m ，为我国管线历史上所用螺旋管钢级和壁厚之最。目前我国x 7 0 及以 下的管线钢管不仅满足了a p ! s p e c5 l 标准规定的强度要求，而且韧性技术指标达到世 界先进水平。x 7 0 管线钢己大批量应用到西气东输和陕京二线工程，为国家西部丌发项 目节约了大量外汇。而对于x 8 0 钢级，仅仅是部分厂家进行生产性试验，在性能研究和 焊接工艺设计等方面有待于进一步的研究。 1 1 3x 舳管线钢的开发与使用 目前，世界范围内的管线钢钢级主要集中在x 7 0 ，x 6 5 两个钢级上。x 8 0 是近年来 发展的比较新的钢级，其生产和使用量还不多。x 8 0 管线钢在1 9 8 5 年由德国m a n n e s m a n n 钢管公司研制成功，并铺设了3 2 k m ”3 的试验管道。1 9 9 2 1 9 9 3 年又用这种定名为 g r s 5 5 0 的x 8 0 钢材在德国鲁尔区铺设了管径为1 2 2 0 m m ，壁厚为1 8 3 r a m 和1 9 4 m m ， 长度为2 5 0 k m 的鲁尔天然气输送管道，输送压力为1 0 m p a ，这一管道至今运行情况正常。 x 8 0 级管线主要集中在加拿大、欧洲、美国等发达国家。如德国r u h rg a s 公司在1 9 9 2 和1 9 9 3 年采用e u r o p i p e 生产的x 8 0 级钢管分别建成了两条管径为1 2 2 0 m m ，壁厚为 1 8 3 m m 和1 9 4 m m ，长度为2 5 0 k m 的天然气输送管道，输送压力为1 0 m p a ，标志着x 8 0 级长距离高压输气管线建设的巨大成功。加拿大在9 0 年代初也进行了x 8 0 的研制。1 9 9 4 年由i p s c o 钢铁公司开始生产x 8 0 管线钢和螺旋焊管，n o v a 公司首先用它来铺设管 道，至1 9 9 7 年共铺设了2 0 5 k m 长的管道。加拿大s t e l c o 钢铁公司也在1 9 9 6 年研制成功 x 8 0 管线钢，并在其w e l l a n d 焊管厂生产螺旋焊管。t r a n s c a n a d a 管道公司( n o v a 被其 兼并) 1 9 9 9 年还准备再建一条管径为1 0 1 6 m m 、长度为3 0 k m 的x 8 0 输气管道。在加拿大 i p s c o 钢铁公司的1 9 9 8 年报告中明确指出，i p s c o 现在具备了生产各种规格尺寸的x 8 0 钢管的能力。加拿大t r a n s c a n a d 公司( t c p l ) 敷设的x 8 0 级高压输气管线长度约4 6 0 k m ， 其中包括a l b e r t a 省北部永久冻土地区的管线，并将x 8 0 级列为今后管线建设的首选钢 级。即将建成的美国c h e y e n n ep l a i n sx 8 0 钢级管线，管径9 1 4 m m ，壁厚1 1 7 4 1 6 9 4 m m ， 长度6 0 8 k m ，是国际上x 8 0 级管线钢管成功应用的又一范例。根据对欧洲钢管公司提供 的1 9 9 1 1 9 9 9 年7 月期间直缝埋弧焊管生产的统计结果，在总生产量为5 4 4 2 1 5 6 t 钢管 中，x 8 0 为2 6 8 。 