美国第一条X80管线焊接工艺设计(英文).doc

重庆科技学院学生毕业设计（论文）外 文 译 文学 院 冶金与材料工程学院 专业班级 材控普07 学生姓名 学 号 译 文 要 求1. 外文翻译必须使用签字笔，手工工整书写，或用A4纸打印。2. 所选的原文不少于10000印刷字符，其内容必须与课题或专业方向紧密相关，由指导教师提供，并注明详细出处。3. 外文翻译书文本后附原文（或复印件）。美国的第一条X80高强度低合金管线FAZACKERLEY, W.J.1, MANUEL, P. A.2, CHRISTENSEN, L.31. 冶金学家和合伙人，微合金化东西方国际研究所，休斯顿，美国；2. 执行经理，Crantek优质的服务公司，卡尔加里，加拿大； 3. 施工经理，科罗拉多州际天然气（埃尔帕索），科罗拉多州的斯普林斯（美国）；摘要E1 Paso科罗拉多洲际天然气公司的负责人和执行经理决定使用X80高强度低合金管材铺设一条长380英里、直径36英寸的高强度和高压天然气输送管线，其建设费用计划为425亿美元，从设计到完工耗时6年。该管线的建设任务由两家承包商负责，投入三套施工设备，建设启动期为4个月。为了成功铺设这条管线，考虑到许多关键因素，包括X80管材的冶金设计、弯制偏差、可焊性问题、焊接工艺评定、韧性试验、非破坏性测试技术、焊工和焊接检验员培训计划以及水压试验。为该项目生产和交付了181000吨以上的管材。它们由两家钢管生产厂制造一家在加拿大(伊普斯科)完成全部订单的80，另一家在美国(Napa)。完成订单的20%，除了长380英里、口径36英寸的干线钢管外，还制造了长4英里、直径30英寸的X80钢管，安装在堪萨斯的葛林斯堡加压站附近的支线。该项目起点为怀俄明的夏延加压站沿着东南方向穿过科罗拉多和堪萨斯西部，终点站在堪萨斯的格林伯格加压站。该管线有32000个压缩的高聚物，每日可向市场输送天然气达17108ft3。文中解释了使该管线能够成功地在预算范围内提前建成的关键材料、焊接、非破坏性测试和与X80高强度低合金管线管相关的敷设等若干问题。关键词：X80 高强度低合金材料 硬和韧性性能 缺陷标准 可焊性 机械焊管线焊接 自动超声波检测一、前言在2004年夏秋季节，夏延平原天然气管线公司(简称CIG，E1 Paso的分支机构)铺设了一条长380英里的、穿越科罗拉多州和堪萨斯州的高压天然气输送管线。该管线在最初的预算费用范畴内交付，于2004年提前投入运行。两家美国承包商负责该项目的建设。管线建设公司投入一套设备，在科罗拉多州完成了大约125英里 X80、36英寸直径的管线；美国管线公司投入两套设备，在科罗拉多和堪萨斯完成了其余的36英寸直径管线的建设，并在堪萨斯完成了4根 X80、30英寸直径管线的铺设任务。该项目需要用超过18104t的管材。纳帕管厂生产了大约80英里 X80、36英寸30英寸直径的双面埋弧焊直缝管。伊普斯科管厂生产了剩余的(约303英里)X80、36英寸直径的螺旋缝焊管。X80管材的壁厚从0464英寸 0667英寸所有的管子都以80ft的接长管运输，以期将搬运量和现场焊接的工作量降到最小。夏延平原管线项目代表了E1 Paso公司的工程师们和高级管理层的远见和智慧，采用新的冶炼、焊接和无损检测技术在美国建设了第一条X80管线项目。由于该项目的成功铺设和顺利运行，E1 Paso公司于2005年6月获得了由休斯顿管线经营商协会颁发的“年度管线奖”。该项目的启动代表了在确保合理的建设成本的条件下，通过提高压力和流量而获得更大的经济产出的趋势。为了完成这一目标，人们将运输部和管线安全办公室(管道安全处)来自中部和西部地区的代表的监督下注意力投向确保管线长期可靠运行的环境、建设能力和安全问题上。该项目成功的基础是管材的冶金设计和制造工艺，包括强度、韧性、可焊性和裂纹止裂等性能。这些性能的优化是通过添加微合金元素和在制造过程中对钢板进行热机械处理实现的。这些性能的组合是为满足可焊性和建设能力而考虑的，如管子的搬运(DT比)和现场弯管的要求。该项目的建设阶段是在进行的。