[优秀毕业设计精品] 西气东输主输管道焊接工艺设计

1、本科生毕业设计 中文摘要 摘要 铁路、公路、航空、水运与管道运输统称为五大运输业。管道运输是最为经 济、简单的一种运输方式，特别是对于石油、成品油、天然气、矿浆和水等流体 来说更为有效，其特点是经济、安全和不间断输送。由于管线运输具有运量大、 距离长、成本低和安全性高等优点，因而在国际上得到迅速的发展。 x80 管线钢管道是目前世界管道中真正进入工程建设用的最高钢级管道，本 文首先全面分析了国内外油气管道及 x80 管线钢管道的发展、应用和焊接技术状 况。然后对 x80 级管线钢进行了焊接性分析，研究了 x80 管线钢管道现场焊接 的工艺方案。针对 x80 管线钢管道环焊缝焊接，吸收和借鉴国内

2、外先进的工艺设 计理念，提出了一套自己的 x80 管线钢管道环焊缝焊接工艺设计思路，包括焊接 设备选取、焊材选择、坡口加工、工装应用和焊接工艺参数的确定等一系列工作。 这一系列工作是在已有生产实际的基础之上，加以改进的。 关键词：油气管道x80 管线钢焊接性焊接方法 环焊缝焊接工艺 本科生毕业设计 英文摘要 abstractabstract railway, highway, aviation, water and pipeline transport referred to as five transportation.the most economical, pipeline transp

3、ort is a simple mode of transportation, especially for the oil, gas, oil, water and pulp is more effective, and its features are economic, security and continuous conveying.due to the large volume has pipelines, long distance, low cost and high security, resulting in the development of international

4、 rapidly. x80 pipe steel pipe in the world is now truly into construction with the highest level of steel pipe, this paper comprehensively analyzed the gas pipeline and the development of pipeline steel x80 and welding technology and application situation. then to x80 pipe steel grade weldability an

5、alysis, research the steel welding x80 pipe road scene of technological scheme. according to x80 pipe welding welding steel ring and assimilate and advanced process design concept, puts forward a set of their x80 pipe welds welded steel ring process design, including welding equipment selection, wel

6、ding material selection, processing, tooling application and welding parameters, etc. this series of works in the production practice is based on improved. key words: oil and gas pipeline；welding x80 pipe；welding method of steel welded；welding process. 本科生毕业设计 目录 目录 中文摘要 .i 英文摘要 .ii 1 绪 论 .1 1.1 油气管

7、道概论 .1 1.2 油气管道焊接发展与现状.3 1.3 x80 管线钢的发展与现状 .4 2 x80 管线钢组织性能与焊接性分析.7 2.1 x80 管线钢组织性能 .7 2.2 x80 管线钢焊接性分析 .11 3 x80 管线钢焊接方法研究.14 3.1 手工电弧焊工艺.14 3.2 半自动焊工艺.16 3.3 自动焊工艺.17 3.4 x80 级管道制管工艺 .19 4 x80 管线钢环焊缝工艺研究.22 4.1 焊接工艺流程.22 4.2 焊接方法及设备.23 4.3 坡口形式及工装应用.26 4.3 焊材选择.28 4.4 焊接工艺参数.29 4.5 焊后产品质量检验.31 5 结

8、论 .33 参考文献 .34 致谢 .36 附件 x80 级管道外对口器装配图 本科生毕业设计 1 绪论 0 1 绪 论 1.1 油气管道概论 能源是人类社会存在与发展的重要物质基础。而石油、天然气是当今最为主 要的能源品种。但由于石油、天然气等资源分布不均衡，且多分布于偏远的荒漠 戈壁地带或海洋中。而经济发达的沿海城市是石油天然气的主要消费群，所以长 距离输送石油、天然气是经济可持续发展的必然选择，也是最安全、经济、有效 的油气运输方式。随着冶金与焊接技术的发展，长输送管道发展迅猛。 在全球已建成的230多万公里管道中，输气管道占60%，原油管道和成品油管 道各占15%多，化工和其他管道不足

9、10%。目前，世界管道总长度已超过了世界铁 路总里程，成为能源运输的主要方式。世界上100%的天然气、80%以上的原油运 输是通过管道输送实现的1。在管线项目投资中，钢管的投资约占40%左右，采 用高钢级管线钢管可以减小壁厚，而高压输送可以在不改变输送量的情况下减小 管径。壁厚和管径的减小，可使钢管自重减小，制造、安装更加容易。经统计， 对于长距离管线，采用高压、高钢级、应变设计原则，可以节省12-15%的管道建 设成本。以上是导致管线钢强度级别越来越高、输送压力越来越大的主要原因。 1.1.1 国外油气管道发展与现状 输送油气的大口径钢管是20世纪初首先在美国发展起来。1926年美国石油学

10、会（american petrolium institute）发布的api spec 5l焊管标准只包括3个碳 素钢级，以后每年api spec 5l标准经过一次修订。1947年发布的api 5lx增加了 x42、x46、x52三个钢级。1964年的api 5ls将螺旋焊管标准化。19671970年期 间api 5lx和 5ls 增加了x56、x60、x65三个钢级,1973年增加了x70钢级。1987 年6月,api 5lx和5ls合并于第36版spec5l中。第36版到现在的第43版包括 a25、a、b、x42、x46、x52、x56、x60、x65、x70、x80共11个钢级。x100已