正在研究中的x 8 0 级管线中有代表性的a l a s k ah i g h w a y 输气管线和m a c h e n z i e v a l l e y 输气管线，输送压力1 4 3 m p a ，长度分别为2 8 0 0 k m 和1 6 9 6 k m ，管径分别为1 0 6 7 m m 和7 6 2 m m 。挪威s t a t o i l 公司对新日铁、住友金属、n k k 和e u r o p i p e 等公司提供的 x 8 0 级钢管进行了用于海底管道的可行性研究，获得了满意结果。其它x 8 0 级管线也在 研究之中。 目前世界上已建和在建的x 8 0 级管道总计已达到2 0 0 0 k i n ( 见表1 一l t 9 1 ) 。 3 西安l 瑚人学硕七学位论文 表卜1 全球已建设的x s 0 管线项目 1 2 螺旋埋弧焊管的发展及其研究现状 螺旋埋弧焊管( s s a v 0 已成为我国油气管道建设用管的主要品种，被广泛应用于石油 天然气输送中。同时，在输送其他介质的管道、建筑工业及海洋构筑等方面亦得到广泛 应用。 1 2 1 螺旋埋弧焊管的应用 管线钢管绝大部分都是管线钢经成型焊接后制成的。当i i f 钢管成型焊接的方式主要 有螺旋埋弧焊、直缝埋弧焊和高频直缝电阻焊三类。螺旋焊管是以带钢卷或钢板对接卷 成螺旋形而焊成钢管的方法。目f ；i 螺旋缝埋弧焊管在国内市场相当广泛。虽然直缝埋弧 焊管的信誉度明显高于螺旋缝埋弧焊管，但其生产成本较高，价格比螺旋埋弧焊管高1 倍左右，而且大直径直缝焊管在我国仍属空白。因此即使国产直缝埋弧焊管投入焊管市 场，也只能占有海洋、寒冷及偏远地区的石油天然气开采、煤炭和矿浆输送管道等有特 殊用途要求的市场，大部分钢管市场，如煤气、供水、采暖、排污、桩管和结构管等， 以及相当数量的油气输送管，还是螺旋埋弧焊管的市场。鉴于我国的国情和国力，大部 分输送管线将采用螺旋焊管，从而使大直径螺旋埋弧焊管的应用具有了广阔的前景。 螺旋埋弧焊管具有以下优点，使其可以用于高压输送“： ( 1 ) 实际应用状况良好。北美和世界各地大量使用s s a w 钢管作为高压输送，输送 压力可达8 2 9 m p a 。德国s a l z g i t t e r 公司在九十年代首次生产x 7 0 级钢管用于天然气的输 送。九十年代，总共有8 0 0 0 多公里的s s a w 钢管用于高压油、气的输送，其大部分钢 管的强度等级为x 7 0 级。s s a w 钢管不仅被用于石油的输送，而且被用于天然气管道高 压输送，甚至还有海洋管线采用s s a w 钢管的报道。如闩本在京华海底铺设了长1 5 k m 的原油管线，使用状况良好。表1 2 是天然气管线采用螺旋埋弧焊管的实例。 4 第一章绪论 表卜- 2 世界各国用s s w 钢管铺设天然气管道一览表 管线名称 长度( k m ) 钢号直径x 壁厚( m ) 西德高压天然气管线 荷兰一意大利输气管线( 西德瑞十段) 穿越安第斯山管线 伊拉克一土耳其输气管线( 土耳其段) 伊朗一西欧输气管线( 捷克、西德段) 阿尔及利亚一意大利输气管线( 阿尔及利亚段) 阿根廷输气管线 x 7 0 9 1 4 x 1 1 3 x 6 09 1 4 x 1 3 x 5 29 0 0 x1 2 7 x 6 0 7 6 2 x7 2 1 0 1 6 1 2 7 x 7 0 1 2 2 0 16 8 x 7 0 1 2 2 0 x ( 1 2 7 1 4 3 ) 6 1 0 7 1 x 7 6 2 1 2 7 加拿大福特希尔斯输气管线 1 2 0 0x 7 0 1 0 7 0 x ( 1 2 7 2 2 ) ( 2 ) 螺旋焊缝受力合理。