（机械工程专业论文）埋弧双丝焊工艺参数对焊缝成型的影响.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 埋弧双丝焊工艺参数对焊缝成型的影响 机械工程 田均平( 签名) 周勇( 签名) 杨继锋( 签名) 摘要 随着油气输送管线不断向大口径、高压力发展，螺旋埋弧焊钢管也不断向大口径、 大壁厚、高钢级发展，双丝埋弧焊工艺在螺旋焊管生产中起着越来越大的作用。本文主 要研究了双丝熔深与坡口形式及焊接参数之间的关系，并利用回归分析求出了双丝埋弧 焊熔深与焊接电流、电弧电压、焊接速度、接头坡口形状等参数之间关系的经验公式。 本文首先对双丝埋弧焊各参数对焊缝熔深的影响进行了分析，发现焊接电流、电弧 电压、焊接速度、焊丝直径、坡口形状、焊丝倾角、双丝间距等参数都影响双丝螺旋埋 弧焊的熔深，而主要影响因素为：焊接电流、焊接速度和坡口形状。 本文还通过试验，研究了螺旋埋弧焊外焊坡口角度对焊缝熔深、力学性能及外观质 量的影响，试验结果表明，随着外焊坡口角度的增加，外焊缝高度降低明显、外焊熔深 明显增加，对x 8 0 钢级1 8 4 m m 壁厚螺旋埋弧焊钢管，焊缝冲击韧性略有提高，热影响 区冲击韧性有所下降。 本文最后通过长期积累螺旋埋弧焊钢管生产过程中双丝焊熔深与焊接电流、焊接速 度和坡口形状等参数闯关系的数据，利用回归分析求出了双丝焊熔深与上述焊接参数之 间关系的经验公式。随后的生产过程焊缝酸蚀样表明该经验公式能适用于双丝螺旋埋弧 焊工艺。 关键词：螺旋埋弧焊钢管；双丝焊；焊接参数；焊缝成型 论文类型：应用研究 ( 本文得到宝鸡石油钢管有限责任公司科研资金的资助) 1 1 s u b j e c t ：t h ee f f e c to fs u b m e r g e da r cw e l d i n gp a r a m e t e r s w i t ht w i nw i r e so nt h e w e l d i n gp e n e t r a t i o n m a j o r ： m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g n a m e ：t i a nj u n p i n g ( s i g n a t u r e ) l 塑j 竺苎巳堡 i n s t r u c t o r ：z h o uy o n g y a n gj i f e n g a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo i la n dg a st r a n s m i s s i o np i p e l i n ew i t hl a r g ed i a m e t e ra n dh i g h p r e s s u r e ，s p i r a ls u b m e r g e da r cw e l d e dp i p e ( s s a wp i p e ) i sb e i n gd e v e l o p e dc o n s t a n t l yt o w a r d l a r g ed i a m e t e r , h e a v yw a l lt h i c k n e s sa n dh i g hg r a d e ，a n dt w i nw i r e sw e l d i n gp r o c e s sh a s p l a y e dm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei nt h ep r o d u c t i o no fs s a wp i p e t h i sa r t i c l er e s e a r c h e s t h ee f f e c to fa n dg r o o v es h a r pa n dw e l d i n gp a r a m e t r eo nw e l d i n gp e n e t r a t i o n ，a n da l s o s u m m a r i z e se x p e r i e n t i a lf o r m u l af o rt h er e l a t i o na m o n gw e l d i n gp e n e t r a t i o n ，g r o o v es h a r p eo f j o i n t ，w e l d i n gc u r r e n t ，w e l d i n gs p e e de t c t h r o u g ht h er e g r e s s i v ea n a l y s i s t h ea r t i c l ef i r s t l y a n a l y z e st h ee f f