11、开 发成功,但尚未列入api标准。目前,全世界油气输送管的用量中,x65和x70钢之和 占85%以上。 油气输送管的几个里程碑:1806年英国伦敦安装了第一条铅制管道；1843年铸 铁管开始用于天然气管道；1925年美国建成第一条焊接钢管天然气管道；1967年 第一条高压、高钢级(x65)跨国天然气管道(伊朗至阿塞拜疆)建成；1970年在北 美开始将x70管线钢用于天然气管道；1994年德国开始在天然气管道上使用x80钢 级;1995年加拿大开始使用x80钢级；2000年开始开发玻璃纤维-钢复合管用于高 压天然气管道；2002年9月，transcanada公司成功地将nkk提供的14.3mm厚

12、的 x100钢管用于westpath项目saratoga中，建成1km试验段，并取得一系列的实验 本科生毕业设计 1 绪论 1 成果，同年,新版的csz24512002中首次将grade690 (x100)列入加拿大国家 标准；2004年2月,exxon mobil石油公司采用与日本新月铁合作研制的x120钢级 焊管在加拿大建成一条管径914mm、壁厚16mm、1.6km长的试验段，该试验段的建 成是世界上x120管线钢在工程中的首次应用。 油气输送管道输送压力和钢级随年代的发展变化如图1.1和图1.2所示23。 图1.1 油气输送管道输送压力随年代的发展变化 图1.2 管线钢钢级随年代的发展

13、变化 目前，国际上的油气管道网主要集中在北美、欧洲、俄罗斯及中东。但随着 中国、巴西、南非等国家经济的崛起，亚洲、南美洲和非洲的油气管道网正在不 本科生毕业设计 1 绪论 2 断增加。 1.1.2 国内油气管道发展与现状 我国油气管道的应用晚于欧洲及北美国家，但在进入改革开放后发展迅猛。 截止2008年底，我国已建油气管道的总长度约为6.4万千米，其中天然气管道3.2 万千米，原油管道1.9万千米，成品油管道1.3万千米4。 我国管道工业的发展经历了三个高潮期。1958年开始建设长距离原油输送管 道，1965年开始建设长距离天然气输送管道，在20世纪60年代中期至70年代初形 成了第一个发展高

14、潮，在此期间建成的主要管道有四川天然气管网和东北输油管 道等。20世纪90年代逐渐形成第二个发展高潮，在此期间建成的主要有都乌输气 管道、库都输油管道和陕京输气管道。随着我国对石油、天然气能源需求的急剧 增加，又迎来了一个前所未有的管线建设高潮。近期竣工的主要有涩宁兰输气管 道、兰成渝成品油管道和西气东输管道；正在建设的有忠武输气管道、陕京二线 输气管道、沿江原油管道(南京至荆门、岳阳)及环珠江三角洲输气管道等；正在 规划的有中哈管道以及中俄管道等。管道工业在我国是一个蓬勃发展的朝阳工业， 预计今后20年，这一快速发展的势头将持续下去。截至目前，我国已初步形成了 “北油南运” 、 “西油东进”

15、 、 “西气东输” 、 “海气登陆”的油气输送格局5。 1.2 油气管道焊接发展与现状 1.2.1 国外发展与现状 国外管道焊接施工经历了手工焊和自动焊的发展历程。手工焊主要为纤维素 焊条下向焊和低氢焊条下向焊。在管道自动焊方面，有前苏联研制的管道闪光对 焊机，其在前苏联时期累计焊接大口径管道数万公里。它的显著特点就是效率高， 对环境的适应能力很强。美国crc公司研制的crc多头气体保护管道自动焊接系统， 由管端坡口机、内对口器与内焊机组合系统、外焊机三大部分组成。到目前为止， 已在世界范围内累计焊接管道长度超过34000km。法国、前苏联等其他国家也都 研究应用了类似的管道内外自动焊技术，此

16、种技术方向已成为当今世界大口径管 道自动焊技术主流6。 1.2.2 国内发展与现状 我国油气管道焊接主要经历了四个阶段，20世纪70年代及以前，管道建设中 焊接以传统手工焊方法施工，该焊接方法由于焊接速度慢、焊接质量低已不再适 宜在管道建设中应用。20世纪80年代初，中国石油天然气管道局引进了美欧的手 工下向焊工艺7。该方法主要采用纤维素焊条，故它的熔敷效率较高、抗恶劣环 境能力强且根焊时单面焊双面成形好，至今在管道施工中仍会采用此法。 20世纪90年代初，中国石油天然气管道局从美国引进了自保护半自动焊设备 本科生毕业设计 1 绪论 3 和工艺，将该工艺于1995 年首次在突尼斯工程中应用，在

17、以后的库鄯线、鄯乌 线、苏丹工程、涩宁兰、兰成渝等管道工程中是主要的焊接方法。其优点是连续 送丝不用气体保护、抗风性能较强(4-5级风以下)、焊工易操作等特点。其缺点 是不能进行根焊，需要采用其他的焊接方法进行根焊7。 此外，在这一时期，为了提高焊接施工效率从俄罗斯引进了双联管焊接工艺。 即在管道工程施工现场的附近或在施工作业带上设立一个场所，采用气体保护焊、 埋弧自动焊等方法将两根钢管焊接在一起，然后再将24米左右的钢管运送到管线 上焊接。用于西气东输二线的双联管焊接技术是采用钢管内、外双丝埋弧自动焊 工艺。采用此工艺，既保证了管道的焊接质量，同时大大缩短了施工周期。 进入21世纪，随着我国