在对钢管焊缝受力体作分析计算可得，在焊管承受内压时， 螺旋焊缝处的合成应力是同压力、同规格直缝焊管应力值的6 0 8 5 。日本高压力技 术协会和新日铁合作，对直缝和螺旋焊缝两种焊管进行了静压爆破试验，结果表明螺旋 管的承受静压力状况优于直缝管，而且螺旋焊管爆破口的环向变形率明显大于直缝焊管。 而且在相同压力下，由于螺旋焊管的变形大，裂纹长度短，开裂速度小，爆破后其环向 变形量约为直缝焊管的2 倍。这是由于螺旋焊缝对裂口的扩展起了有力的约束作用。 ( 3 ) s s a w 钢管质量的提高，保证了高压输送的要求。由于制管技术的不断发展，使 s s a w 钢管质量的提高成为可能。目l ；i ，许多国家的螺旋焊管厂家都能生产出尺寸精度 高、焊缝质量好，能满足使用要求的螺旋埋弧焊管。从1 9 6 5 年a p l 5 l s 标准的第2 2 版 将螺旋焊管列入标准以来，到1 9 9 5 年的第4 1 版a p l s l 标准，其问经历1 9 版的修改， 反映出输送用螺旋埋弧焊管的质量提高过程和对高压输送的适应性。 ( 4 ) 生产的灵活性大，制造成本低。由于s s a w 钢板前进方向与管子中心线之间存 在一个成型角，而这个成型角又具有可变性，因此同一宽度的带钢可以生产不同直径的 钢管，较窄的带钢也可以生产大直径钢管，加之近年来成型机的改进，变换规格比较容 易，因此螺旋埋弧焊管在较大范围内得以应用。在大直径输送管线( 9 1 0 m m 以上) 几乎全 部采用s s a w 焊管。 1 2 2 螺旋埋弧焊管的发展 ( 1 ) 国外螺旋埋弧焊管的发展螺旋埋弧焊管发明于1 8 8 0 年，1 8 8 8 年开始用于工 业生产，美国新泽西州东奥朗治市的螺缝焊管公司生产出d 1 0 6 7 6 2 m m 的搭缝焊管”1 。 1 9 0 0 年美国t a y l a r 公司申请了螺缝焊管的专利，但其成型焊接技术还相当原始，采用搭 焊，加之带钢质量不过关，致使这种管型未得到广泛生产和应用。1 9 5 1 年德国将埋弧焊 引入制管，不仅生产率提高，而且焊接质量也比较可靠，还可进行自动控制，使螺缝焊 5 一 m 瑙姆 郴 m 观 西安石油大学硕士学位论文 管有了新的突破。此时美国采用埋弧焊接方法生产螺缝焊管，并开始陆续用作中低压管 道及打桩管。1 9 5 9 年德国、英国、瑞士等研制成中空的成型器，可对螺缝焊管进行内、 外壁双面埋弧焊接。同年，德国h o e s c h 公司研制出螺缝焊管新工艺一预精焊工艺，使产 量大为提高。1 9 5 9 年同本分别从德国的k n e c k e n s 和h o e s c h 公司以及美国的a r m c o 公司 引进螺缝焊管制造技术和设备，于1 9 6 0 年组织了螺缝焊管研究委员会，对螺缝焊管的性 能特点进行了大量的试验研究，使螺缝焊管的质量进一步提高。1 9 6 0 年以后，各国才开 始大量生产双面埋弧螺缝焊接钢管，其质量和耐压强度大为提高，工作压力5 6 m p a 。 1 9 6 1 年美国兴建横贯阿拉斯加的高压远距离输油管线( t a p s ) ，规格为 d 1 2 2 0 m m 1 1 7 m m ，钢种等级x 6 5 ，输油压力7 m p a ，设计温度一l o ( 当地最低气温一7 0 ) 。