e c to fw e l d i n gp a r a m e t e r so ft w i nw i r e sa n dw e l d i n gp r o c e s so nw e l d i n g p e n e t r a t i o n ，a n di ti sf o u n dt h a tw e l d i n gc u r r e n t ，w e l d i n gv o l t a g e ，w e l d i n gs p e e d ，d i a m e t e ro f w e l d i n gw i r e ，g r o o v es h a r p ，s l o p ea n g l eo fw e l d i n gw i r ea n d t h eg a pb e t w e e nt w i nw i r e sh a v e i n f l u e n c eo nw e l d i n gp e n e t r a t i o n , a n dt h em a i ni n f l u e n c ef a c t o r sa r ew e l d i n gc u r r e n t ，w e l d i n g s p e e da n dg r o o v et y p e s t h ee f f e c t so fg r o o v et y p e so fo u t s i d ew e l d i n go np e n e t r a t i o 玛m e c h n i c a lp r o p e r t i e sa n d a p p e a r a n c eo fw e l d i n gs e a m ，a n da l le x p e f i e n tr e s u l t sa r e s t u d i e di nt h i sp a p e r i ti ss h o w nt h a t t h eh e i g h to fo u t s i d er e i n f o r c e m e n ti sd e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y , a n dp e n e t r a t i o no fo u t s i d e w e l d i n gi si n c r e a s e dm a r k e d l y , t h ei m p a c tt o u g h n e s so fw e l d i n gs e a m i si m p r o v e ds l i 曲t l y , b u t i m p a c tt o u g h n e s so fh e a ta f f e c tz o n ei sd e c r e a s e dt os o m ee x t e n tw i t ht h ei n c r e a s eo fg r o o v e a n g l eo fo u t s i d ew e l d i n g f o rt h ex 8 0g r a d es s a w p i p ew i t hw a l lt h i c k n e s so f18 4 m m f i n a l l y , b a s e do nal a r g ea m o u n to fd a t aa c c u m u l a t e di nt h el o n gt e r mp r o d u c t i o no fs s a w p i p e 。t h ea r t i c l es u m m a r i z e st h ee x p e r i e n t i a lf o r m u l af o rt h er e l a t i o n s h i pa m o n gp e n e t r a t i o n ， w e l d i n gc u r r e n t ，w e l d i n gv o l t a g ea n dw e l d i n gs p e e dt h r o u g ht h er e g r e s s i v ea n a l y s i s ，a n di t i s p r o v e dt h a tt h ee x p e r i e n t i a l lf o r m u l ai s s u i t a b l ef o rt w i nw i r e ss p i r a ls u b m e r g e dw e l d i n g p r o c e s sb yt h ea c i de t c h i n g t e s to fa c t u a lp r o d u c t i o n k e y w o r d s ：s p i r a ls u b m e r g e da r cw e l d e dp i p e ( s s a wp i p e ) ，t w i nw i r ew e l d i n g ，w e l d i n g p a r a m e t e r s ，w e l d i n gp e n e t r a t i o n i i i 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：1 丑鱼垂 日期：弘舶夕。