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材控专业毕业论文 I 材控专业毕业论文材控专业毕业论文 题 目 高强度级别输气管道的焊接方法研究 专业 材控 材控专业毕业论文 II 摘 要 本课题中进行的主要工作如下：西气东输天然气管线概念设计，对工艺参数 进行优化设计，主要有采用高压输气工艺达到减少压气站；输气管道的优化设计， 主要有利用高强度级别的X120钢制造输气管道达到降低管道壁厚以减轻施工及搬 动难度，同时还可大大减低焊材的用量；这些优化设计都能实现节约工程投资和 运行成本的优化设计。输气焊接管道制造工艺流程设计；针对X120管线钢的焊接 工艺进行了模拟焊件实验方案的设计，同时还对X120管线钢的力学性能及焊接性 问题进行了分析。最后再对输气管道施工流程，现场焊接工艺设计，检验及质量 保障措施的确定。 关键字: 输气管道 概念设计 X120 管线钢 焊管制造 焊接工艺 材控专业毕业论文 III Abstract The subject of the main work carried out as follows: West-East gas pipeline design, on the process parameters to optimize the design, mainly using high-pressure gas transmission technology to reduce the pressure of gas stations; gas pipeline optimization design, mainly using high-intensity level of X120 pipeline steel to reduce the pipe wall thickness to reduce the difficulty of construction and moving, which can also greatly reduce the amount of welding materials; the optimal design can achieve economies of investment and operating costs of the optimal design. Gas transmission pipeline welding manufacturing process design; for X120 pipeline steel welding process was simulated welding pieces of the design of experimental programs, but also on the mechanical properties of X120 pipeline steel and welding are analyzed. Finally, on the gas pipeline construction process, on-site welding process design, testing and quality assurance measures to determine. Keywords: Gas Pipeline Conceptual Design X120 pipeline steel Pipe Manufacturing Welding Process 材控专业毕业论文 目录 摘 要 .I ABSTRACT II 1.天然气输气管道概论 .2 2.西气东输管道概念设计 .3 2.1 管输天然气的组成 3 2.2 主要输送工艺参数 3 2.3 输送工艺方案优化 3 2.4 输送工艺参数计算 5 3.管道设计计算 .9 3.1 优选管材 9 3.2 管子壁厚和管子强度等级 9 3.3 钢材的质量 .10 4.螺旋焊管与直焊管的制造工艺概念设计 11 4.1 螺旋焊管制作 .11 4.2 直缝焊管制作 .11 4.3 螺旋焊管与直缝焊管技术特性比较 .12 4.4 分析与总结 .15 5.长输管道的施工工艺流程 16 6.模拟焊件的实验方案 17 6.1X120 钢抗裂性研究 .17 6.2 全焊缝金属拉伸试验 .18 6.3 硬度的测定 .19 6.4 低温冲击韧度的测定及试样断面观察 .19 6.5 焊接接头组织与性能的测定 .20 6.6 X120 焊接线能量的实验方案 20 7.输气管道的现场组焊工艺设计 22 7.1 钢材的选用技术分析 .22 7.2 焊接工艺 .23 7.3 焊接检验 .28 7.4 输气管道的焊接工艺流程图.29 8.检验及质量保障措施的确定 30 8.1 施工质量预控措施 .30 9.总结 31 参考文献 32 致谢 33 附录 1 附录 2 附录 3 附录 4 材控专业毕业论文 2 1 天然气输气管道概论 今后 10 到 15 年，全球总能源消耗将比现在增加 60%左右，其中天然气消耗 将翻一番。