日本在京华海底铺设了长1 5 k m 的仍1 2 2 0 m m x l 2 7 m m 的螺缝焊管作原油管道，使 用情况良好。1 9 6 4 年美国石油协会开始审订螺缝焊管标准a p l 5 l s 。1 9 6 6 年德国发布了 世界上第1 个高压管道标准d i n l 7 1 7 2 ，同时包括直缝焊管和螺缝焊管。1 9 6 7 年美国石 油协会发布适用于螺缝焊管的a p i5 l s 标准。同年，德国的艾斯特( 包括h o e s e h 公司在 内的西欧跨国公司) 和s a l z g i t t e r 公司焊管厂生产的双面埋弧螺缝焊管在世界上首批获得 有权使用a p i 会标的瓷格。1 9 8 2 年美国在托尔萨召开螺缝焊管国际研讨会，总结了西欧 和同本等国的经验，此后进行了一系列的试验研究和技术改造更新。1 9 8 4 年美国石油协 会将螺缝焊管和无缝钢管、直缝焊管的标准统一为同一标准，使螺缝焊管与无缝钢管和 直缝焊管处于完全等同的地位。 螺缝焊管机组每年以近5 的速度递增，9 0 年代中期，世界上已有1 6 0 多套机组。 德国b t v 公司与日本川崎公司可分别生产直径最大( 3 0 4 8 m m ) 、壁厚最大( 3 0 r a m ) 的螺缝 焊管。前苏联为了在寒冷的北部用大直径高压输送管输送天然气，开发了直径1 2 2 0 1 6 2 0 m m 、总壁厚1 4 3 2 m m 的双面螺缝焊管，适用于高压( 1 0 1 2 m p a ) 低温环境。 ( 2 ) 国内螺旋焊管的发展我国大型管道总长度为3 万多k m ，油气管道大部分采 用螺缝焊管，干线最大管径为1 0 1 6 m m ，钢种等级为a 3 、1 6 m n 、x 6 0 、x 6 5 、x 7 0 。 自5 0 年代末以来，我国油气输送用管的主流就是螺缝焊管。1 9 5 9 年宝鸡钢管厂开 始生产螺缝焊管，全套设备由i j i 苏联设计制造，成型器为下卷芯棒长辊式，先外焊后内 焊，生产规格为0 2 4 5 7 2 0 m m 4 1 0 m m 。1 9 6 4 年上海钢管厂与太原矿山机器厂合作 研制高频螺缝焊管机组，并于次年在山西临汾建成我国第一个高频螺缝焊管厂，产品直 径为1 6 8 3 2 5 m m ，继后在宝鸡、锦西、青县等地也建成这类机组。1 9 7 0 年初，为解决 大庆油田原油外输的问题，我国进行了大规模的管道建设，仅用半年时间，在东北地区 的哈尔滨、四平、辽阳、鞍山、大庆、大连等地相继建立7 套螺缝焊管机组，生产规格 0 2 1 9 7 2 0 m m x l o m m ，钢种等级为a 3 、1 6 m n ，输送压力为3 4 m p a 。1 9 7 5 年随着石 油天然气的开发利用，又建成了沙市、资阳、胜利、青县等钢管厂，采用内外壁双面埋 弧焊接，生产规格为0 7 2 0 1 4 2 0 m m x 7 1 6 m m ，钢种等级为x 6 5 ，基本达到国外7 0 年代初的水平。 6 第一章绪论 近1 0 年来，螺缝焊管的制管水平进一步提高，宝鸡、沙市、青县钢管厂先后获得美 国石油协会( a p i ) 会标使用权，产品质量达到a p i 标准，西气东输工程使我国的螺旋焊管 质量水平迈上了新的台阶，标志着我国螺缝焊管生产技术和装备水平已接近国际水平。 