专业课程设计.doc

压力管道焊接工艺设计目录1.设计参数22.任务分析22.1焊接性分析22.2压力管道受力分析22.3施工环境要求33.压力计算壁厚、材料的选择33.1壁厚等级的确定方法33.1.l直管壁厚计算公式33.2材料的选择44.选择焊接方法及工艺分析44.1管线钢焊接方法44.2管线钢焊接工艺分析44.2.1 X70钢压力管道接头的焊前准备44.2.2管道组对54.2.3 X70钢压力管道焊接参数的确定54.2.4 X70钢压力管道焊接65.焊后热处理分析85.1焊后热处理工艺86.体会8参考文献101.设计参数1.工作压力：5Mpa2.工作温度：-10803.外形：圆柱形4.工质：天然气5.材料：X70管线钢2.任务分析2.1焊接性分析X70钢中铁素体一珠光体钢的含碳量是最高的，导致该钢焊接性较差，主要原因是含碳量太高，韧性低，冷裂敏感性高。少珠光体X70管线钢具有较低的含碳量，优良的韧性，同时，其冷裂敏感指数是目前各类X70管线钢中最低的，其平均当量约为0.367，平均冷裂敏感指数为0.177，具有优良的焊接性。针状铁素体组织的X70管线钢由于合金元素含量高，所以具有较高的碳当量，平均约为0.44。但由于其含碳量低，所以韧脆转变温度低，冷裂敏感指数也比较低，平均约为0183，因此仍然具有优良的焊接性。超低碳贝氏体钢碳当量平均为0293，冷裂敏感指数为0.1l2，是目前强韧性和焊接性最为优良的X70级管线钢超低碳贝氏体管线钢可用于对韧性和焊接性要求更严格的场合。不同X70管线钢的热裂纹敏感指数也有所差异，铁素体一珠光体组织的X70钢的UCS最高(UCS=21.1)，抗热裂纹能力最差。超低碳贝氏体X70管线钢的UCS最低(UCS=10.2)，热裂纹倾向不明显。国产X70管线钢的热裂纹敏感指数不高，热裂纹不是国产X70管线钢焊接的主要问题。为改善管线钢的抗结晶裂纹能力，除控制化学成分外还可通过适当增加焊接线能量和预热温度，以减少焊缝金属的应变率。同时，向熔池中加入变质，进一步细化焊缝金属的晶粒，对减少热裂纹的倾向也十分有利。2.2压力管道受力分析 管道的应力一般分为一次应力，二次应力和峰值应力，一次应力又可以分为一次总体薄膜应力，一次弯曲应力，一次局部薄膜应力。按照应力分类，管道承受压力载荷产生的应力，属于一次薄膜应力，该应力超过某一限度，将使管道整体变形直至破坏。承受内压的管子，管壁上任一点的应力状态可以用三个互相垂直的主应力来表示，它们是：沿管壁圆周切线方向的环向应力，平行于管道轴线方向的轴向应力，沿管壁直径方向的径向应力。2.3施工环境要求（1）焊接的环境温度不应超过所选用焊接方法的相应规定值。（2）焊接时的风速不应超过所选用焊接方法的相应规定值，手工电弧焊.埋弧焊.氧乙炔焊8m/s，氩弧焊,二氧化气体保护焊2m/s。（3）焊接电弧一米范围内相对湿度应不大于90%3.压力计算壁厚、材料的选择3.1壁厚等级的确定方法3.1.l直管壁厚计算公式:S= (3.1)式中P设计压力，5MPa；Da管子外径，529 mm；S 管子的理论计算壁厚，7mm；K强度值，666 MPa; S安全系数 1.5V减弱系数 0.85C1壁厚负差补偿，0.8 mm；C2磨损补偿，1.0 mm。S=5.28（mm）3.2材料的选择X70管线钢是低合金高强钢，采用E6010焊条焊接跟焊焊道，E8010焊条焊接热焊焊道，E8018焊条焊接填充、盖面焊道的焊接工艺。采用E6010焊条焊接根焊焊道，是利用E6010焊条工艺性能好，焊接效率高的优点来保证跟焊焊道的内部形成和提高焊接效率。采用E6010焊条焊接X70管道，是利用低匹配原理，虽然E6010焊接的焊缝强度低些，但是塑性和韧性基本能够满足要求。利用8010焊条焊接速度快，工艺性能好的特点快速完成焊接热焊焊道，防止跟焊焊道的开裂。利用E8018焊条强度高、韧性、塑性好的优点来保证焊接接头整体的力学性能。