[优秀毕业设计精品] 西气东输主输管道焊接工艺设计.doc

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ABSTRACTRailway, highway, aviation, water and pipeline transport referred to as five transportation.The most economical, pipeline transport 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 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 analysis, 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, welding 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.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、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、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 SystemIPSCO911219.012.0/16.01997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 X80IPSCO128810671523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Ø1016mm×15.3mm的螺旋埋弧焊管和Ø1016mm×18.4mm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、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、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0.091.850.0220.0050.420.080.060.025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 （2.1）碳当量 （参照AWS） （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，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(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0.2%-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)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 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sMPa抗拉强度bMPa屈强比s/b伸长率minminmax6250.92允许其中5%的炉批0.93按API Spec 5L:2000 要求555690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 6476-2000评定。表2.4 -20下夏比冲击韧性要求位置夏比冲击剪切面积SA夏比冲击 J（10mm×10mm×55mm）单个试样最小值三个试样平均值管体横向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<0.35/s时，组织为铁素体和贝氏体加珠光体组织。说明该钢的淬硬倾向较低，焊接性优良8。2.2.1 冷裂纹X80管线钢是低碳微合金高强钢，它的含碳量小，淬硬倾向减小，冷裂纹倾向降低。但随着X80管线钢管道的壁厚增加，X80管线钢管道焊接后仍具有冷裂纹倾向，冷裂纹是X80管线钢管道焊接时主要问题之一。冷裂纹主要受：组织淬硬、焊接接头应力、熔敷金属扩散氢含量三个因素影响。 组织淬硬X80的碳含量低，但由于合金元素含量较大，可知其碳当量仍然较高，碳当量可以粗略的反映钢材的淬硬倾向和焊接加工难易程度。有研究表明，在一定冷却条件下，碳当量增大或Pcm增大，组织的硬化倾向增大，所以冷裂纹与组织的淬硬倾向有关。其次，X80为保证焊接后接头的高强度，一般采用“高强匹配”这使得焊接接头淬硬倾向加大。且X80管线钢管道大口径、大壁厚，单管重量可达4至5吨（以10米长为例），现场焊接后根本不可能进行焊后热处理。 管道重量计算公式：G=0.02466×S（D-S） （2.3）式中： D外径S壁厚 焊接接头应力一方面来自拘束应力，其中包括不均匀加热和冷却过程中产生的热应力、金属相变时产生的组织应力、结构自身拘束条件所造成的应力；另一方面来自焊接过程因焊接施工工艺引起的附加应力。 熔敷金属扩散氢含量氢是引起高强钢焊接冷裂纹的重要因素之一，并且具有延迟特征。氢在金属中有两种形式：一种是能运动的“扩散氢”，另一种是不可运动的“剩余氢”。只有扩散氢对钢的冷裂纹有直接影响，扩散氢会造成氢脆，促使冷裂纹倾向增大。碳当量增大，氢脆敏感性也必然随之增大。2.2.2 焊接热影响区脆化焊接后热影响区在冷却过程中，时常伴随着组织的变化和晶粒的再长大。其中奥氏体晶粒粗化、上贝氏体和M-A组元（残余奥氏体）形成是引起焊接热影响区脆化主要因素，焊接热影响区脆化也是X80管线钢管道焊接中主要问题之一。 奥氏体晶粒粗化焊接过程中由于受热的影响，晶粒会有不同程度的长大。但X80管线钢中加入了氮（N）、铌（Nb）、铜（Cu）、钛（Ti）和硼(B)等合金元素，它们都有细化奥氏体晶粒的作用，尤其是钛（Ti）和氮（N）形成的TiN，它能有效阻止管线钢再加热时引起的奥氏体晶粒长大。 M-A组元M-A组元是焊接低碳高强钢时在一定冷却速度下形成的，它不仅出现在焊缝，也出现在HAZ。上贝氏体在500-450范围内形成并快速长大。而碳的扩散慢，有条状铁素体包围的岛状富碳奥氏体区一部分转变为马氏体，另一部分则成为残留奥氏体即M-A组元。 HAZ的热应变时效脆化在制造焊接结构中，不可避免地要进行各种加工，如下料、弯管、剪切、锤击和其他热加工等。由这些加工引起的局部应变、塑性变形对焊接热影响区脆化有很大影响。2.2.3 热裂纹焊接是一个加热熔融至冷却到室温的过程，在高温阶段产生的开裂现象就称为热裂纹。由于X80管线钢是采用控轧控冷技术生产的低碳微合金高强钢，对S、P的控制很严格，因此热裂纹不是X80管线钢管道焊接时的主要问题。3 X80管线钢焊接方法研究3.1 焊条电弧焊工艺电弧焊是利用电弧的热量加热、熔化金属进行同质材料或异质材料焊接。焊条电弧焊是用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊接方法。在管道焊接中可分为:上向焊和下向焊两种操作技术。3.1.1 焊条电弧上向焊焊接工艺焊条电弧上向焊通常也称手工电弧焊(SMAW)，是最早应用的电弧焊接方法之一，已有百年历史。它的优点是设备简单、操作简单灵活、对接头装配要求较低、适应性强；缺点是生产效率低、劳动强度大、操作技能要求较高。焊条电弧焊适用于平、仰、立各种位置的焊接。可以焊接碳钢、低合金钢、不锈钢等材料。焊条电弧焊焊接工艺参数的选择极性 碱性焊条一般采用直流反接；酸性焊条一般采用交流或直流正接。焊条直径及焊接电流的选择见表3.1和表3.2。表3.1 焊条直径选择焊件厚度/mm4412>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E7010-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 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