天然气需求的增长主要集中在北美、欧洲和经济发展迅速的亚洲，尤 其是中国。从地域上看，用户主要在工业发达的城市地区，而天然气田则大部分 在极地、冰原、荒漠、海洋等偏远地带。因而作为石油和天然气的一种经济、安 全、不间断的长距离输送工具，天然气输送管道在近 40 年得到了巨大的发展， 这种发展势头在未来的几十年中仍将持续下去。预计在今后 10-15 年内，我国共 需各类天然气输送钢管 1000 万吨左右（不含城市燃气管网） 。 天然气输送管道（特别是天然气管道）的总的发展趋势是持续提高钢管的强 度水平，以期最大限度降低管道建设成本和输送成本，输气管道每提高一个强度 等级，其建设成本将降低5%15%。X120级高强度管线钢的发展为天然气生产商 提供了将长距离输气管线总造价降低5%15%的机会,进而可降低向市场输送天然 气的价格。成本降低来源于多个方面,包括材料、施工、(气体)压缩以及与综合 设计方案结合所带来的节约。X80是目前投入天然气管道建设的管线钢的最高等 级。X100和X120管线钢也相继研究成功，正在工业性试验，在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914 mm、壁厚16 mm、1.6 km 长的试验段。 我国已建成的石油天然气输送管道所使用的螺旋焊管，主要是由中国石油天 然气集团公司所属的钢管厂生产的。焊管用的板卷，从上世纪 50 年代到 70 年代 主要采用鞍钢等厂家生产的 A3、16Mn，70 年代后期和 80 年代则采用从日本进口 的 TS 52K（相当于 X52） 。90 年代，塔里木三条天然气管道、鄯乌输气管道、库 鄯输油管道和陕京输气管道的 X52、X60、X65 热轧板卷主要由上海宝钢生产供应。 “西气东输”工程一线采用 X70 钢级，二线采用 X80 钢级，现在上海宝钢能够生 产 X120 级管线钢（目前世界上强度等级最高的管线钢） ，同时宝钢还对 X120 钢 进行了焊接性实验，并解决了其焊接问题。跟上了国外的发展水平。1 至今我国建成并投入运营的天然气输送管道共 3 万多公里，其建设质量关系 到整个天然气管道乃至管网的安全运行，涉及到人民的生命财产安全，属于政府 工程、社会工程。天然气输送管道一旦发生事故，将造成巨大的经济损失和人员 伤亡，严重的环境污染，甚至会影响到我国的能源战略安全。因此，天然气输送 管道的可靠性与安全性对于我们整个社会乃至国家来说都是相当重要的。2 材控专业毕业论文 3 2 西气东输管道概念设计 2.1 管输天然气的组成 天然气是由多种可燃和不可燃的气体的混合气体。以低分子饱和烃类气体为 主，并含有少量非烃类气体。在烃类气体中，甲烷占绝大部分，乙烷，丙烷，丁 烷和戊烷含量不多，庚烷以上烷烃含量极少。非烃类气体一般为硫化氢、二氧化 碳、氮和水汽，以及微量的氦、氩、等稀有气体。其中气田气主要万分是甲烷， 一般占 90%以上。此次毕业设计所采用的天然气成分如下： 表 2-1 天然气组成（%） 成分甲烷乙烷丙烷氮二氧化碳 含量97.50.20.21.60.5 2.2 主要输送工艺参数 天然气管道的输送工艺参数主要是指输气量、输送距离、输气压力、管径和 温度等。其中输气量、输送距离、输气压力和管径四者相互影响，是需要优化的 重要参数3。 输气量：输气管道的输气量按年输气量 200 亿立方米设计。 输气压力：输气压力是管道的最高输气压力，没有压缩机的管道即为管道 起点最高压力，有压缩机时即为压缩机出口压力。 供气压力：输气管道沿线或末端向用户供气，供气合同中要求确定压力， 管输天然气应满足这些压力要求，并以满足这些压力作为管道设计条件。设计年 输气量为 200 亿立方米。 输气温度：天然气在输送过程中，由于与土壤传热和压力降低产生焦汤 效应，温度会降低。天然气在输送过程中的温度是 18 度。 输送距离：一般指管道长度，输气管道设计时，一般气源和用户是先确定， 根据线路走向案，可以确定天然气管道的长度。从天然气管道起点到天然气用户 交气点的管道长度即为输送距离。概念设计输气长度为 2700Km。 2.3 输送工艺方案优化 2.3.1 优化压力等级，确定高压输气 分别对 12MPa 和 16MPa 两种输送压力，1016mm,1118mm,1219mm 和 1400mm 这 四种管径输送方案进行了比选，不管哪种管径，相同输气量下，管道输气压力采 用 16MPa 的方案工程投资低，效益好。 管径输气压力平均壁厚用钢量工程投资 材控专业毕业论文 4 （mm）（MPa）（mm）（104t）（亿元） 1211.5802771016 1615.4107262 1212.7972931118 1616.9130280 根据输气管道水力计算公式，管道的输气能力（管径和长度一定时）与管道 起点压力的平方差基本上成正比关系，即： Q2=K（P12 - P22）D5/L 2-1 由此则有在其它条件相同的条件下，管道平均压力越高，输气能力越大。当 然，管道压力越高，所需要的承压能力越大，即要求管材的机械强度或管道壁厚 越大，引起管道投资增高。在一定范围内，压力增高带来的输气能力增加的好处 更为明显，因而高压输气一般是经济的。 