18、西气东输工程的进行，为满足大口径、大壁厚管线钢 能高效作业、操作简单、质量稳定可靠且焊缝成形美观的要求，从美欧引进了更 为先进的全位置自动焊接技术，并在西气东输、哈中原油管道等工程中推广应用。 目前，管道焊接施工采用的主要焊接工艺有:纤维素焊条和自保护药芯焊丝半 自动焊的组合工艺(smaw+fcaw，通常称为半自动焊)、富氩混合气体保护自动焊 工艺(gmaw，通常称为自动焊)和纤维素焊条和低氢焊条的组合工艺(smaw，通常 称为手工焊)。其中，自保护药芯焊扮半自动焊工艺的施工配套机具简单，施工 占地面积小，对各种不同施工环境的适应能力很强，是目前管道焊接施工中一种 重要的焊接工艺。而自动焊工艺

19、的施工配套机具复杂，施工占地面积较大，一般 适用于平坦开阔地区的大机组作业。焊条电弧焊的施工配套机具最简单，适合于 单兵作业8。 1.3 x80管线钢的发展与现状 1.3.1 国外发展与现状 x80是低合金高强度管线钢的美国分类型号。 “80”即管线钢管最小屈服强度 80000psi（552兆帕）的前两位。 1985年，德国mannesmann公司成功研制了x80钢级管线钢，并铺设了3.2km的 试验管道。19921993年又用管径为1220mm，壁厚为18.3mm和19.4mm的x80管道 铺设了长度为259.5km的鲁尔天然气管道，输送压力为10mpa，这一管道至今仍运 行正常。 此后x8

20、0钢级管线钢不断发展。目前x80的用户主要有加拿大的transcanada、 德国的ruhrgas、英国的transco等,生产厂商主要有欧洲钢管、日本的住友金属、 新日铁、nkk、川崎、澳大利亚的pipesteel和韩国的posco等。国外大部分专家 认为:x80钢级管线钢在管线设计、炼钢轧钢、制管成型、焊接工艺、检测评定、 本科生毕业设计 1 绪论 4 防腐保护、运营维护、工艺优化等方面已经积累了丰富的经验，在工业应用方面 已经不存在技术问题了9。以下是x80管线钢管道项目统计，见表1.1 。 表1.1 世界x80级管道项目 年份位置名称制管厂长度/km直径/壁厚/ 1985 德国 meg

21、al 曼内斯曼 3.21117.613.6 1986 斯洛伐克第四输气管道曼内斯曼 1.51422.415.6 1990 加拿大 nova express easnkk261219.010.6 1992 德国 ruhr gas 欧洲钢管 259.51219.018.3/19.3 1994 加拿大 nova matzhiwianipsco541219.012.0 1995 加拿大 east alberta systemipsco331219.012.0/16.0 1997 加拿大 centralalberta systemipsco911219.012.0/16.0 1997 英国 east a

22、lberta systemipsco271219.012.0 2001 英国 cambridge m.g 欧洲钢管 47.11219.014.3/20.6 2002 加拿大 h.s willoughby 欧洲钢管 421219.015.1/21.8 2003 英国 cnrl project 欧洲钢管 12.7610.025.4 2004 加拿大 transco project 欧洲钢管 2081219.014.3 2004 美国 cheyenne plainsipsco60891411. 74 /16. 94 2005 中国西气东输冀宁支线 华北石油 管厂 7.9101615.3/18.4 2

23、007 美国 rex x80ipsco12881067 1523 合计 2708.9 1.3.2 国内发展与现状 我国管线钢的应用和起步较晚，20世纪5070年代铺设的油气管线大部分采 用q235和16mn钢。 “六五”期间，我国开始按照api标准研制x60,x65管线钢，并 成功地与进口钢管一起用于管线敷设。90年代,塔里木三条油气管道、鄯乌输气 管道、库鄯输油管道和陕京输气管道采用的x52、x60、x65级热轧板卷主要由宝 钢和武钢生产供应。 “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x52x70级高韧性管线钢并逐步得到广泛应用。西气东输工程采用了 x70级管线钢，其

24、中螺旋缝埋弧焊管全面实现了国产化，前期的直缝埋弧焊管仍 依赖进口,后期的采用了巨龙钢管公司生产的jcoe焊管。 国内x80管线钢的研究开发始于20002003年，已相继完成了不同规格的 x80 钢级板卷、钢板和焊管的试制、生产，取得了突破性的进展。2004年,为了配合 x80级钢工业性工程应用,国内几大钢厂相继开发出x80钢级的18.4mm宽厚板和 15.3mm板卷,并且严格按照x80级钢工程应用段板卷、宽厚板、螺旋焊管和直缝焊 管技术条件(q/cnpc105-2004q/cnpc108-2004)的要求,在宝鸡、华油及巨龙公 本科生毕业设计 1 绪论 5 司生产出1016mm15.3mm的螺

25、旋埋弧焊管和1016mm18.4mm直缝埋弧焊管。 2004年10月，经检测合格的x80级螺旋埋弧焊管和直缝埋弧焊管产品均通过了产 品鉴定10。 在2005年3月，我国在西气东输冀宁支线管道工程中进行7.925km的x80钢管线 的建设，输送压力10mpa，至今仍正常使用11。2008年2月我国西气东输二线正式 开工建设，工程干线管道全长近5000 km，全部采用x80管线钢材，这是国内首次 大规模的使用如此高强度管线钢。 从运输成本、国内制管能力等对比分析，确定西段(霍尔果斯中卫)采用x80 钢级、1219mm管径、12mpa输送压力；东段(中卫广州)采用x80钢级、1219mm管 径、10