1 2 3x 8 0 螺旋焊管的开发与使用 x 8 0 级螺旋埋弧焊管具有高强度、高韧性等特点，对于同等规格钢管，与x 7 0 及以 下钢级相比，采用x 8 0 钢管建设的管道，可提高管线输送压力，减少资源消耗，降低管 线建设成本。 国际上，x 8 0 钢管在德国、加拿大、日本等国已具备规模生产的能力，并已应用到 多条管线中。加拿大w e l l a n d 公司1 9 9 5 年至1 9 9 9 年7 月销售的供天然气输送的s s a w 和u o e 焊管，全部为x 7 0 与x 8 0 。 国内x 8 0 级管线钢管的研究开发于1 9 9 9 年开始立项，至2 0 0 3 年己相继完成了不同 规格的x 8 0 级卷板、钢板和焊管的试制和生产，取得了突破性进展。如宝钢、武钢、鞍 钢等都相继成功开发了x 8 0 级热轧卷板和宽厚钢板，宝鸡、华油、巨龙等公司相继成功 开发了x 8 0 级螺旋缝埋弧焊管和直缝埋弧焊管。2 0 0 3 年2 月1 8 只我国第一根x 8 0 高钢 级螺旋埋弧焊钢管在宝鸡石油钢管有限责任公司成功下线，填补了x 8 0 高钢级螺旋埋弧 焊钢管的国内空白，产品规格为1 3 6 1 0 m m x 7 9 m m 。此次共生产出x 8 0 高钢级螺旋埋弧 焊钢管1 3 根，经中国石油天然气焊接钢管研究所检测，焊管各项性能满足a p i5 l 标准 要求和x 8 0 级项目相关技术协议。2 0 0 4 年，中国石油天然气集团公司科技发展部会同西 气东输管道公司研究决定，在西气东输一陕京二线联络线上进行x 8 0 级螺旋埋弧焊管和 直缝埋弧焊管两种规格产品的工程应用。 1 3 管线钢螺旋埋弧焊的研究现状 1 3 1 埋弧焊的原理及特点1 埋弧焊作为最早获得应用的机械化焊接方法，是焊接生产中应用最广泛的工艺方法 之一。由于焊接熔深大、生产效率高、机械化程度高，因而特别适用于中厚板长焊缝的 焊接。在造船、锅炉与压力容器、化工、桥梁、起重机械、工程机械、冶金机械以及海 洋结构、核电设备等制造中都是主要焊接生产手段。 埋弧焊是以电弧作为热源的机械化焊接方法。埋弧焊实施过程如图卜2 所示，它由 4 个部分组成：焊接电源接在导电嘴和工件之间用来产生电弧；焊丝由焊丝盘经送 丝机构和导电嘴送入焊接区；颗粒状焊剂由焊剂漏斗经软管均匀地堆敷到焊缝接口区； 焊丝及送丝机构、焊剂漏斗和焊接控制盘等通常装在一台小车上，以实现焊接电弧的 移动。 埋弧焊焊缝形成过程如图1 - 3 所示。埋弧焊时，连续送进的焊丝在一层可熔化的颗 粒状焊剂覆盖下引燃电弧。当电弧热使焊丝、母材和焊剂熔化以致部分蒸发后，在电弧 区便由金属和焊剂蒸气构成一个空腔，电弧就在这个空腔内稳定燃烧。空腔底部是熔化 的焊丝和母材形成的金属熔池，顶部则是熔融焊剂形成的熔渣。电弧附近的熔池在电弧 7 鳗安石油大学硕士学位论文 图1 2 埋弧焊过程示意图 溯薹越鐾懿 月4 - 2 矩耳电曩阳捍拜曲璀” i 牟麓2 一，t ，一屯羹一* t ，傩括6 痒t 一埠件l 一蠢宪 图卜一3 埋弧焊电弧和焊缝的形成 力的作用下处于高速紊流状态，气泡快速溢出熔池表面，熔池会属受熔渣和焊剂蒸气的 保护不与空气接触。随着电弧向前移动，电弧力将液态金属推向后方并逐渐冷却凝固成 焊缝，熔渣则凝固成渣壳覆盖在焊缝表面。焊接时焊丝连续不断地送进，其端部在电弧 热作用下不断的熔化，焊丝送进速度和熔化速度相互平衡，以保持焊接过程的稳定进行。 依据应用场合和要求的不同，焊丝有单丝、双丝和多丝，能达到较厚板一次成形。