，? ， 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，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。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：迢生鱼墨 导师签名：罩 日期：型艺：! ! 、 日期：垄竺2 ：! ? 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第章绪论 第一章绪论 1 1 螺旋埋弧焊钢管在油气管道中的地位 1 1 1 螺旋埋弧焊钢管简介 螺旋埋弧焊钢管指由自动埋弧焊工艺生产，带有一条螺旋焊缝的钢管，简称s s a w 钢管。 螺旋埋弧焊钢管是石油天然气输送管线设用钢管的主要品种之一，它具有以下4 个优点，使其可以用于高压输送的长输管线【l 】： ( 1 ) 实际应用状况良好。北美和世界各地已大量使用s s a w 钢管用以高压输送石油、 天然气等介质，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。如日本在京 华海底铺设了长1 5 k m 的原油管线，使用状况良好。 ( 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，尤 其是以铣代剪、多丝埋弧焊接、焊缝自动跟踪、管端定径等工艺的推广使用，管端x 光 拍片、全管体超声波检测、全焊缝手动超声波复查等检验手段的使用，使s s a w 钢管质 量的提高成为可能。目前，许多国家的螺旋焊管制造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钢管。从1 9 6 5 年a p l5 l s 标准的第2 2 版将螺旋 焊管列入标准以来，到2 0 0 7 年的第4 4 版a p ls p e c5 l 标准，其间经历2 2 版的修改，反 映出输送用螺旋埋弧焊钢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 钢管生产时，钢带前进方向与管子 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，因此螺旋埋弧焊钢管在较大范围内得以应用。在大直径输送管线 ( 1 2 1 9 m m 以上) 中，s s a w 钢管的使用量远大于直缝埋弧焊钢管。 西安石油大学硕士学位论文 螺旋埋弧焊钢管的生产流程见图1 1 。 1 1 2 管道运输概述 图1 1 螺旋埋弧焊钢管生产工艺流程图 管道运输又被称为文明运输，因为国家发展到相当的文明程度之后，才有管道运输 的出现；同时，它又是一种不产生噪声的运输，故称为文明运输。对一个工业国来说， 工业越发达，人民生活水平越高，耗用能源越大，依靠管道运输的程度就越大。对一个 发达的工业国来说，管道能源运输所起的作用是巨大的。管道运输与铁路、航空、公路、 海运并称为五大运输行业，是重要的能源运输工具。阿拉斯加原油管道年运原油9 0 0 0 万吨，相当于双轨铁路的年运量；原苏联修建的亚马尔输气管道年输气3 2 0 亿立方米。 管道输送石油和天然气这类危险品，特别是大量天然气的输送，是别的运输工具所不能 替代的。这样的能源运输功能，是其他运输工具难以完成的【2 1 。 最早的长输管道是1 8 9 7 1 9 0 6 年俄国沙皇政府建成的从巴库至巴统的成品油出口管 道。该管道直径2 0 3 m m ，长8 8 3 k m ，设1 6 座中间泵站，管子为铸铁管，管子之间采用 丝扣连接。管道工业经过一百多年的发展，管道用管已经从最初使用的低压铸铁管发展 到目前使用的高压钢制管道，无论是管材、设备仪表，还是管道设计、施工、输送工艺、 化学添加剂、腐蚀防护、自动控制、完整性管理等方面都有了质的飞跃。 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、天然气已经成 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 管线总长已超过2 4 x1 0 6 k m ，并以每年和5 1 0 4 k m 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【3 】。 