26、mpa输送压力。其中，壁厚18.4mm及以下规格采用螺旋埋弧焊管，壁厚超 过18.4mm规格采用直缝埋弧焊管。西二线全线焊管用量432.6万t,其中,主干线 4775km的x80钢级焊管271.5万t，占63%；支干线4260km采用x70钢级计161.1万 t。x80钢级焊管中，螺旋埋弧焊管(壁厚15.3mm、18.4mm)199.5万t，占73%；直 缝埋弧焊管(壁厚22.0mm、26.4mm、27.5mm、32.0mm)72万t，占27%。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，西二线工程都堪称世界之最12。 本科生毕业设计 2 x8

27、0 管线钢组织性能与焊接性分析 6 2 x80管线钢组织性能与焊接性分析 2.1 x80管线钢组织性能 管线钢根据显微组织形态通常可以分为三种类型：铁素体-珠光体或少量珠光 体管线钢、针状铁素体管线钢、铁素体-贝氏体或马氏体管线钢13。 x80管线钢是应用控制轧制和控制冷却技术（tmcp）生产出的低碳微合金高强 钢，所谓控制轧制就是控制热轧过程中的加热温度和压下量，控制冷却实质是加 快冷却速度，有效的抑制晶粒长大。通过固溶强化、相变强化、合金强化等措施 最大程度的细化晶粒，以获得高强度高韧性所需的超细针状铁素体组织。国内生 产的的针状铁素体x80管线钢采用了超低的碳含量、高锰、超低硫、铌、钒、

28、钛 微合金化的成分设计。并且适当增加钼、铜、镍等合金元素以补偿强度。 2.1.1 化学成分分析 x80管线钢主要化学成分 表2.1 x80管线钢主要化学成分（质量分数：%）14 元素 cmnpssinbvti 成分 0.091.850.0220.0050.420.080.060.025 元素 alncucrmonipcmceq 成分 0.060.0080.300.450.350.500.230.43 注： 1.v+nb+ti0.15%。在控制总量的前提下，允许冶金厂对单个元素含量进行微调。 2.不得有意加入b和稀土元素。 3.c含量每减少0.01%时，mn允许最大含量可以增加0.05%，但在产

29、品分析中mn含量不得超过1.95%。 4.碳当量（ceq）暂不做验收条件要求，冶金厂应提供数据。在成分设计时，应保证良好的焊接性能、力学性 能和冲击韧性，碳当量（ceq）上限尽可能控制在0.43%以内。 冷裂纹敏感系数 b vmnccms cp oiruni cm 5 1015602030 （2.1） 碳当量 （参照aws） 1556 iuorn eq ncvmcm cc （2.2） x80管线钢化学成分设计依据以下原理： 1）碳(c):碳是钢的基本强化元素，通过固溶强化和析出强化的作用对提高钢 的强度有明显的作用，但c含量的提高对钢的延性、韧性和焊接性有负面影响。 本科生毕业设计 2 x80

30、 管线钢组织性能与焊接性分析 7 因此，近代管线钢的发展过程是不断降低c含量的过程。c含量的降低一方面有助 于提高钢的韧性，另一方面可改善钢的焊接性能。所以，目前随着控轧控冷工艺 和微合金化技术的日趋成熟，钢中的碳含量逐渐降低，x80钢级管线钢的碳含量 一般低于0.06%。 2）锰(mn):mn一方面作为脱氧剂，另一方面它有细化晶粒和固溶强化作用， 还可降低-相变温度，进而细化铁素体晶粒。mn含量的增加，减少了焊接热 影响区等轴细晶的晶粒尺寸。mn含量每增加0.1%，焊态焊缝金属屈服强度和拉伸 强度大约增加lompa。mn含量的增加一方面增加了屈服强度，另一方面增加了针 状铁素体的体积分数和细

31、化了再热区的晶粒尺寸，这两种因素的影响使得mn含量 在一定的范围内为宜，试验所得最佳mn含量为1.5%，过量的mn易产生mn和p的化 合物偏析降低韧性，并且对抗h2s腐蚀不利。早期的管线钢以c、mn为主。但是， mn含量过大会加剧控轧钢板的中心偏析，使钢的性能非常不均匀，降低管线钢抗 氢致裂纹(hic)性能。因而，高钢级管线钢中mn的含量一般保持在一个合理的范 围内（1.2%-2.0%） 。对于抗hic钢，如果mn含量过高，则必须尽可能降低c、p含 量和p的偏析。 3）镍(ni):ni无限固溶于-fe，是扩大相区的元素，还可使cct曲线右移， 因而可促使针状铁素体的形成，使焊缝韧性提高。ni的

32、固溶强化作用非常小。有 研究表明，在焊缝金属的整个冷却过程中，ni都可以使相变温度降低，而且使侧 板条铁素体开始转变温度降低程度明显大于使针状铁素体开始转变温度的降低程 度。若焊缝金属中含有mn时，ni的这种效果有利于针状铁素体的形成，并使硬度 升高。另外，在c存在的情况下，ni和mn使焊缝组织中残余奥氏体数量和稳定性 都增加。 4）铬（cr）：在抗hic、抗硫化物应力腐蚀(sscc)钢中，为减少合金元素的 中间偏析，通常采用低c、低mn，添加cr来弥补强度的不足。随着cr的添加，强 度近乎直线上升。但当cr含量超过0.3%时，其低温韧性就会下降，因此对于x80 酸性气体用管线钢，cr含量在0