有的 应用中还以药芯焊丝代替裸焊丝，或用钢带代替焊丝。 埋弧焊所用的焊剂非常重要。焊剂的作用与焊条药皮有相似之处，在焊接过程中， 它有效地保护了电弧和熔池，并防止焊缝金属的氧化、氮化和合金元素的蒸发与烧损， 使焊接过程稳定。焊剂还有脱氧和渗合金的作用，与焊丝配合使用，使焊缝金属获得所 需要的化学成分和机械性能。我国的现行g b 5 2 9 3 - - 1 9 9 9 埋弧焊用碳钢焊丝和焊剂中 规定：焊剂型号划分原则是依据埋弧焊焊缝金属的力学性能。为保证焊接质量，要按以 下原则选用焊剂： ( 1 ) 焊剂应具有良好的冶金性能，在焊接时配合适当的焊丝及合理的焊接工艺，焊 缝金属应能得到适宜的化学成分及良好的力学性能，以及较强的抗气孔、抗裂纹的能力。 ( 2 ) 焊剂应具有良好的工艺性能，焊接过程中电弧燃烧稳定，熔渣具有适宜的熔点、 粘度和表面张力，焊缝表面成形良好、脱渣容易以及产生的有毒气体少。 ( 3 ) 焊剂颗粒度应符合要求，普通焊剂的颗粒度为0 4 5 0 2 5 0 r a m ，0 4 5 0 r a m 以下的 细粒不得大于5 ，2 5 0 r a m 以上的耦粒不得大于2 ，细颗粒度的焊剂，粒度为0 2 8 0 1 4 2 5 m m ，0 2 8 0 m m 以下的细粒不得大于5 。1 4 2 5 m m 以上的粗粒不得大于2 。 b 第一章绪论 ( 4 ) 焊剂w ( h 2 0 ) o 1 0 。 ( 5 ) 焊剂中机械夹杂物的含量不得大于0 3 0 ( 质量分数) 。 ( 6 ) 焊剂的w ( s ) o 0 6 0 ，w ( p ) o 0 8 0 。 对于铁素体钢，一般选用碱度较高的熔炼焊剂或烧结、粘结焊剂，以降低合金元素 的烧损及掺加较多的合金元素。一般可用于焊接管线的焊剂有氟碱型烧结焊剂( 碱性焊剂) 和硅钙型烧结焊剂( 中性焊剂) 等。 埋弧焊所用的焊丝，应根据所焊钢材的类别及对焊接接头性能的要求加以选择，并 与适当的焊剂配合使用。 1 3 2 管线钢螺旋埋弧焊管的焊接特点“们 螺旋焊管所用的焊接方法有：埋弧自动焊、二氧化碳气体保护焊和高频焊。因后两 种在工艺上存在一些固有的缺陷，目前己逐渐被淘汰。现在普遍认为，埋弧自动焊是螺 旋焊管比较稳定并能保证焊接质量的方法。螺旋管的埋弧焊与其成型方法和制造工艺相 联系，有别于普通的埋弧自动焊，形成了自身的工艺特点，如下： ( 1 ) 焊接的连续性要求螺旋埋弧焊管的生产是一面连续成型，一面进行内、外焊 缝的自动埋弧焊接。成型和焊接是在自动生产线上一次完成。因此要求焊管机组必须长 时间的连续运作，为此，螺旋管的成型过程必须稳定、均匀、连续，为焊管生产提供相 对持续稳定的焊接间隙。 现在国外虽有螺旋管的预精焊工艺，即预焊工艺在焊管机组的生产线上完成，而精 焊工艺在离线的精焊台架上进行。这既可以提高焊速，而不至于影响质量，又可使在离 线后的较慢焊速下得到优质的焊缝形状和内部质量。但单就其预焊工艺来讲，仍需符合 焊接连续性的要求。 ( 2 ) 良好的焊缝形状要求螺旋焊管的工艺特点是斜坡焊接，见图卜4 。 外掉豌蔚排列) 悔悍 内焊蘸后捧列 ( a )( b ) 图1 - 4 焊接位置和焊缝形成示意图 图( a ) 表示了内、外焊头的位置，内焊时为上坡焊，外焊时为下坡焊。结晶过程中焊 接位置和焊缝流动的金属之间的斜坡使得焊缝形状具有图( b ) 的特征。 