4.选择焊接方法及工艺分析4.1管线钢焊接方法手工焊接方法，封底采用纤维素型下向跟焊，部分连头焊和返修焊的填充和盖面采用了低氢型焊条下向焊，焊条电弧焊具有灵活简便，适应性强等特点，同时由于焊条工艺性能的不断改进，其熔敷效率，力学性能仍能满足当今管道建设要求，焊条电弧焊使用的纤维素型焊条和低氢型焊条，其下向焊和上向焊两种方法的有机结合及纤维素焊条的跟焊适应性在很多场合仍是其它焊接方法不可能替代的。4.2管线钢焊接工艺分析4.2.1 X70钢压力管道接头的焊前准备4.2.1.1坡口的制备 采用V型坡口的张开角，取60左右。接头边缘或坡口可采用火焰切割，等离子弧切割和机械加工等方法制备。4.2.1.2焊接区的清理 建立底氢环境是十分重要的。焊接边缘和坡口表面，应清除干净可能产生各种有害气体的氧化皮，锈斑，油脂及其他污染物。待焊管道表面的吸附水，应用火焰喷嘴加热加以消。直接在切割边缘或切割坡口面上焊接时，焊前必须清理干净切割面的氧化皮和熔化金属飞刺，必要时用砂轮修磨。焊前清理工作是保证街头质量的重要环节，这对于防止焊接接头冷裂纹，4.2.1.3 焊接材料的预处理 在X70钢的焊接中，为防止焊接冷裂纹的形成，并保证街头的力学性能，焊接材料妥善的预处理是一项不可缺少的质量保证.焊接材料的验收 管道工程所用的焊接材料必须有质量证明书，质量证明书的项目应齐全AWS A5.1 AWS A5.5 AWS A5.29焊接材料的烘干 纤维素型焊条（E6010）在包装好无受潮的情况下，不需要烘烤就可以直接用于焊接。E8018焊条是碱性低氢型焊条，使用前应进行烘干，烘干温度为300 350，并在此温度下恒温2h，然后随烘箱自然降温，当烘箱的温度自然降到200以下时，方可将烘箱内的焊条取出放入温度为100150的恒温箱中。4.2.2管道组对 为保证管道对口质量，一般采用内对口器。管道组装时，应避免强力对口，不得损坏钢管的外防腐层。特殊地段的管道组装：钢管应采取锚固和牵引等措施，必要时采取沟下组装的方法。一般管线的对接采用内对口器，在根焊道焊接完成后，才能撤出内对口器；碰死口，采用外对口器组装，根焊道必须焊接完50%以上且分布均匀，才能撤出外对口器。4.2.3 X70钢压力管道焊接参数的确定4.2.3.1焊接参数的确定 （1）跟焊焊条E6010,直径选在4mm，直流正接，焊接电流70A120A,焊接电压24V35V。（2）热焊焊条E8010,直径选在4mm，直流正接，焊接电流100A150A,焊接电压22V35V。(3)填充焊焊条E8010,直径选在4mm，直流正接，焊接电流180A240A,焊接电压18V30V。4.2.3.2焊接温度参数的确定 温度参数包括预热温度，层间温度，后热温度，和消氢处理温度。这些温度参数对焊接接头的力学性能和抗裂性产生重要的影响。（1）焊前预热 采用环形预热器，对管口进行预热，预热温度为100150，预热宽度为焊缝两侧各100mm。(2) 层间温度 不能低于预热温度，最好高出50，所以层间温度在150200（3）后热温度 在300500保温一个小时就可以使氢充分逸出，可防止延迟裂纹的产生，所有在一定温度的后热又称为消氢处理。4.2.4 X70钢压力管道焊接4.2.4.1根道焊焊接 采用E6010纤维素型焊条焊接，主线路工艺焊接方向为下向；连头返修工艺焊接方向为上向。4.2.4.2根焊焊道的清理 根焊焊道焊接完成后，要迅速采用砂轮机对跟焊焊道进行清理。既要将熔渣清理干净又要避免伤及坡口。4.2.4.3层间温度的控制 应尽量减少层间的清理时间，这可以减少层间加热。下一层焊道焊接前必须用测温仪测量焊道温度，当焊道温度低于规定的的最低预热温度时，应对焊口进行加热，加热到最低预热温度后方可焊接后续焊道。4.2.4.4热焊焊道的焊接 根焊焊道清理完成后，经检查合格，应尽快焊接热焊焊道。