33、.2%-0.3%时为宜。 5）硼（b）：微量的b在奥氏体晶界的偏聚，可明显抑制铁素体在奥氏体晶界 上的形核；同时还使贝氏体转变曲线变得扁平，从而即使在低碳的情况下在一个 较大的冷却范围之内也能获得贝氏体组织，使管线钢获得x80的强度级别。如果b 以氧化物或氮化物存在于钢中，就丧失了抑制铁素体在晶界上形核的作用。因此 必须在钢中添加适量的a1来脱氧，并添加与氮亲和力更大的兀素ti来固氮。 6）钼(mo):mo能够降低相变温度、抑制块状铁素体的形成、促进针状铁素体 的转变，并能提高nb(c,n)的沉淀强化效果。早期为获得针状铁素体，多采用高 mn和mo，导致碳当量(ce)值和裂纹敏感指数(pcm)

34、值偏高，影响管线钢的焊接性 本科生毕业设计 2 x80 管线钢组织性能与焊接性分析 8 能。后来为改善焊接性能开发出了nb-mo-ti-v系钢，即降低mn和mo含量，通过添 加v来弥补强度损失、通过tin细化晶粒改善韧性。在x80钢级中，mo一般为 0.15%0.3%. 7）铌（nb）：是最主要的微量合金元素之一，对于晶粒细化的作用十分明显。 通过热轧过程中nbc的应变诱导析出阻碍形变奥氏体的回复、再结晶，经控制轧 制和控轧冷却使精轧阶段非再结晶区轧制的形变奥氏体组织在相变时获得细小组 织，以保证钢具有高强度和高韧性。 8）钒(v)：具有较高的析出强化作用和较弱的晶粒细化作用，在nb、v、ti

35、三 种微合金元素复合使用时，v主要在铁素体中以c的析出强化来提高钢的强度。 9）钛（ti）：是强的固n元素，ti/n的化学计量比为3.42，利用0.02%左右的 ti就可固定钢60ppm以下的n，在板坯连铸时可形成细小的高温稳定的tin析出相。 这种细小的tin粒子可有效地阻碍板坯再加热时的奥氏体晶粒长大，有助于提高 nb在奥氏体中的固溶度，同时对改善焊接热影响区的冲击韧性有明显作用，目 前微ti处理工艺已广泛应用于管线钢的生产。 10）铜（cu):cu降低-转变温度，并且cu具有抗大气和h2s腐蚀的胜能， cu能细化原奥氏体晶粒尺寸，增加硬度和拉伸强度，并增加第二相的体积分数； nb有析出强

36、化作用，但不可超过0.04%；铜和镍都可通过固溶强化的作用提高钢 的强度，在厚规格管线钢中可补偿因厚度的增加而引起的强度下降. 11）硫（s） 、磷（p）：硫和磷是钢中不可避免的杂质元素，希望越低越好。 通过超低硫（小于30pp）及ca处理对硫化物进行夹杂物形态控制，可使管线钢具 有高的冲击韧性151617。 2.1.2 组织性能分析 x80管线钢的组织 图2.1为x80管线钢的金相组织照片。由图2.1可知，x80管线钢的金相组织由 多边形铁素体和贝氏体组成，由sem观察可知，铁素体形状都被显著地拉长成为 细条状，形状不规则，呈针状铁素体形貌；同时，未发现典型的贝氏体的板条结 构，如图2.2所

37、示。 应用透射电镜进一步观察实验钢的组织，其结果如图2.2所示。由图中可以看 出，其组织呈现明显的针状铁素体形貌，组织中针片结构较为发达。这是由于实 验钢中含有的合元素钼，能够使铁素体析出线明显右移，从而抑制先共析铁素体 的形成，但对贝氏体转变的推迟小，所以，过冷奥氏体直接向贝氏体转变。同时， 由于钼的存在，碳在奥氏体中的扩散激活能增加从而使碳的扩散系数降低；因此， 钼在强烈抑制先共析铁素体的析出和长大的同时，促进了高度位错亚结构的针状 铁素体的形成18。 本科生毕业设计 2 x80 管线钢组织性能与焊接性分析 9 图2.1 x80管线钢的组织 图2.2 x80管线钢的sem组织形貌 本科生毕

38、业设计 2 x80 管线钢组织性能与焊接性分析 10 x80管线钢的性能 按照api spec 5l:2000要求和我国的qcnpc106-2005 x80钢级螺旋缝埋弧焊 管技术条件及qcnpc108-2005 x80钢级直缝埋弧焊管技术条件x80管线钢的 力学性能要求。如下表2.2、表2.3和表2.4。 表2.2 x80钢线钢的拉伸性能 屈服强度s mpa 抗拉强度b mpa 屈强比 s/b 伸长率 min minmax 555690 625 0.92 允许其中5%的炉批 0.93 按api spec 5l:2000 要求 表2.3 dwtt（落锤撕裂试验）剪切面积的最小百分数 试验温度单

39、个试样最小值两个试样平均值 -570%85% 注：当dwtt试验出现异常断口时，异常断口按sy/t 6476-2000评定。 表2.4 -20下夏比冲击韧性要求 夏比冲击剪切面积sa 位置 单个试样最小值三个试样平均值 夏比冲击 j （10mm10mm55mm） 管体横向 80%90% 单个试样最小值150 三个试样平均值200 焊缝及热影响区 30%40% 单个试样最小值60 三个试样平均值90 2.2 x80管线钢焊接性分析 焊接性是指同质材料或异质材料在制造工艺条件下，能够焊接形成完整接头 并满足预期使用要求的能力。焊接性包括两个含义：一是结合性能，就是一定的 材料在给定的焊接工艺条件下