目前，管道用管主要为螺旋埋弧焊钢管、直缝埋弧焊钢管和高频直缝电阻焊钢管。 而我国的石油、天然气输送管道均以使用s s a w 钢管为主。 圈圉圉；围困圈囤囤圈围圈困圈圈圈圈圈圈。圈圈 第章绪论 1 1 3 国外油气管道使用螺旋埋弧焊钢管情况 在国外，由于长期一来认为直缝焊管的可靠性高、残余应力小、几何尺寸精良，油 气管道以使用直缝埋弧焊钢管为主。国外的大口径干线输送管道中，直缝焊钢管占 7 5 肌8 0 ，螺旋焊钢管占2 0 2 5 t 4 1 。然而，从2 0 世纪9 0 年代开始，随着螺旋埋弧焊 钢管制造技术的显著进步和产品质量水平的稳定提升，美国、欧洲的石油天然气公司基 于管道建设成本考虑，已经在部分高压输油输气管道上增大了螺旋埋弧焊钢管的使用比 例。近年来，螺旋埋弧焊钢管在国际上的应用范围迅速扩大，特别是美国开始在天然气 管线上大批量应用x 8 0 钢级螺旋埋弧焊钢管，在世界上产生了很大影响。夏延输气管道 是美国首条x 8 0 钢级天然气管道，也是目前世界上在用的最长的输气管线，全长6 1 2 公 里，所用的全部1 8 1 万吨钢管中螺旋焊管占7 9 ，于2 0 0 5 年顺利建成；2 0 0 7 年开始建 设的落基捷运管道是美国2 0 年来修建的最大输气管线，钢级为x 8 0 ，管径1 0 6 7 m m ，全 长2 1 3 0 公里，仍将大量采用螺旋焊管【5 】。印度瑞莱斯公司2 0 0 6 年建设的东气西送天然 气输送管道工程，全长1 4 0 0 多公里，其中1 2 4 4 公里使用宝鸡石油钢管有限责任公司生 产的1 2 1 9 1 7 2 m m 钢级x 7 0 螺旋埋弧焊钢管。表l 一1 是国外螺旋埋弧焊钢管在长输 管道中的使用情况。 表l l 国外s s a w 钢管铺设的主要长输管道 管线名称长度( k m ) 钢级 管径壁厚( m i t l ) 荷兰一意大利输气管线1 3 3x 6 09 1 4 1 3 穿越安第斯山管线 3 2 5x 5 29 0 0 1 2 7 伊朗一西欧输气管线 6 4 8x 7 0l o l 6 1 2 7 1 2 2 0 x1 6 8 阿尔及利亚一意大利输气管线 1 3 lx 7 01 2 2 0 x1 2 7 1 4 3 阿根廷输气管线5 9 2x 6 06 1 0 7 1 7 6 2 1 2 7 加拿大福特希尔斯输气管线 1 2 0 0x 7 09 1 4 x1 3 美国夏延输气管线 5 0 7x 8 09 1 4 x1 1 9 1 7 2 加拿大c e n t r a la l b e r t as y s t e m 管线 9 1x 8 01 2 1 9 1 2 a l l i a n c e 天然气输送管线 1 3 3 9 x 7 0 9 1 4 x1 4 2 3 1 0 6 7 x1 1 4 3 印度东气西送管线 1 2 4 4x 7 01 2 1 9 1 7 2 1 1 4 国内油气管道使用螺旋埋弧焊钢管情况 我国石油天然气管道工业的发展是随着我国石油工业的创建而发展起来的。我国第 一条长输管道是1 9 5 8 年建设的克拉玛依独山子炼油厂双线输油管道，全长3 0 0 公里， 管径1 5 9 m m 。6 0 年代，大庆油田的开发，使我国原油生产有了突破性进展，原油产量 大幅度提高。到1 9 7 0 年时，火车运输已不能满足原油外输的要求，原油的运输成为当时 石油工业发展的瓶颈。1 9 7 0 年8 月3 日开始的“八三”会战，先后建成了大庆一铁岭一 大连和大庆一铁岭一秦皇岛两条原油输油管道，采用8 1 3 m m 钢级1 6 m n 的螺旋埋弧焊 钢管，使我国的原油管道输送水平上了一个新台阶。 西安石油大学硕士学位论文 从2 0 世纪7 0 年代起，经过2 0 多年的努力，到1 9 9 6 年我国已建成投运的输送原油、 天然气和成品油的长输管线总长度2 1 4 0 8 k m 酬。2 0 世纪9 0 年代初，我国西部石油天然 气勘探开发取得巨大发展，为了将塔里木盆地、吐哈盆地、准噶尔盆地以及陕甘宁盆地 的原油和天然气输往库尔勒、鄯善、乌鲁木齐、克拉玛依、西安、北京、上海等城市， 我国先后修建了塔中至轮南输油管线、轮南至库尔勒石油管线、靖边至西安输气管线、 靖边至北京输气管线、西气东输管线。截止2 0 0 3 年，我国已相继建成长输油气管道3 5 1 0 4 k m ，其中天然气管道总长为2 2 1 0 4 k m ，已初步形成了“北油南运”、“西油东进”、 “西气东输”、“海气登陆”的油气输送格局叽 由于历时原因，我国早期的制管厂几乎全部为螺旋埋弧焊钢管制造厂家，导致我国 的油气管道也以使用螺旋埋弧焊钢管为主。已建成的陕京管线、兰银线、陕京二线、西 部原油及成品油管线、靖西管线以及西气东输管线等十几条重大长输管线，目前正在建 设的涩宁兰复线、西气东输二线、陕京三线、漠大线等管线均已使用螺旋埋弧焊钢管为 主。