从上图的内、外焊头位置可以看出，内焊头位于6 点钟靠前的位置，必然使焊头下 焊缝的斜率增大。然而因成型过程中，钢管的旋转使焊缝斜率又随之减少，这就使得内 焊缝形成了焊道中央凹陷的形状，被称之为中凹焊道。与此相反，外焊头位于1 2 点钟靠 9 西安钉油人学硕士学位论文 前的位置。焊头下焊缝的斜率必然变小，而成型中钢管的旋转又使焊缝金属形成结晶位 置上焊缝的斜率增大。由于焊缝金属向前流动，外焊缝的焊道中央部分被加厚，称为中 凸焊道。 为了得到良好的焊缝形状，必须考虑：母材倾斜角度，即从什么地方丌始焊，到什 么地方凝固，以及偏心值与焊接速度的关系等；焊剂种类的选择；根据焊透深度和焊接 缺陷的关系，如何选择焊接条件，诸如电流、电压、焊速、焊丝直径、焊剂粒度等。 o ) 稳定的成型性要求螺旋焊管是在成型的同时进行焊接的，焊接质量的好坏与 成型的稳定性密不可分。螺旋管焊接中产生的许多焊接缺陷，除焊接工艺的自身因素的 影响外，与成型稳定性也有很大关系。螺旋钢管焊缝中常出现的缺陷如焊偏、错边、烧 穿、咬边，甚至气孔、夹渣等都与成型有关。在实际生产中总是存在不稳定的因素，因 此实现焊接的自动控制和焊缝的自动跟踪则显得尤为重要。 在现代螺旋焊管生产中，提高螺旋焊管机组的生产率保证焊管质量的重要途径之一 是采用多丝埋弧焊接。采用沿焊接方向前后串列的双丝或多丝埋弧自动焊，就可以使每 根焊丝承担一个较单纯、特定的工艺要求，并根据各自特定的工艺要求，选择合理的焊 接参数，达到高效率、高质量的目的。相对于单丝埋弧焊，双丝埋弧焊接可提高焊接速 度3 0 4 0 ，减少局部夹杂和焊缝气孔数量，提高焊缝中心区的冲击韧性，可适应较 大壁厚的钢管焊接。 1 3 3 管线钢螺旋埋弧焊管接头组织与性能的研究现状 为适应管道工程发展的需要，新一代高性能管线钢采用微合会化、超纯净冶炼和现 代控扎、加速冷却的热机械处理( t m c p ) 工艺，已经能够提供具有足够强、韧特性的管线 钢板卷。然而由于焊接工艺过程快速、高温、短时、受拘束的特点，使得焊接接头的显 微组织呈现多样化和非均匀性，而且存在一定的梯度。 焊接过程中，母材热影响区( h a z ) 上各点距焊缝的远近不同，各点所经历的焊接 热循环不同，就会出现不同的组织，具有不同的性能。因而焊接热影响区是一个具有组 织梯度和性能梯度的非均匀连续体。焊接h a z 的组织按其所经历的热循环的差异可划 分为熔合区、粗晶区、细晶区、不完全重结晶区和时效脆化区等五个区段，如图1 5 “” 所示。 对于管线钢双面焊或多道焊，第二道焊缝的h a z 与第一道焊缝的h a z 相互重叠， 在第一道焊缝的h a z 中形成部分或完全再热区。由于h a z 是一个连续变形的梯度组织 区域，这一组织分布特征必然影响到它性能的分布。而焊接粗晶区处在焊缝和母材的过 渡地带，它不仅具有明显的物理和化学不均匀性，而且还经常在焊趾和焊根处出现咬边 和裂纹等几何不均匀性所造成的应力集中，因而焊接粗晶区是整个焊接接头的一个薄弱 环节。图1 6 则是一种m n m o n b 管线钢母材和焊接接头不同区域的断裂韧性分布 曲线。 1 0 第一章绪论 埠t滁l 母柑 c t “) f b 图1 5 管线钢焊接h a z 的组织分布特征 ( a ) h z 组织分布；m ) f e c 状态图；“) 热循环( 图中t - 一峰值温度，h 一晶粒长大温度) * 堙 杂 一 器 蕾 毯 搿 噩虞 图1 6 一一管线钢两道埋弧焊c o o 结果 从图中可以看出，粗晶区具有最低的断裂韧性值。