40、对形成焊接缺陷的敏感性；二是使用性能，指一定 的材料在规定的焊接工艺条件下所形成的焊接接头适应使用要求的能力。前者称 为工艺焊接性，涉及焊接制造工艺过程中的焊接缺陷问题，如裂纹、气孔、断裂 等；后者，称为使用焊接性，涉及焊接接头的使用可靠性问题19。 本科生毕业设计 2 x80 管线钢组织性能与焊接性分析 11 图2.3 x80管线钢管的sh-cct曲线 从图2.3可以看出，管线钢快速冷却条件下没有产生马氏体组织，当冷却速度 在60/s - 0.5/s之间时，得到的组织类型为贝氏体和铁素体组织，当冷却速 度12 焊条直径/mm1.63.23.24.0 4.0 表3.2 焊接电流选择 焊条直径

41、/mm 1.62.02.53.24.05.06.0 焊接电流 /a 304050655080100130160210200270240300 注：立、仰、横焊时，比平焊电流小10%20% 尚应考虑的具体情况 1）开坡口打底以及采用垫板的打底，为了焊透，应选用直径3.2mm焊条，其 余各层选用直径4.0mm焊条。 2）焊接层数应视焊件厚度而定，除薄板外，每层焊缝厚度45mm。 3）立焊位置采用月牙形摆动运条，平焊采用锯齿形运条方式。 3.1.2 焊条电弧下向焊焊接工艺 管道下向焊技术于20世纪70年代引进我国，经历了全纤维素型焊条下向焊 低氢型焊条下向焊混合型下向焊复合型下向焊的发展进程。此方法

42、被广泛应 用于管道工程建设中。 本科生毕业设计 3 x80 管线钢焊接方法研究 15 焊接工艺参数以西气东输陕京二线联络线工程x80管线钢焊条电弧焊焊接工 艺规程为例，详见表3.3、表3.4和表3.517。 表3.3 x80主线路焊条电弧焊焊接工艺参数 焊道根焊热焊填充盖面 焊材标准 aws a5.5 焊材型号 e7010-p1 e9010-p1或 e8010-p1 e9018-g 可使用的焊材牌 号 bohler fox cel 75 或 hobartpt pemaster 70 bohler fox cel 90 或 hobartpt pemaster 80 bohiler fox bvd

43、 90 或 hobartpt pemaster 9018-g 焊材规格 4.0mm 焊接方向下向 极性 dc-dc+ 电流(a)80140130180200240200230 电压(v)2235223517271727 焊接速度 （cm/min） 918162520352030 表3.4 x80主线路连头焊条电弧焊焊接工艺参数 焊道根焊填充盖面 焊材标准 aws a5.5 焊材型号 e7016e9018-g 可使用的焊材牌号 lb 52u bohiler fox bvd 90 或 hobartpt pemaster 焊材规格 3.2mm4.0mm 焊接方向上向下向 极性 dc-dc+ 电流(a

44、)6010020040200230 电压(v)22517271727 焊接速度（cm/min）71520352030 表3.5 x80主线路返修焊条电弧焊焊接工艺参数 焊道根焊填充盖面 焊材标准 aws a5.5gb/t5118 焊材型号 e7016e5516 可使用的焊材牌号 lb 52uche 558gx 焊材规格 3.2mm 焊接方向上向 极性 dc-dc+ 电流(a)60100804080130 电压(v)22351771727 焊接速度（cm/min）71520352030 本科生毕业设计 3 x80 管线钢焊接方法研究 16 3.2 半自动焊工艺 利用药芯焊丝作熔化极的电弧焊称为药

45、芯焊丝电弧焊，英文简称fcaw。药芯 焊丝分为两类：一类是焊接过程中使用外加保护气体（一般是纯co2或co2+ar）的 焊接，称为药芯焊丝气体保护电弧焊（fcaw-g） ，它与普通熔化极气体保护电弧 焊基本相同；另一类是不用外加保护气体，只靠焊丝内部的芯料燃烧与分解所产 生的气体和渣作为保护的焊接，称为自保护药芯焊丝电弧焊(fcaw-s)。 3.2.1 自保护药芯焊丝半自动焊工艺 我国1993年引进了自保护药芯焊丝半自动焊接技术。1996年建设的库鄯输气 管首次采用了这种焊接技术。工程钢管材质api x65级，管径610mm，壁厚 7.111.1mm。 自保护药芯焊丝半自动焊的工艺特点：焊缝质

46、量好、生产效率高、综合成本 低、易于掌握和具有较强的抗风能了等优点，但其设备和焊材价格较高。自保护 药芯焊丝适用于各种位置的焊接，其焊接工艺参数见表3.6。 表3.6 自保护药芯焊丝半自动焊焊接工艺参数 钢管厚度/mm 主要工艺参数 688121525 焊丝直径/mm2.02.02.0 送丝速度/mmin-11.22.22.02.82.23.3 焊接电流/a170220180250190280 电弧电压/v172018221823 焊接速度/cmmin-1152515301530 干伸长度/mm152515251525 3.2.2 药芯焊丝气体保护半自动焊工艺 药芯焊丝气体保护电弧焊综合了焊条