故本设计采用的输气压力为 16MPa，在总体上是可以实现良好的经济效益。 2.3.2 优选管径 表：2-2 设计对四种管径的单位输气量的用钢量（Y）进行了比选 管径（mm）1016111812191400 Y（Kg/ M3）0.1123190.1297500.1384770.170654 计算程序见附件 1。 从制管工艺来看，管径越大技术含量越高，制管难度越大。故选用 1016mm 规格，同时也易于实现国产化。 2.3.3 优选压比 在设计输气量为 200108m3/a 时，当管径（1016mm）确定后，管线设计的压 气站数量与压比有关。为寻求经济合理的布站方案，西气东输管道工程就压缩机 站的设置进行了压比为 1.25、压比为 1.35、压比为 1.451.5 和压比为 1.61.7 四种方案的技术经济比选。 表 2-3 不同压比方案的技术经济指标 压比1.251.351.401.461.61.7 压气站数 （座） 11976 机组配置 （运行+备用） 1+11+11+11+1 投资金额 （亿元） 35.4638.2535.8139.56 由于压气站不仅本身的建设成本高，而且其在运行中的维护费用和压缩机的 材控专业毕业论文 5 消耗都很高，所以选用压比为 1.401.46，需建 7 座压气站。 2.3.4 优化站场布置 表 2-4 压比为 1.401.46 的输送方案压气站技术参数 压气 站名 压缩机流量 （104m3/d） 入口压力 （MPa） 出口压力 （MPa） 压比功率 (MW) 轮南首站583411.4161.4016.45 哈密压气站580011.3161.4118.75 红柳压气站578311.1161.4418.02 玉门压气站576611.2161.4217.58 中卫压气站574911.1161.4418.56 靖边压气部573211.3161.4117.62 郑州分输压气站571511.1161.4316.85 计算程序见附件 2。 2.4 输送工艺参数计算 2.4.1 天然气的平均密度 指在规定状态下，单位体积天然气的质量，符号 ，单位/m3 1kmol 气体质量为 M，体积为 VM，则其密度可以写为： =M/V2-2 混合气体的密度可根据名组分的摩尔分数计算。 = 2-3 yiV yiMi 由上式及上表中的各天然气组分的组成情况有： = （1697.5%）+（300.2%）+（281.6%）+（440.2%） 41.22 1 +（440.5%） = 0.7343（/m3） 。 指在相同的指定压力、温度状态下，天然气的密度与干空气密度的比值，用 符号表示，无量纲。=/a 2-4 式中 天然气的相对密度； 天然气的密度，/m3； a干空气的密度，/m3。 一般所说的天然气的相对密度是指标准状态和工程标准状态的。此外采用工 材控专业毕业论文 6 程标准状态。 工程标准状态 P=1.01325105Pa，T=293.15K（20）时，干空气密度 a=1.206/m3。 由此有=/ =0.7343/1.206 =0.608 即天然气的相对密度为 0.608。 2.4.3 压缩因子 Z 表 2-5 各组分的临界压力 Pci 和临界温度 Tci 见下表 2 3 组分甲烷乙烷丙烷氮二氧化碳 Pci/MPa4.5444.8164.1943.3497.290 Tci/K190.58305.42369.82125.97304.25 计算视临界参数 Tc=Tci yi =(97.5190.58+0.2305.42+0.2369.82+1.6125.97+0.5304.25) /100 =197.2K Pc=Pci yi =(97.54.544+0.24.86+0.24.194+1.63.349+0.57.29)/100 =4.538MPa 计算对比参数 对比压力 Pr=16MPa/4.538=3.35； 对比温度 Tr=278.15/190.7=1.459； 查常用天然气的压缩因子图3，有 Z=0.78。 2.4.4 输气管道的热力及水力计算 首先假设本次设计的输气管道为高差在 200m 以下的输气管道。 年输气量设计为 200108M3，管径设计为 1016mm。 体积流量 Qs=（一年按 350 天计算） 606024350 10200 8 材控专业毕业论文 7 =661.4 M3/s； 质量流量 qm=Qs=0.7343661.4=485.6(kg/s); 热力计算： Tcp=To+（TQ-T0）-Di1- 2- aL e aL 1 aL PP ZQ )1 ( 1 aL e aL 5 T0 管道理深处地温，K； TQ 管道起点处的温度，K； a ； pmc q DK 其中 Qm为气体的质量流量 Kg/s； Cp 为气体的比定压热容 J/(kgK)； 由上即有 a=0.0052 18 . 2 6 . 485 016 . 1 14 . 3 74 . 1 由于 T0 越高，则 Tcp 也越高，由水力计算可知，Tcp 越高输气能力越小，因 此，在进行管道设计时，应按夏季地温 T0=291K 作为水力计算的依据。 