代表们评价所有的建设元素以保证符合祛律法规的要求，CIG负责对所有要求的建设纪律进行监督。分包商艾略特波浪国际公司微合金国际公司和Crantek质量服务公司由化学离子发生器选择，并负责提供其它的质量保证。并且负责审查射线胶片和自动超声波检测的结果。美国第一条高压X80输气管线项目的成功是对CIG厄尔巴索公司组织能力的明，同时归功于该项目所有相关方的协同工作。二、冶金设计早在19711972年建设北极天然气管网时就试图采用X80钢管铺设长距离管线，但是该项目后来并未实施。然而，使用更高压力和更高强度的设计带来的预期利益引导钢铁工业进人了蓬勃发展期。可能的合金化和微合金化复合范围很广，但应根据主导的合金化成本和可利用的生产设备进行正确的选择。在所有情况下，钢的设计应对铌的强化和韧化进行优化，并对当碳的含量降到006和006以下时良好的现场可焊性进行投资研发。三、管子制造1、管子规范夏延平原管线项目两家制造商选择所使用钢的成分与斯特伊克工厂工艺要求相统一。IPSCO公司传统的NbMo钢用作螺旋缝的填料，而俄勒冈州钢厂(OSM)纳帕管厂则采用相对较新的Nb-Cr钢生产直缝焊接管材。两种钢的典型化学成分和CIG规范中有关化学成分限制的详细规定相一致。2、炼钢、轧制和制管尽管使用的轧制和制管方法不同，但是两家制造商得到了外在上相同的强度和韧性结果。斯特伊克工厂在OSM轧钢厂通过显著降低IMEXSA板材中的氮含量使铌溶解度最大化，轧制易于实施。除了要求伊普斯科工厂做出一些工程调整以适应已经接近该工厂设计极限的0667英寸壁厚、X80钢级的钢板外，两家工厂的制管都进行得很顺利。伊普斯科工厂在线焊接过程中采用了“单步”法(这种方法不同于其它地方使用的离线两步法)。两家工厂使用的双面埋弧焊焊材如表1所示。当用作制造热弯管时，为了改善感应弯曲和回火后直管段焊接金属的韧性，增加了焊接金属中的镍含量。螺旋缝管材的机械性能总结见表2。图1四、可焊性试验在批准制造工艺规范之前，休斯顿的埃文斯工厂利用典型的机械焊接工艺进行了环焊缝预焊试验，根据预期的热影响区(HAZ)硬度和韧性性能(裂纹尖端张开位移)来评估现场可焊性。根据试验结果，对钢的冶炼实际流程进行了细微的改变，并调整降低了氮和钛的目标水平。表l 双面埋弧焊材焊料焊丝焊剂NAPA主管线用管内径Lincoln-L70Lincoln-NP223外径Lincoln-LA90Lincoln-NP223内径Lincoln- LA90Lincoln- NP223外径Lincoln- LA90Lincoln- NP223IPSCO管线内径Bavarin-S2MoBavarin BF6.5外径Bavarin- S2MoBavarin BF6.5表2螺旋缝X80的机械性能类型屈服强度（ksi）最大抗拉度（ksi）屈强比伸长率(%)最小80960.7722最大93.8109.40.938标准偏差2.292.390.021.5平均84.8102.50.8333.6图2五.缺陷接受标准的确定在北美，对采用机械焊接敷设和自动超声波检测的管线进行工程临界成功建立了3种标准，分别是一般用途法规BS 7910、API 1104附录A和CSA Z662管线规范。对于该项目来讲，BS7910比较合适并用于ECA。对工艺焊接进行了裂纹尖端张开位移试验。由于API1104附录A对长缺陷的非保守的本质，接受标准依据不同的方法进行选择，并将其用来制做安装用混合缺陷偏差图。六、弯制 l、热弯明尼苏达州德卢斯市BendTec公司采用指直缝焊管焊接管材，制造热感应弯管。表3和表4示出0667英寸重量级试验弯管的机械性能。根据最终的壁厚和项目要求，保证弯管的屈服强度为70兆帕/英寸2、冷弯安装承包商在现场冷弯采用的最大弯曲半径规定为单位管子直径偏转05度由于业界对螺旋缝管材冷弯性能的忧虑，所以认为在俄克拉荷马州塔尔萨的CRCEvans进行广泛的全尺寸弯曲试验一定要谨慎。安装承包商的工程师加工了几根试验弯管来评估回弹、抗屈曲、螺旋缝的行为和屈曲时冷变形及应变时效引起的机械性能的潜在变化。