47、电弧焊和co2气体保护焊的工艺特点。与 二者相比，其飞溅更小、焊缝成形更为美观、焊接效率较高、适应性强；但药芯 焊丝的储运较严、坡口要求较高、抗风能力较弱。 药芯焊丝气体保护电弧焊焊接工艺参数主要有：焊接电流、电弧电压、焊接 速度、干伸长度、保护气体流量和焊接位置等。 3.2.3 stt焊接技术 stt（surface tension transfer）是一种以表面张力为熔滴主要过渡的熔化 极气体保护电弧焊。它是对药芯焊丝气体保护半自动焊工艺进行优化后得到的。 stt是美国林肯公司20世纪90年代开发的焊接电源，stt电源具有波形控制功 能，根据熔滴的不同过渡过程，控制电流、电压波形，即焊接电

48、源能自动调节焊 接电流和电弧电压使电弧获得所需的瞬时热量。从而确保焊接电弧的稳定燃烧和 本科生毕业设计 3 x80 管线钢焊接方法研究 17 有效控制焊缝成形。 stt焊接技术特点 1）stt焊接可以采用co2气体作为保护介质，此时熔池的流动性和熔透性较好， 但焊缝的力学性能稍差；若采用ar和co2的混合气体作为保护介质，此时熔池流动 性较差，但焊缝力学性能好。 2）stt焊接工艺的特点：电弧燃烧稳定、引弧容易、烟尘和噪音小、飞溅极 小、焊缝成形美观、焊接成本较低、操作容易；但stt焊接野外抗风能力较差、 设备一次性投入大、维护保养和维修较 stt焊接工艺参数 stt焊接工艺参数与气体保护药芯

49、焊丝焊焊接工艺参数基本一致，值得注意的 是，stt焊接工艺中的焊接电流可分为基值电流和峰值电流，且两电流可分别调 节。基值电流、峰值电流和送丝速度三者均可独立调节，三者必须达到良好配合， 电弧才能稳定燃烧。以下是x80管线钢stt焊接工艺参数的选择，见表3.7。 表3.7 x80管线钢stt焊接技术焊接工艺参数 焊接电流/a 焊层电流极性 峰值基值 电弧电压/v 送丝速度 /mmin-1 焊接速度 /cmmin-1 根焊 dc- 3403806080 3.053.81 13 热焊2528 填充 2002602.293.05 1318 盖面 dc+ 190230 1822 2.162.54101

50、2 注：dc+表示焊条接正极 3.3 自动焊工艺 3.3.1 管道自动焊概述 管道自动焊的概念 用管道自动焊装置完成管道焊接操作的焊接方法称为管道自动焊。它主要由 焊接电源、焊接小车和控制系统三大部分组成。 管道自动焊的分类 管道自动焊按焊接方法、保护气体种类、焊丝种类、电源种类、焊枪数量、 功能的不同和焊接方向等分类，具体分类见图3.1。 管道自动焊的特点 管道自动焊与手工电弧焊相比有如下特点： 1）管道自动焊的优点：电弧燃烧稳定、焊缝成形美观、焊接接头少、焊缝缺 陷少、层间清理简单、焊缝力学性能好、生产效率高、劳动强度低和生产成本低 等。 本科生毕业设计 3 x80 管线钢焊接方法研究 1

51、8 2）管道自动焊的缺点：野外焊接抗风能力差、焊接设备一次性投入大、管口 质量要求较高、适用性叫差、焊接设备复杂且维护保养和修理较复。 焊接方法分类 熔化极气体保护管道自动焊 非熔化极气体保护管道自动焊 埋弧管道自动焊 电阻焊管道自动焊 惰性气体管道自动焊 co2气体保护管道自动焊 混合气体保护管道自动焊 保护气体种类分类 直流电源管道自动焊 交流电源管道自动焊 脉冲电源管道自动焊 电源种类法分类 单枪管道自动焊 双枪管道自动焊 多枪管道自动焊 焊枪数量分类 转动管道自动焊 上向管道自动焊 下向管道自动焊 焊接方向分类 实心焊丝管道自动焊 药芯焊丝管道自动焊 焊丝种类分类 管道自动内焊 管道自

52、动外焊 焊接功能分类 管 道 自 动 焊 本科生毕业设计 3 x80 管线钢焊接方法研究 19 图3.1 管道自动焊分类 焊接工艺参数 以西气东输陕京二线联络线工程x80管线钢自动焊焊接工艺规程为例， 详见表3.817。 表3.8 x80主线路气体保护自动焊焊接工艺参数 焊道根焊热焊填充盖面 焊材标准 aws a5.5 焊材型号er70s-6；er70s-g 可使用的焊材牌 号 redall rms 18 或 bohler sg3-p 焊材规格 0.9mm 焊接速度 (cm./min-1) 6090100150260390200300 送丝速度 (m./min-1) 7.511.510.215

53、.38.412.67.411.1 电压(v)1723172314.519.61419 电流(a)190230207253189231171209 摆动频率(次 /min-1) 00 11216876114 co2(%) 1525 100 1551525 ar(%) 8575 0 85758575 保护 气体 流量 （l/min ） 2436243616241624 3.4 x80级管道制管工艺 api spec 5l 规定油气输送管按生产工艺不同分为无缝钢管、电阻焊钢管、 埋弧焊钢管等 8 种。但主要使用的有无缝钢管(seamless)、直缝高频电阻焊管 (简写为 erw)、直缝埋弧焊管(简写