表1 2 是国内已建成长输管道中螺旋埋弧焊钢管使用情况。 举世瞩目的西气东输二线工程，就全球已经建成和正在建设的天然气高压长输管道 而言，不论钢级、长度、管径、壁厚还是输送压力，都堪称世界之最。其全长4 7 7 5 k m ， 共使用x 8 0 级由1 2 1 9 1 5 3 - 1 8 4 m m 螺旋埋弧焊钢管1 9 9 5 万吨，占整个工程焊管用量的 比例高达7 2 ，进一步说明了螺旋埋弧焊钢管在国内油气管道建设中的重要地位。 表l 一2 国内s s a w 钢管铺设的主要长输管道 管线名称长度( k m )钢级管径壁厚( m m ) 秦皇岛北京输油管线 3 4 7 71 6 m n 5 2 9 7 8 轮南库尔勒输油管线 1 6 lx 5 25 0 8 7 塔里木轮南输气管线 3 0 0x 5 24 2 6 7 8 鄯善乌鲁木齐输气管线3 2 0x 5 24 5 7 6 7 陕西靖边北京输气管线 7 8 0x 6 5 6 6 0 7 1 8 1 西气东输管线 1 6 8 3x 7 01 0 1 6 1 4 6 陕西靖边一北京二线 7 8 0x 7 01 0 1 6 1 4 6 - 1 7 5 x 6 06 6 0 7 1 涩宁兰复线9 4 0 6 x 6 56 6 0 7 9 1 1 9 永唐秦输气管线3 1 0 x 7 0 l o l 6 1 4 6 1 7 5 1 2 螺旋埋弧焊钢管的发展及其研究现状 1 2 1 国外螺旋埋弧焊钢管的发展及其研究现状 螺旋埋弧焊钢管发明于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 治市的螺旋焊管公司生产出由1 0 6 - - 一7 6 2 m m 的搭缝焊管【引。1 9 0 0 年美国t a y l a r 公司申请 了螺旋焊管的专利，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， 4 第一章绪论 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，使螺旋焊管有了新的突破。此时美国采 用埋弧焊接方法生产螺旋焊管，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，可对螺旋焊管进行内、外壁双面埋弧焊接。同年，德 国h o e s c h 公司研制出螺旋焊管新工艺一预精焊工艺，使产量大为提高。1 9 5 9 年日本分 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 公司引进螺旋焊管制造技术和设 备，于1 9 6 0 年组织了螺旋焊管研究委员会，对螺旋焊管的性能特点进行了大量的试验研 究，使螺旋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 ) ，规格为巾1 2 2 0 m m x1 1 7 m m ，钢种等级x 6 5 ，输油压 力7 m p a ，设计温度一1 0 c ( 当地最低气温一7 0 ) 。日本在京华海底铺设了长1 5 k m 的由 1 2 2 0 m mx1 2 7 m m 的螺旋焊管作原油管道，使用情况良好。1 9 6 4 年美国石油协会开始审 订螺旋焊管标准a p i5 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旋焊管。1 9 6 7 年美国石油协会发布适用于螺旋焊管的a p i5 l s 标 准。同年，德国的艾斯特( 包括h o e s c 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 生产的双面埋弧螺旋焊管在世晃上首批获得有权使用a p i 会标的资格。1 9 8 2 年美国在托 尔萨召开螺旋焊管国际研讨会，总结了西欧和日本等国的经验，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旋焊管和无缝钢管、直缝焊管的标准 统一为同一标准，使螺旋焊管与无缝钢管和直缝焊管处于完全等同的地位。 国外螺旋焊管机组每年以近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 m m ) 的 螺旋焊管。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 的双层双面螺旋焊管，适用于高压( 1 0 1 2 m p a ) 低温 环境。 1 2 2 国内螺旋埋弧焊钢管的发展及其研究现状 1 9 5 8 年我国在宝鸡建设国了内第一条螺旋埋弧焊钢管生产线，该项目是我国“一五” 期间1 5 6 个重点建设项目之一。全套设备由前苏联设计制造，成型器为下卷芯棒长辊式， 先外焊后内焊，生产规格为由2 4 5 - 7 2 0 m m 4 - d o m m 。