而韧性是焊接接头一项重要的性 能，对天然气管道的起裂和止裂有重要影响。所以，近十几年来，粗晶区组织和性能的 变化成为人们关注的焦点，有关焊接粗晶区的研究已成为现代焊接物理冶金学的一个重 要分支。但焊接h a z 是一个小范围的局部区域，要准确地测定热影响区，乃至租晶区的 韧性，并不是一件容易的事。 目前，研究管线钢螺旋埋孤焊管焊接h a z 的组织与性能的方法主要有两种： ( 1 ) 直接法直接法即研究实际焊接接头的热影响组织，采取对焊接接头进行取样、 划线、腐蚀等措施，直接进行力学性能试验和金相分析。 ( 2 ) 热模拟法2 0 世纪4 0 年代后开展了焊接热模拟研究。焊接热模拟法是在计算机 控制的热模拟机上，对试样进行和实际焊接时相同的或相近的热循环，从而在一个相当 西安石油人学硕士学位论文 大的区域( 如3 7 r a m ) 获得与实际焊接热影响区相同的或相近的组织状态，因而可以制 备足够尺寸的试样，对其进行性能和组织的测试。 1 4 课题背景 x s 0 从2 0 世纪8 0 年代中期开始研究和试验，9 0 年代初期获得批量使用，到目前为 止，全世界敷设的x 8 0 管道约2 0 0 0 k i n 。在国内，宝鸡石油钢管有限责任公司于1 9 9 9 年 正式立项，进行石油天然气输送用x 8 0 级螺旋埋弧焊管的研究工作。自1 9 9 9 年以来， 先后完成了国外高钢级管线钢管的技术标准、焊接材料、焊接工艺等方面的技术情报的 收集整理工作，并与国内几家大型钢铁公司联合提出了x 8 0 管线钢热轧卷板的技术条件。 2 0 0 0 2 0 0 1 年，宝鸡石油钢管有限责任公司对武钢x 8 0 级1 0 r a m 热轧卷板进行了性 能分析，提出国产x 8 0 热轧卷板存在的问题和改进意见。在此基础上进行了武钢x 8 0 级d 1 3 9 7 1 0 r a m e r w 焊管试制。 2 0 0 2 年宝鸡石油钢管有限责任公司与宝山钢铁股份公司签订了“共同进行x 8 0 管线 钢螺旋焊管试制的技术要求”，同年1 1 月宝钢x 8 0 级7 9 m m 热轧卷板试制成功，宝鸡石 油钢管有限责任公司完成了对宝钢x 8 0 级7 9 m m 热轧卷板的力学性能测试和焊接工艺研 究，并于2 0 0 3 年初进行了0 6 1 0 7 9 m m 螺旋埋弧焊管试制。 2 0 0 4 年4 月，武钢x 8 0 级1 7 5 m m 热轧卷板试制成功，宝鸡石油钢管有限责任公司 组织进行了热轧卷板性能分析，进行了武钢x 8 0 级0 1 0 1 6 1 7 5 m m 螺旋埋弧焊管试制。 2 0 0 4 年，中国石油天然气集团公司科技部会同西气东输公司研究决定在我国西气东 输一陕京二线联络线上进行x 8 0 螺旋埋弧焊管的工程应用。为适应西气东输一陕京二线 联络线“冀宁联络线x 8 0 管线钢管工业性试用工程”项目工作，2 0 0 4 年9 月，本课题开 始进行了x 8 0 管线钢0 1 0 1 6 1 5 3 m m 螺旋埋弧焊管的开发研究。 本课题的主要研究内容为： ( 1 ) 采用力学性能测试技术和显微分析技术对试验x 8 0 级热轧卷板进行组织和性能 分析，提出x 8 0 级热轧卷板的技术条件： ( 2 ) 利用计算机控制的焊接热模拟技术模拟x 8 0 级0 1 0 1 6 x 1 5 3 m