54、为 lsaw)、螺旋缝埋弧焊管(简写为 ssaw)等 4 种3。 制管工艺流程，共分四个阶段： 准备阶段 将原材料拆卷、整平，切头尾，然后根据管子实长剪切成相应的宽度。 制管阶段 拆卷、平整、切头尾、剪切对焊（接长） 、过水平螺旋活套、钢板探伤，在成 形机组上逐渐弯曲，直至卷成圆筒，接着通过焊机实施对纵缝焊接，去除内外毛 刺。 本科生毕业设计 3 x80 管线钢焊接方法研究 20 热处理级矫直阶段 中频退火、空冷、水冷，对圆管定径、超声波探伤，飞锯切断，压扁试验。 检测、涂油、成品包装入库 修整管端毛刺和水边、水压试验、离线探伤、打标记、涂油、包装入库。 3.4.1 x80螺旋焊管制管工艺 螺

55、旋焊管的制造主要采用双面埋弧焊生产技术设备，简称ssaw。将准备好的 原料采用右螺旋上卷方式，由递送机送入通过三辊弯曲成型，再通过外控辊或内 胀辊控制圆度及形状。进入辊圆机卷圆后，两台埋弧自动焊机同步焊接，一台焊 接内缝，一台焊接外缝，再通过一个螺距进行工业电视检测焊缝质量。详见图 3.3。 焊接工艺参数的选择 焊接时采用内外双焊丝埋弧焊，分两道焊接。第一道采用直流电源，焊机采 用美国林肯焊机dc-1500和na-3s控制箱；第二道采用交流电源，焊机采用林肯焊 机ac-1200和na-4控制箱，具体焊接工艺参数见表3.9。坡口采用x形坡口，钝边 7mm，见图3.2。 表3.9 螺旋埋弧焊管工艺

56、参数 焊层焊材牌号 焊丝直径 /mm 电流 极性 焊丝伸出长 度/mm 焊接电 流/a 电弧电压 /v 焊接速度 /mmin 4.0dcep 4045 110033 内焊 3.0ac 4050 50036 4.0dcep 4045 115033 外焊 sj101g + h08c 3.0ac 4050 50036 1.4 本科生毕业设计 3 x80 管线钢焊接方法研究 21 图3.2 埋弧焊x形坡口 图3.3 螺旋焊管焊接示意图 3.4.2 x80直焊缝管制管工艺 直缝埋弧焊管和螺旋埋弧焊管在制造工艺上主要是其成型方式有较大区别， 钢材送进方向 内焊双丝 外焊双丝 管体旋转方向 本科生毕业设计

57、3 x80 管线钢焊接方法研究 22 成型方式主要为uo（uoe） 、jco(jcoe)、rb(rbe)三种方式。但其焊接方法都为埋 弧焊，内焊采用三套多丝（最多四丝）焊，外焊采用两套四丝焊。具体焊接工艺 参数见表3.10。 表3.10 直缝埋弧焊工艺参数 焊层焊材牌号 焊丝直径 /mm 电流极性 焊接电流 /a 电弧电压 /v 焊接速度 /mmin 预焊 chw-60c3.0dcep750253.3 4.0dcep105036 4.0ac85038 4.0ac65040 内焊 sj101g + h08c 4.0ac55042 1.6 4.0dcep105036 4.0ac85038 4.0a

58、c65040 外焊 sj101g + h08c 4.0ac55042 1.6 注：钝边7mm，坡口采用x形坡口 本科生毕业设计 4 x80 管线钢环焊缝工艺研究 23 4 x80 管线钢环焊缝工艺研究 4.1 焊接工艺流程20 所编制的焊接工艺应结合现场实际生产条件，但应体现技术上的先进性，不 但要保证产品质量要求，还应充分考虑生产过程的高效率要求，同时更应该考虑 其经济上的合理性，一个详尽的制造工序系统有助于质量管理更为完善。以下是 焊接工艺制造流程，见图4.1 。 图4.1 焊接产品制造流程 焊接工艺评定的目的：按asme的解释是要证实拟用于焊接结构的焊件具有 该结构所预期的使用性能。因此

59、，验证拟定工艺施焊的试件，是否具有结构所预 期的用途，是焊接工艺评定的目的。焊接工艺评定程序见图4.2。 焊接性试验的必要性：焊接性试验中的抗裂性试验，对于新材料或首次使 用的材料是必要的。其他情况下是否一定要先通过焊接性试验，要具体分析。 设计 焊接性试验 工艺评定试验 确定工艺规程 焊前准备 组装焊接 焊后处理 成品验收 检 验 根据焊接工艺的设计内容进行一系 列试验，如力学性能、金相、耐腐 蚀、耐磨损、低温冲击、疲劳、断 裂韧性试验 焊工资格审核放样、下料、坡口加 工、冷热成形、预处理、焊接材料 烘干等 喷丸、消除应力处理等 本科生毕业设计 4 x80 管线钢环焊缝工艺研究 24 图4.

60、2 焊接工艺评定程序 4.2 焊接方法及设备 4.2.1 x80级管道野外施工焊接方法选择 西气东输二线管道工程是横贯我国东西的又一条能源大动脉，对于改善我国 能源结构，降低环境污染，促进国民经济的又快又好发展有着重大战略意义。管 道沿途经过戈壁沙漠、黄土高原、太行山脉，并且穿越黄河、长江。如何在各种 恶劣环境下将工程更快、更好、更安全的建成对野外现场焊接施工提出了严峻考 验。 根据西气东输二线工程，长距离、大管径、大壁厚等施工特点，若采用国内 传统的焊条电弧焊和应用成熟的自保护药芯焊丝半自动焊。则工人劳动强度大， 生产效率低，施工进度慢。这就要求我们采用更为先进的全自动焊接技术，通过 对西气