1 9 5 9 年9 月宝鸡石油钢管厂生 产出我国第一根单面螺旋埋弧焊钢管，规格为4 2 6 x 7 m m 。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 套螺旋焊管机组，生产规格由2 1 9 7 2 0 m m x1 0 m m ，钢种等级为a 3 、1 6 m n ，输送压力为3 一4 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。其中沙市钢管厂采用内外壁双面 西安石油大学硕士学位论文 埋弧焊接，生产规格为由7 2 0 - 1 4 2 0 m m 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。目前我国有3 0 0 多套螺旋埋弧焊钢管机组，但只有2 0 多套机组从工 艺布置、设备设置、制造技术上能够达到油气输送管的要求，且大部分集中在中石油、 中石化系统所属的钢管厂p j 。 1 9 9 0 年前后，通过一系列的设备改造、生产工艺改进，螺旋埋弧焊钢管的制管水平 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 量达到了a p i 标准的要求。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， 标志着我国螺旋焊管生产技术和装备水平已接近国际先进水平。目前，宝鸡石油钢管有 限责任公司、渤海石油装备制造有限公司华油钢管公司等制管企业为西气东输二线工程 大批量生产x 8 0 钢级1 2 1 9 1 8 4 m m 螺旋埋弧焊钢管，标志着我国螺旋埋弧焊钢管的 生产制造水平已达到国际最高水平。管材研究所对进口u o e 直缝管和国产s s a w 管通 过力学性能对比试验，证明国产s s a w 钢管的力学性能基本与进口u o e 直缝管相当， 部分指标优于进口直缝管，其主要结论为： ( 1 ) 国产s s a w 管的机械性能与日本、美国的u o e 管处于同一水平。硬度实验结 果表明，s s a w 管焊缝金属的平均硬度和母材平均硬度差均在2 3 h v l o 以下，硬度和硬度 差值均小于u o e 管。这说明在强度方面，国产s s a w 管可以达到u o e 直缝管水平，并 可做到焊缝与母材相匹配。爆破实验大多在母材破坏，其结果与上述结论相吻合。 ( 2 ) 对比管的夏比冲击韧性实验结果表明：国产s s a w 管无论是管体横向还是焊缝、 热影响区的夏比冲击功都很高，且三者数值接近，焊缝冲击韧性超过对比u o e 管水平。 从韧脆转化温度性能指标来看国产s s a w 管管体横向、焊缝以及热影响区的断口形貌转 化温度f a t t 也较u o e 管低，而且数值均匀，管子的可靠性更高。 ( 3 ) s s a w 管的残余应力水平大大下降。采用环切法检测弹复量，发现弹复量为零 或负值。国产s s a w 管的残余应力水平已与日本某厂u o e 管相当，并优于美国某厂u o e 管的水平【1 0 】。 1 3 埋弧焊在螺旋焊管生产中的应用 1 3 1 埋弧焊的原理及特点 埋弧焊是以电弧作为热源的机械化焊接方法，其实施过程如图1 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 6 第一章绪论 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，项部则是熔融焊剂形成的熔渣。电弧附近的熔池在电弧力的作 用下处于高速紊流状态，气泡快速溢出熔池表面，熔池金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。 图1 - 2 埋弧焊过程示意图 一瑟遨耋越 l 一谭糠z - i ! t t ! - - 电雏一瓣麓3 - # l l t lt i - t l i t l 一霹件- 一蠢蠢 图1 3 埋弧焊电弧和焊缝的形成 埋弧焊由于焊接熔深大、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【1 1 1 。 1 3 2 埋弧焊在螺旋焊管生产中的应用 螺旋焊管一般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三种。因 后两种在工艺上存在一些固有的缺陷，目前已逐渐被淘汰。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。 我国最早的螺旋焊管采用的焊接方法为单面埋弧焊，由于其焊接质量不稳定，1 9 6 5 年宝鸡石油钢管厂经过设备改造和大量的试验，在螺旋焊管生产中成功使用了双面埋弧 西安石油大学硕j ：学位论文 焊，为螺旋焊管质量的提高奠定了坚实的基础。双面螺旋埋弧焊钢管生产时，先进行内 焊，钢带前进一个半螺距后再进行外焊，其焊接示意图见图l - 4 。 