[优秀毕业设计精品] 西气东输主输管道焊接工艺设计

1、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，吸收和借鉴国内外先进的工艺设计理念，提出了一套自己的 x

2、80 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abstractabstractrailway, highway, aviation, water and pipeline transport referred to as five transportation.the most economical, pipeline transport is a simple mode of transportation,

3、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 rapidly.x80 pipe steel pipe in the worl

4、d 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 analysis, research the steel welding x80 pi

5、pe 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, welding material selection, processing, tool

6、ing 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.目录中文摘要 .i英文摘要 .ii 1 绪 论 .11.1 油气管道概论 .11.2 油气管道焊接发展与现状.31.3 x80 管线钢的发展与现状 .42 x80 管线钢组织性能与

7、焊接性分析.72.1 x80 管线钢组织性能 .72.2 x80 管线钢焊接性分析 .113 x80 管线钢焊接方法研究.143.1 手工电弧焊工艺.143.2 半自动焊工艺.163.3 自动焊工艺.173.4 x80 级管道制管工艺 .194 x80 管线钢环焊缝工艺研究.224.1 焊接工艺流程.224.2 焊接方法及设备.234.3 坡口形式及工装应用.264.3 焊材选择.284.4 焊接工艺参数.294.5 焊后产品质量检验.315 结论 .33参考文献 .34致谢 .36附件 x80 级管道外对口器装配图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、

8、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

9、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、x

10、52三个钢级。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

11、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

12、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

13、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

14、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” 、 “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

15、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

16、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和工艺，将该工艺于1995 年首次在突尼斯工程中应用，在以后的库鄯线、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

17、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

18、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1

19、9.4mm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x80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、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x8

20、0级管道项目年份位置名称制管厂长度/km直径/壁厚/1985德国megal 曼内斯曼3.21117.613.61986斯洛伐克第四输气管道曼内斯曼1.51422.415.61990加拿大nova express easnkk261219.010.61992德国ruhr gas 欧洲钢管259.51219.018.3/19.31994加拿大nova matzhiwianipsco541219.012.01995加拿大east alberta systemipsco331219.012.0/16.01997加拿大centralalberta systemipsco911219.012.0/16.0

21、1997英国east alberta systemipsco271219.012.02001英国cambridge m.g欧洲钢管47.11219.014.3/20.62002加拿大h.s willoughby欧洲钢管421219.015.1/21.82003英国cnrl project欧洲钢管12.7610.025.42004加拿大transco project欧洲钢管2081219.014.32004美国cheyenne plainsipsco60891411. 74 /16. 942005中国西气东输冀宁支线华北石油管厂7.9101615.3/18.42007美国rex x80ipsco

22、128810671523合计2708.91.3.2 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

23、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、华油及巨龙公司生产出1016mm15.3mm的螺旋埋弧焊管和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

24、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、10mpa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

25、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。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、

26、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、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

27、.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 bvmnccmscpoiru

28、nicm51015602030（2.1）碳当量 （参照aws） 1556iuorneqncvmcmcc（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。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

29、，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

30、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(ssc

31、c)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0.2%-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

32、):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)值偏高，影响管线钢的焊接性能。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

33、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h

34、2s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

35、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。图2.1 x80管线钢的组织图2.2 x80管线钢的sem组织形貌 x

36、80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smpa抗拉强度bmpa屈强比s/b伸长率minminmax5556906250.92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

37、 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902.2 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

38、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。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/mm1.63.23.24.04.0表3.2 焊接电流选择焊条直径/mm1.62.02.53.24.05.06.0焊接电流/a304050655080100130160210200270240300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

39、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。此方法被广泛应用于管道工程建设中。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e7

40、010-p1e9010-p1或e8010-p1e9018-g可使用的焊材牌号bohler fox cel 75 或 hobartpt pemaster 70bohler fox cel 90 或 hobartpt pemaster 80bohiler fox bvd 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

41、 a5.5焊材型号e7016e9018-g可使用的焊材牌号lb 52ubohiler 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)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)2

42、2351771727焊接速度（cm/min）715203520303.2 半自动焊工艺利用药芯焊丝作熔化极的电弧焊称为药芯焊丝电弧焊，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

43、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/mm1525152515

44、253.2.2 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

45、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焊丝焊焊接工艺

46、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-34038060803.053.8113热焊2528填充2002602.293.051318盖面dc+19023018222.162.541012注：dc+表示焊条接正极3.3 自动焊工艺3.3.1 管道自动焊

47、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。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

48、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动外焊焊接功能分类管道自动焊图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