表格4 0 .667重量级感应弯管韧性的合格评取样位置吸收能剪切面积直管段107（145）108（146）120（163）100100100直管段焊缝58（79）56（76）68（92）909090内弧侧213（289）19（267）193（262）100100100外弧侧188（255）187（254）150（203）100100100底部152（206）183（247）133（180）100100100弯管焊缝78（106）70（95）121（164）7070表5 .667重量级感应弯管强度和硬度的合格评定取样位置屈服强度（ksi）极限强度（ksi）屈强比硬度（BHN）直管段8401100.20.84217直管段焊缝108.1217内弧侧78.795.80.822217外弧侧73.292.60.79228底部78.695.80.821228弯管焊缝95.40228管子测被成功弯曲至080管子直径，而夏比V型缺El韧性未发生任何可观的变化。然而，当弯曲半径使管子直径偏转超过1。时，一根试验弯管发生了屈曲。对被弯曲管子上象限屈曲部位进行的夏比试验表明，从吸收能和剪切面积证明韧性受到了一些损伤。虽然夏比V型转换温度向上漂移大约+25 ，但50脆性转变温度结果仍然为40下，完全低于该项目最低预期服役温度(LAST)20下。图3 30英寸直径0.421厚度壁厚温度位移图4 资格感应弯曲0.667硅油强度和硬度七、焊接工艺评定两个承包商和所有管道机械化作业队从开始时就确定主干线敷设要采用控制与报告机械焊接系统。该决定给项目带来了许多好处，包括焊接工艺评定符合性试验、焊材规范、降低预加工成本以及符合检验要求等方面。由于该焊接系统曾用于其它国家X80管线钢的焊接，此次的焦点集中在确定公路和河流穿越段的焊接和接口焊缝的要求上。Union管线798区段承包商于2004年2月在休斯顿的控制与报告中心 埃文斯工厂顺利地进行了前期焊接管线798区段承包商于2004年2月在休斯顿的控制与报告中心 艾文斯工厂顺利地进行了前期焊接工艺评定，评估了电弧焊和药芯焊丝电弧焊焊接工艺对X80管线钢现场焊接的性能和可焊性。北美的管线焊工非常熟悉平焊纤维焊接工艺。采用低氢焊材向上立焊这一改变要求承包商郑重承诺，为了顺利完成该项目应提供设备和焊工培训。为确保手工焊接过程能得到高质量的焊根，关键要求是纤维焊接材料只用于根焊道和热焊道焊缝，并采用高于通常的预热要求来降低氢致冷开裂(HACC)的几率。低氢焊接过程、焊材和焊接工艺都对焊缝余高有要求，这些要求是为了在生产和接口焊接过程中，在保持焊接区强度和韧性性能的同时减少发生氢致冷开裂的机会。由于X80钢管的壁厚对于主干线是0464in、穿跨越段为0667in，所以低氢焊接的数量应是很大的。评估了多种电弧焊和药芯焊丝电弧焊焊接工艺变化的焊接金属和热影响区韧性性能。另外，承包商特别感兴趣的还有焊接速度、熔敷率和其它工艺要求，如风的容许限度、焊接技术等。方法包括低氢电弧焊和药芯焊丝电弧焊焊材的组合(焊材类型和多家制造商)、根部焊道和热焊道延迟施焊时间的考虑、背焊以及局部、通壁厚多次补焊。焊接工艺根据PI 1104和附加的项目要求编制。典型的SMAWFCAW焊接工艺：根部焊道E60101/8 5/32）；热焊道E90l0Pl(5/32 3/16）；填充焊道和盖面焊道E9018M和或01TlGM预热150，补焊预热为250道次间温度450，(最大)0464英寸主干线管施焊要求2道次低氢充填加l道次盖面焊。公路和河流穿跨越段0667英寸壁厚管子焊接要求3道次或4道次低氢充填加2道次盖面焊。低氢焊接过程的运行速度一般为26英寸min提供了高的焊接速度且带来附加的好处，作业率是电弧焊的34倍，结果是生产速度大提高。充填速率、充填效率和作业率远高于纤维素焊焊接技术。对于使用低氢焊接过程最主要的问题是风及对挡风效率的影响。由于该项目全过程有相当大的风和持续风，最重要的是要防止发生气孔缺陷。一旦承包商意识到有必要采用挡风保护，这些过程的维修率将会极大地降低。由于根焊道和热焊道采用的是纤维素电极，所以挡风保护不是主要的要求。