外霹 6 。 - - - 1 2 。，则焊缝余高过大，两侧出现咬 边，成形明显恶化。实际工作中应避免采用上坡焊。下坡焊的效果与上坡焊相反，见图 c 、d 。 a ) 上坡斜 b ) 上坡斜工件斜度的影响c ) 下坡斜d ) 下坡斜工件斜度的影响，一工件斜度 图2 8 工件斜度对焊缝形成的影响【2 1 1 2 3 3 双丝间距对熔深的影响 双丝埋弧焊时，前丝与后丝间距一般在l o - - , 2 5 m m 之间，熔深随着双丝间距的减小 而增大，但应注意，两丝间距变小至8 m m 左右时，两个焊丝将处于一个熔池和弧坑中， 同时因间距过小易出现双丝磁场干扰严重，致使电弧燃烧不稳定，并使双丝电弧的相互 影响增加，易产生“粘渣”现象，脱渣性下降。当两丝间距过大时，两个焊道之间没有 相互作用，成为2 个独立的焊道，导致形成高而窄的焊道形貌。 2 3 4 焊剂堆高对熔深的影响 焊剂堆高对焊缝熔深有轻微影响，一般来说，随着焊剂堆高的增大，焊缝余高略有 增大，焊缝熔深略有降低。 第二章双丝埋弧焊各参数对焊缝熔深的影响 2 4 螺旋埋弧焊钢管生产时双丝焊各参数的选取 2 4 1 焊接电流的选取 为保证双丝埋弧焊的熔深和焊接过程的稳定，前丝一般采用直流电源，接法为直流 反接，后丝一般采用交流电源。 。 焊接电流的确定，主要以焊缝熔深的大小来设定。根据螺旋成型的特点，正常情况 下，内焊电流小于外焊电流。由于螺旋埋弧焊钢管生产时，一般要求内焊熔深达到母材 壁厚的4 0 5 0 ，外焊熔深达到母材壁厚的6 0 , - - - 7 0 2 2 j 。这样即可满足标准要求内 外焊缝重合量的相关要求，有利于内焊缝根部的夹杂物被外焊消除，同时避免因成型应 力变化造成的内焊撕裂。前丝电流根据壁厚和焊接速度调整，而后丝电流调整范围较小， 一般前丝电流小于1 0 0 0 a 时，后丝电流为3 8 0 a , - - 4 2 0 a 左右：前丝电流大于1 0 0 0 a 时， 后丝电流为4 2 0 a 5 0 0 a 左右。在其他条件相同的情况下，钢管壁厚每增加l m m ，前丝 电流增加3 0 5 0 a ，焊接速度每提高0 1 m m i n ，前丝电流增加5 0 - 6 0 a ，一般情况，薄壁 生产时取其范围内的较小值，厚壁生产时取较大值。 2 4 2 焊接电压的选取 为获得成形良好的焊道，电弧电压与焊接电流应相互匹配，当焊接电流加大时，电 弧电压应相应提高。表2 3 为双丝焊前丝电流与电压的匹配关系。 表2 - 3 双丝焊前丝直流焊接电流与电弧电压匹配关系 焊接电流( a ) 5 2 0 7 0 07 0 0 9 0 09 0 01 2 0 01 2 0 0 1 5 0 0 电弧电压( v ) 2 7 3 l2 9 3 33 1 3 4 53 2 5 3 5 5 在进行有坡口焊接时，适当增加电弧电压，对改善焊缝形状，避免外焊结晶裂纹有 利，同时有利子消除熔合线附近的小气孔、夹渣等缺陷，但电弧电压应与焊接电流相适 应。 2 4 3 焊接速度的选取 焊接速度的快慢是衡量焊接生产率高低的重要指标，从提高生产率的角度考虑，总 是希望焊接速度越快越好，但焊接速度过快，电弧对成型缝加热不足，还会造成咬边、 未焊透及气孔等缺陷。减小焊接速度，使气体从正在凝固的熔化金属中逸出，能降低形 成气孔的可能性，但焊接速度过低，则将导致熔化金属流动不畅，易造成焊缝表面粗糙 和夹渣，甚至烧穿。 1 9 西安石油大学硕士学位论文 综合考虑焊接质量和生产效率一般焊接速度选择在1 2 m m i n - - 2 o m m i n 。 2 4 4 焊丝直径的选取 焊丝直径应与所用的焊接电流大小相适应，如果粗焊丝用小电流焊接，会造成焊接 电弧不稳定，相反，细焊丝用大电流焊接，容易形成“蘑菇形”焊缝，而且熔池不稳定， 焊缝成形差。不同直径的焊丝适用的焊接电流范围参考表2 - 4 。 表2 - 4 不同直径的焊丝适用的焊接电流范围 焊丝直径( 咖) 2 3 24 4 8 焊接电流( a ) 2 0 0 4 0 03 5 0 6 0 05 0 0 1 2 0 01 0 0 0 1 5 0 0 2 4 5 焊丝倾角的选取 螺旋埋弧焊钢管生产时，在螺旋埋弧焊钢管生产中，r 彤, l - 采用单丝焊时，一般都用 焊丝后倾，角度在3 0 - - 8 。之间，使焊缝外形光滑、平整、美观。在内外双丝焊时，前丝 前倾角度为3 0 - - - 8 0 ，后丝倾角为8 。1 5 。之间，前丝均采用前倾，目的是即得到满意的 熔深又能获得良好的焊缝形貌，而后丝采用后倾，利于焊缝表面成形，降低焊缝余高， 边沿整齐。 2 4 6 焊丝间距的选取 双丝焊时，焊丝间距对焊缝的成形也有影响。当前丝电流小于1 0 0 0 a 时，双丝间距 为8 - - 1 5 m m ；当前丝电流大于1 0 0 0 a 时，双丝间距适当增加，在l o - - 1 6 m m 之间。