49、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)7.511.510.215.38.412.67.411.1电压(v)1723172314.519.61419电流(a)190230207253189231171209摆动频率(次/min-1)0011216876114co2(%)15251001551525ar(%)8575085758575保护气体流量（l/min）243

50、62436162416243.4 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。 热处理级矫直阶段中频退火、空冷

51、、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

52、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/mmin4.0dcep4045110033内焊3.0ac4050500364.0dcep4045115033外焊sj101g+h08c3.0ac4050500361.4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

53、体旋转方向成型方式主要为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-60c3.0dcep750253.34.0dcep1050364.0ac850384.0ac65040内焊sj101g+h08c4.0ac550421.64.0dcep1050364.0ac850384.0ac65040外焊sj101g+h08c4.0ac550421.6 注：钝边7mm，

54、坡口采用x形坡口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，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

55、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 图4.2 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，

56、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，通过对西气东输一线冀宁支线x80钢工业性应用试验段的了解和国外几条著名x80级管道工程的了解，综合考虑后确定采用全位置自动焊为主，焊条电弧焊和半自动焊为辅的焊接方法。4.2.2 x80级管道野外施工焊接设备 根焊根焊是焊接过程中最为重要的一步，焊缝质量的好坏，直接决定了整条焊缝的优劣。根焊的

57、好坏取决于焊接时单面焊双面成形的好坏，若采用传统的手工焊或半自动焊要得到良好的单面焊双面成形，得完全依靠焊工的良好的个人操作水平，因此很难做到100%合格。而采用全自动焊接设备则很容易获得良好的单面焊双面成形焊缝，经过分析研究结合实践应用后的效果，决定采用中国石油天然气管道局的paw3000管道双焊炬全位置自动焊机施焊，见图4.3和图4.4。1）内焊机根焊工艺特点：a. 电弧燃烧稳定，飞溅较少，焊接烟尘少，噪音小。b. 采用多机头施焊，焊接效率高；焊缝成形较好，焊接熔敷率高。c. 焊缝含氢量低，低温冲击韧性好（较药芯半自动焊、自保护焊） 。d. 操作容易。拟采用的焊接工艺（wps）工艺评定试验

58、工艺评定试验报告（pqr）编写焊接工艺规范（wps）合格不合格图4.3 x80级管道内焊机主机体 填充和盖面填充和盖面因焊接现场环境不同可选择不同的焊接方法。若在较平坦的地域，外部环境较好的情况下首选自动焊，采用外焊机施焊；若是在山区等地势不平的地域则选用焊条电弧焊或自保护药芯焊丝半自动焊。1）外焊机填充焊、盖面焊工艺特点：a. 电弧燃烧稳定，飞溅小。b. 采用专用的“存储器”可输入多组焊接工艺参数，使外焊机既能实行单击作业，也可实现流水作业，同时也可满足不同规格钢管的焊接需要；焊接工艺参数由焊接工程师设定，焊工不能随意更改，保证了焊接工艺参数的准确性。c. 焊接速度快，焊接质量好。d. 焊缝

59、成形美观，不需打磨，焊工劳动强度低。图4.4 x80级管道双焊炬焊机 其它设备除了焊接所必需的焊机外，在野外现场焊接作业，必须配备如下设施及工艺装备：1）吊管机（图4.5） ，兼做发电设备，主要用于吊装管道。2）防风棚，气体保护焊允许施焊的环境风速不大于2m/s，当风速大于2m/s时，必须采取有效的防风措施，最好采用吊装式防风棚。3）坡口加工机（见图4.6） 。4）中频感应加热器（见图4.7） ，主要用于焊前预热。5）组对器、对口器。6）焊缝探伤仪。7）测温仪，氧气、乙炔、氩气、co2气瓶及气流阀等。图4.5 x80级管道施工吊管机图4.6 x80级管道坡口加工机图 4.7 x80 级管道中频

60、感应加热器中频感应加热器的特点是：加热迅速，预热温度可控，适应性强，可操作性好。4.3 坡口形式及工装应用4.3.1 x80级管道焊接坡口选择 坡口形式、坡口尺寸和组装质量，对焊接质量和焊接效率有着至关重要的影响，人们对上述指标的重视程度越来越高。在正常范围内，坡口越窄则焊接接头力学性能越好，焊接效率也越高，操作难度也越大；坡口越宽则焊接接头的力学性能越差，焊接效率也越低，操作难度也相对小些。 管道焊接主要坡口形式：1）v形坡口：a. 适用于壁厚小于10mm的管道对接接头；b. 加工简单，加工成本低；c. 可满足单面焊双面成形的要求。2）u形坡口：a. 适用于壁厚大于10mm的管道对接接头；b