承包商采用多种不同的挡风遮蔽物的方法。商用挡风保护遮蔽物的质量是很差的。八、焊工培训与资格评定图尔萨当地的798焊工联合会为焊工提供场地和全套设备，以便在他们到达工作现场之前能够接受低氢焊接过程的预培训。然而，大多数焊工还是在到达施工现场后接受由承包商提供的培训计划。埃文斯焊接技师、当地798的培训人员和药芯焊丝电弧焊设备供应商为承包商方面提供培训。为满足项目最低的要求，所有焊工被要求按照API1104的要求，在工作现场完成12英寸、5G手工对接焊。许多焊工是带着以前用控制与报告中心自动焊接设备的焊接经验来到施工现场的，这些设备包括内对口器和内根焊机、P200热焊道焊机、脉冲气体保护焊P600双炬填充和盖面焊系统。有一点至关重要，即无论他们以前有什么经验，每一名焊工都要接受各种焊接系统的培训课程。无论是使用内部焊接系统或是外部焊接系统，焊工们都要完成一条完整的焊缝，然后根据API 1104的缺陷接受准则，进行自动超声波检测和力学试验的评估。操作者以该项目用的X80、直径36英寸、壁厚0464英寸管材进行资格评定。由于用于河流、公路和铁路穿跨越的0667英寸壁厚管材上的焊缝很重要，但是却很零星，所以它们被留给接口焊(电弧焊药芯焊丝电弧焊)焊工，他们有更好的设备来完成少量的焊缝。接口焊焊工的培训和资格评定在该项目用的X80、直径36英寸、壁厚0464英寸管材材料上进行。培训由承包商的工头和设备制造商代表来提供。完整的焊缝根据API1104接受准则相应力学方法来评估。另外，焊工们被要求接受补焊、背焊等附加培训和资格评定。为了这个项目，总共有142名焊工接受了培训并通过了资格鉴定。共进行了235个焊接评定。九、无损检测评估制定了项目特殊规范以确保所有的焊缝都根据API 1104和项目附加要求进行了评估。对于自动超声波检测制定出无损检测规范并单独执行。1. NDT方法选择和资格评定试验选择自动超声波检测方法以评估除了过渡焊缝以外的所有干线生产焊缝，过渡焊缝是用传统的射线照相检测技术(RT)进行评估的。在对非破还行测试承包商们的投标进行了技术和商业方面的评估后，选择焊点作为该项目所有非破坏性测试的承包商。所有的熔化极集体保护焊干线生产焊缝选择了自动超声波检测方法。数量有限的设备可以为电弧焊二氧化碳气体保护焊方法焊缝提供自动超声波检测。对带有不同类型萌生缺陷的生产试验焊缝的自动超声波检测程序进行评估，这些缺陷包括咬边、未熔合、未焊透等。干线自动超声波检测系统必须具有每天、每套设备高可靠性地检测150条焊缝的能力。自动超声波检测最主要的优点是它能够安全地用于正在进行焊接的同一管段i同时能够为焊接检验员或其他任何要求采取纠正措施的质量问题提供真正的反应时间。另外，制定了手动超声波检测程序用以评估焊缝修补。为满足该项目的严格要求，相关人员必须证明补充的自动超声波程序对管子温度、符合性试验(向前和向后)、焊缝几何尺寸、追踪带错边和标记时间(衍射时差)是合适的。对于每一制造商、特定工厂以及不同壁厚，一个单独的校验块被制备、评估蓝提供给该项目的每一台自动超声波装置。当采用工程临界评估技术(ECA)评估焊缝缺陷时，也很有必要采用物理测量法来对预现的缺陷进行横截面检验、金相检验并描述特性，以确定自动超声检测系统的精度并按照API 1104附录A的要求确定“检测误差允许量”。在允许自动超声检测承包商进行生产评估之前，审核员对方法、程序和系统可靠性进行了评估。每一名操作人员必须取得满足该项目自动超声波检测、手动超声波检测和射线检测程序生产检验要求的资格。十、焊接检验员培训在焊接施工工作开始之前，项目组为各干线焊接承包商的焊接检验人员提供培训。培训的主要目标是确保检验员熟悉项目焊接方法要求、焊接规范、焊缝缺陷评估准则、NDE技术和法律法规要求，同时也为了确保对诸如咬边、焊缝形状、未对准以及其它任何相关的焊缝表面缺陷的外观检测的一致性。十一、质量控制与质量保证不能够认为所有与该项目相关的人员，包括建设监理、焊工、检测员、无损检测和建设承包商人员以及法律官员都是为该项目的成功做出贡献的作业团队中的一份子。