双丝间 距太小，两个电弧相互影响，电弧不稳定，焊缝不规，余高较高，并且焊缝靠近熔合线 附近有气孔、夹渣；双丝间距太大时，焊缝表面有马鞍形，边沿过渡不平缓，脱渣不利。 这些现象在厚壁大焊接电流时，比较明显。 2 4 7 焊剂堆高的选取 焊剂堆散度太薄或太厚都会在焊缝表面引起斑点、凹坑、气孔等缺陷( 缺欠) ，并 改变焊道形状。焊剂堆散度太薄，电弧不能完全埋入焊剂中，电弧燃烧不稳定且出现闪 光。焊剂堆散度太厚，由于电弧受到焊渣壳的物理约束，会形成外形凹凸不平的焊缝。 因此焊剂层的厚度应进行严格控制，其厚度以使电弧不再闪光，同时又能使气体从焊丝 周围均匀逸出为宜。按照焊丝直径和所使用的焊接电流，焊剂层的堆散高度通常在 2 5 - 4 0 m m 范围内选取，焊丝直径愈大，电流愈高，堆散高度应相应加大。 2 0 第二章双丝埋弧焊各参数对焊缝熔深的影响 2 4 8 焊丝偏心距的选取 焊丝偏心距指焊点位置距离钢管表面中心的垂直距离，内焊点距内表面中心距离叫 内偏心距，外焊点距离外表面中心距离叫外偏心距。螺旋埋弧焊钢管生产过程中偏心距 示意图见图2 - 9 。 图2 _ 9 内外双丝螺旋埋弧焊丝偏心距示意图 双丝焊时，内焊偏心距控制在o - - - 2 0 m m 之间，即在成型缝咬合后应力最小，比较稳 定的位置。如果偏心距太小，容易出现内焊缝撕裂，特别在厚壁生产中这种现象较明显； 而偏心距太大，内焊缝偏流严重，同时熔深减小，气孔、夹渣、焊缝偏流等缺陷产生的 机会较多，所以在双丝厚壁钢管生产中，控制内焊偏心距特别重要，必须每个班检查测 量，确保焊接质量。外焊偏心距基本和单丝一样控制在6 8 之间。 2 4 9 坡口形状的选取 焊接接坡口的形状对螺旋埋弧焊钢管的质量有着重要的影响，它不仅能控制焊缝形 状、降低焊缝余高，而且能在小的焊接线能量时保证焊缝熔深、提高焊缝的冲击韧性。 ( 1 ) 坡口形式的选取 螺旋埋弧焊钢管生产时一般对壁厚8 7 r a m 以上的钢带开坡口，以保证在较小的焊接 规范下有足够的熔深，且焊缝形貌良好。一般视壁厚不同开y 形坡口或x 形坡口，对壁 厚在8 。7 m m 1 4 r a m 之间的螺旋埋弧焊钢管，y 形坡口一般均开在钢带下表面，即在外焊 道开坡口。这主要是由于生产时要求外焊熔深要大于内焊熔深，同时外焊开坡口，可以 降低外焊缝高度，改善外焊缝形貌，有利于后期的3 p e 防腐；对壁厚大于1 4 r a m 的钢带一 般开x 形坡口，根据具体焊接工艺要求可以选择开内外焊对称坡口或内外焊不对称坡口。 螺旋埋弧焊钢管不同壁厚时选用的焊接坡口形式见图2 - 1 l 。 两安石油大学硕士学位论文 i ) t - 甘复口一元 t ：母材厚度，h 、h 1 、1 1 2 ：坡e l 深度，c ：钝边，a 、b ：坡口角度，r ：焊缝间隙 图2 - 1 0 双丝埋弧焊不同壁厚时坡口形式示意图 ( 2 ) 坡口尺寸的选取 由于螺旋埋弧焊钢管焊接过程为悬空焊接，为保证内焊焊接时不漏弧、焊接过程不 稳定，焊缝间隙r ( 成型缝间隙) 一般保持在0 - - , 0 3 m m 范围以内；根据壁厚不同，内焊 坡口角度q 一般在5 0 0 - - 8 0 0 之间，外焊坡口角度b 一般在6 0 0 1 0 0 0 之间；外焊坡e l 深 度h ( h 2 ) 根据壁厚不同，一般在3 m m - - 6 m m ，内焊坡口深度h l 一般在4 m m - 5 m m ； 钝边c 一般在5 m m 1 0 m m 。 2 5 本章小结 影响双丝埋弧焊熔深的主要参数有电流极性、焊接电流、电弧电压、焊接速度、焊 丝直径、坡口形状和焊缝间隙、焊丝倾角、双丝间距等，而影响螺旋埋弧焊钢管双丝焊 熔深的关键焊接参数为：焊接电流、焊接速度和坡口形状。 第三章坡口形状与熔深关系的研究 第三章坡口形状与熔深关系的研究 随着管道运输在石油、天然气运输中所占比重的日趋增大，管线钢管的发展趋势是不 断向高钢级、大直径、厚壁方向发展，以期最大限度减少用钢量，降低管道建设成本【2 3 1 。 2 0 0 5 年建成的西气东输管线采用了x 7 0 级o1 0 1 6 1 4 6 m m 焊接钢管，输送压力l o m p a 。而 目前正在建设的西气东输二线则采用了x 8 0 钢级1 2 1 9 1 8 4 m m 焊接钢管，输送压力1 2 m p a ，钢管的管径、壁厚、钢级都比一线时增加了不少。 大壁厚螺旋埋弧焊钢管生产时，为保证内外焊道的熔深和焊缝力学性能满足标准要 求，一般均采取钢板边缘开y 形或x 形坡口后进行埋弧焊接。如何合理选择焊接坡口形式 是螺旋埋弧焊钢管生产时的重要技术难题之一。 本论文对坡口形状与x 8 0 钢级0 1 2 1 9 1 8 4 m m 螺旋埋弧焊钢管焊缝熔深、力学性能及 外观质量的影响进行了研究 3 2 坡口形状与熔深关系研究背景 宝鸡石油钢管有限责任公司在为西气东输二线生产x 8 0 钢级1 2 1 9 1 8 4 m m 螺旋埋弧 焊钢管初期，因钢管未焊透、焊缝和热影响区冲击不合格造成焊