热焊焊道是跟焊焊道后的第一层焊道，由于下向焊跟焊道的厚度较小，焊接热焊焊道时易烧穿。另外，热焊处的坡口较窄，易造成坡口两侧熔合不良。焊接时应防止烧穿和熔合不良。4.2.4.5热焊填充和盖面焊道的层间清理 热焊填充和盖面焊道的层间通常情况下采用电动钢丝刷清理即可，焊道接头较高和焊道成形不良处，应采用砂轮机修磨。4.2.4.6填充焊道的焊接填充焊道应保证熔合良好，焊层厚度控制在34mm之间。立焊段的填充焊可以多焊一层，最后一层填充焊道应填至距管表面1mm左右。4.2.4.7盖面焊道的焊接盖面焊道的宽度应比坡口每侧增宽12mm为宜，焊缝余高应为02mm。焊接盖面焊道时，应防止产生咬边，焊缝应与母材圆滑过渡.焊缝的宽度和余高应力求均匀一致。4.2.4.8表面清理 焊接完成后，应对焊缝及焊缝两侧的表面进行清理，应将表面的熔渣飞溅烟尘等清理干净，焊道街头的较高处应用砂轮机修磨，但应免伤母材。5.焊后热处理分析 5.1焊后热处理工艺去应力退火：焊件加热至500650,保温时间1mm/min,在空气中缓慢冷却。脱氢处理：加热至200以上，保温两个小时。使工件内的氢扩散出来，防止产生延迟裂纹。6.体会 X70管线钢是一种低碳微合金化控轧管线钢，主要用于石油、天然气的长距离输送。如国家的西气东输项目，70代表的每平方英寸承受的力。在西气东输工程中干线就使用的是X70钢，其中以涩宁兰段作为施工的试验段。结合西气东输管道工程的特点，西气东输管道公司决定在干线上主要采用自动焊和药芯焊丝半自动焊工艺，并结合手工返修工艺进行焊接施工. 西气东输干线的焊接分别在自动焊、半自动焊、焊条电弧焊、领域针对不同的焊接材料、不同的焊接工艺组合做了大量的试验，并在此基础之上，制订了可行的最佳工艺组合，为了该工程的安全、顺利施工提供可靠的保障。西气东输工程，主干线采用半自动焊和自动焊。 自动焊是一种借助与机械和电气等方法使焊接过程实现自动化、程序化的焊接施工方法。这种自动化焊接技术对于操作人员的焊接技术要求较低，焊接过程中受人为因素影响小，并具有焊缝成型美观，焊接过程稳定，焊接效率高等优势。因此在大口径、厚壁管的西气东输工程建设中具有很大的优势。 药芯焊丝半自动焊工艺操作简单，效率较高，在我国20世纪90年代的工程施工中得到了很大规模的采用，是一道很熟的工艺。与自动焊相比，具有成本低、受影响因数少，机动灵活的特点，在西气东输中，70%的焊口由药芯焊丝半自动焊工艺来完成。焊接工艺形式为：纤维素焊条手工电弧焊+自保护药芯焊丝半自动填充、盖面。跟焊采用陡降外特性直流电源，填充、盖面焊采用平外特性直流电源。纤维素焊条手工焊根焊+自保护药芯焊丝半自动填充、盖面焊工艺的焊接接头采用V 形坡口，一般为管厂坡口，无需现场进行破口加工。采用管道对口器可有效地解决管道组对问题，从而有效的解决了管道焊接变形问题。但使用对口器过程中应选用耐高温的衬垫来保护对口器。 管道建设过程中通过采用合理的防护措施比如采用防风棚、禁止在雨天施工，严格执行焊前预热，焊后保温的措施。从而大大的降低了缺陷产生的可能。 随着我国管道建设高峰期的到来，在未来的管道建设，为获得施工的高效率和高质量，将优先考虑熔化极气体保护自动焊工艺，其中研制管道焊接的新一代自动焊装备，特别是解决管道根部焊接问题，是当前管道焊接装备发展的趋势。如研制开发技术性能好、生产效率高、性能价格比高的管道自动焊机，从单焊头、单丝焊向双焊头、双丝焊甚至多焊头、多丝焊发展，以增强单台焊机的能力。而单面焊双面成形自动根焊工艺将以其高度智能化控制的特点和有效解决根焊的能力，展现自动焊的优势。为了保证焊接接头的强韧性，需要研制开发高质量的焊接材料。如研制开发管道焊接用高韧性、高纯净度的纤维素型焊条、低氢型焊条、自保护药芯焊丝和实心焊丝，在保证其焊接工艺性能的前提下提高其熔敷效率和力学性能，以适应长输管道建设的发展速度。 参考文献1李颂宏.长输管道焊