这是由艾略特国际公司微合金人员组成的质量管理小组得出的结论。只有积极的态度、受关注的目标和在焊接与NDE问题上帮助所有建设人员的自觉性对取得成功的结果具有促进作用。这个相当完整的、合格的并具有经验的质量检验现场小组由以下人员构成：1名质量检验领导焊接工程师、2名焊接技术人员、1名射线检测员和1名自动超声波检测员，他们为380管线建设负责，而这给该项目带来了直接的成本利益。每名焊接技术人员沿着190英里的管线进行现场巡查，包括干线建设、公路钻孔、河流交叉口、装配地点和阀门所在地。十二、生产焊接在焊接施工工作的开始阶段，这类项目上曾频繁出现修补率问题和其它困难，这取决于多种因素，包括天气、地形、焊接系统的准备、焊工和焊接技术人员的准备和品质、焊工工头的态度以及无损检测承包商和焊接检验员的准备。在焊接施工中通常需要10天时间来准备好焊接计划。然而在这段时间内，生产率和修补率都很差。尽管最初的结果通常并不能代表整个项目的结果，但它们却影响了整个项目的统计量。在第一周内，通常生产率只有每天1060条焊缝，而修补率却高达25。这些修补的长度可能是3英寸或30i英寸，或者是完全切除。然而随着管道机械化施工队生产作业图的延伸发展，一个完好的管道机械化施工队每天可完成150条焊缝或更多，一个经过改进的小型化管道机械化施工队的配置总共可完成180200条或更多的焊缝。达到这样的生产率有许多影响因素，如地形、天气和焊工技能。另外，机械焊接技术人员及时评估和解决设备问题也在很大程度上影响生产和修补率。通常，建设承包商在承受“合理的”修补率风险基础上关注的是生产效率。这种情形可能会成为项目管理、焊接检验员以及对承包商监理及管理小组工作持续恶化的根源。对相对偏僻地区的长距离项目，从承包商所在地到施工现场的交通时间也极大地影响了生产率。十三、接口、穿跨越和补焊接口、穿跨越焊缝的生产率取决于焊缝的自然位置和所要求的安装时间量等。36英寸管子进行根部焊道和热焊道焊接安装时，2名焊工采用二氧化碳气体保护焊半自动焊接过程需要用1h或更多时间来完成焊缝。如果可能而且邻接管子的壁厚相同时，电弧焊二氧化碳气体保护焊焊缝可采用自动超声波检测。这允许接口焊工作人员在原地花费最少的时间等待修补可接受的无损检测结果。由于焊接技术和挡风措施不适当产生的主要焊缝缺陷包括夹渣和气孔。注意细节是采用低氢手工和半自动焊方法成功进行X8焊接的一个非常重要的特点。设备选择、维护程序和焊工培训对于在X80钢管上成功使用低氢焊接方法是非常关键的。项目最开始时25修补率是很常见的。在夏延平原项目结束前，低氢焊缝的修补率低于10。考虑到这是承包商和业主公司的第一个X80项目，而且采用二氧化碳气体保护焊焊接方法，所以这样的结果是可接受的。但是，如果更注意细节，结果可能会更好。十四、结论由于选择更高钢级(X80或以上)的高强度低合金管材，为了提供具有一定断裂韧性和可焊性性能的管材，非常有必要为管材提供冶金学设计，这将使项目在技术上和商业上均获得成功。另外，关注必要的细节也至关重要，如早期培训、焊接程序、焊接操作员和焊工的资格评定。适当的自动超声波检测程序的编制和人员的资格评定非常重要，这可确保所有的焊缝都根据所要求的标准和规范进行评估，以保持管线初始完整性。建设项目各个方面的技术支持和协同工作是确保一个项目能够在预算范围内提前交付的必要条件。References: 1 J. Malcolm Gray and Mauro Pontremoli, “Metallurgical Options for API Grade X-70 and X-80 Linepipe”, Paper presented at the International Conference “Pipe Technology”, Rome, Italy 17-19 November, 1987. 2J. M. Gray and W. G. Wilson, “Effect of Processing Variables on the Properties oLow-Carbon Columbium S