T=To+（TQ-T0）-Di1-2-6 aL e aL 1 aL PP ZQ )1 ( 1 aL e aL 计算有 T=291K； 水力摩阻系数 =0.0096 0.2 D 0.03817 输气压力计算 由 Q=C02-7 TLZ DPP ZQ 5 22 由输气量 Qs、 *=0.57、Z=0.78、C0=0.0384、PQ=16MPa、T=291K、L=300KM 和 =0.0096； 计算有 PZ=11.16MPa，同时可得压比为 1.43。 由此即确定了此输气管道的概念设计的主要工艺参数。 天然气管道输送的方式应根据上述的主要输送工艺参数以及下游用户的用气 压力需求来共同确定。天然气压力不能满足输气或用气压力要求时需设置增压装 置来对天然气增压。该方式主要用于管输距离不是很长，而天然气已具有的原始 压力又低于用户用气需求或则直接利用该原始压力输送不能满足用户的需求的情 材控专业毕业论文 8 况下使用3。 利用天然气已具有的原始压力不加压输送一定的距离后，再在管线的中间设 置以满足用户对用气的要求，该方式主要用于天然气压力较高、输送距离较长时 的工程。 经过优化计算决定采用压气站进行加压，输送压力为 16MPa，共建七个压力 站，压比为 1.401.46。 材控专业毕业论文 9 3 管道设计计算 3.1 优选管材 X80、X90、X100、X120 同属于高强度管线钢，其中 X80 在我国的西气东输 工程的二线有应用。其后三种强度等级的管线钢在国内没有应用，在国外也没有， 其中 X120 管线钢于 2004 年在加拿大有一个试验工程，都还没有大量的应用于实 际工程。在本设计中对 X120 进行概念设计，并对 X80 和 X120 进行一个优化比选。 在此主要在同等输气压力的情况下，看两种管线钢的用钢量由此对其做出优 选，表 3-1。 表 3-1：输气管道壁厚优化 钢级壁厚（mm）钢材总量(104t) X8021.90150 X12015.35107 由上表得知，若采用 X80 管线钢，将使焊管的壁厚及钢材总量增加，这些因 素的增加将会造成焊接材料、搬运、施工、检验等等方面的难度及成本增大。故 经此比较后，选择 X120 管线钢做为此设计的管材。这也符合现在输气管道用钢 的发展方向，即高强度等级方向。这样在同等的输气量下，使焊管的壁厚大大减 小，这样会给以上所列的各方面得到优化。从而更加地节省投资。 3.2 管子壁厚和管子强度等级 系统的水压设计师所关心的是根据最少投资和最少运行成本来确定设施民族 教育的最佳化。气体传输管道的壁厚是管子的强度等级、部位和设计压力而变化 的。系统设计师对任何指定部位所所指定的设计压力，不宜小于该部们管道的最 大操作压力（MOP） ，设计师选择的管子壁厚和材料应有足够的强度，足以防止由 于搬运应力、外部作用力、热膨胀和热收缩所引起的变形和损坏。管径选择方案 进行了优化，优化程序见附件 3。 设计压力和壁厚之间的关系：3 P= （CSAZ662-1996） 3-2-1FLJT D St2 式中 P 设计压力； 材控专业毕业论文 10 S 额定最小屈服强度（SMYS） ； t 壁厚； D 外径； F 设计系数=0.8； L 地区类别系数； J 直缝焊接系数 T 温度下降系数； 由查表有 F=0.8、L=0.8、J=1.00、T=1.00；设计输气压力为 16MPa，X120 最 小屈服强度为 827MPa，设计管径 D 为 1016mm。 计算有 t=15.356711mm。 3.3 钢材的质量 对于输气管道，项目的成本中有 50%55%是用于建设这条管道的钢材的质量 （重量） 。因此，仔细地估计所需的钢材用量是非常重要的。下面的公式可用于 计算钢材的质量和成本3。 式中：管道的外径为 D1=1031.36，内径为 D2=1016，管道长度为 L=2700Km， 钢材的密度为 =8.02t/m3，Ws即为钢材的质量。由于 D1- D2=2t（t 是管子的直 径） 故有：Ws =Lt（D2+t） = 3.1427001038.0215.3610-3(1.03136+15.3610-3) = 107 (万吨) 由此公式可知管道的壁厚对钢材的质量（重量）影响很大。因此，对于高压 输气管道，选用高强度等级的管子且管子强度等级愈高，就可以采用管壁较薄的 管子，从而可以大节省，总体上比购买高强度管子所花的钱还要少在。主要是由 于管子的壁厚减小后，可以节省 12%13%（施工、运输、焊接等方面）建设成本。 材控专业毕业论文 11 4 螺旋焊管与直焊管的制造工艺概念设计 4.1 螺旋焊管制作 螺旋焊管：是将低碳碳素结构钢或低合金结构钢钢带按一定的螺旋线的角度 （叫成型角）卷成管坯，然后将管缝焊接起来制成，它可以用较窄的带钢生产大 直径的钢管。螺旋焊管主要用于石油、天然气的输送管线，其规格用外径*壁厚 表示。螺旋焊管有单面焊的和双面焊的，焊管应保证水压试验、焊缝的抗拉强度 和冷弯性能要符合规定。 4.1.1 工艺流程 工艺流程如下： 开卷上卷校平对接焊铣边成型内焊外焊 切管破口后续焊水压试验 4.1.2 质量保证 检验工艺如下： 原材料检验校平检验对接焊检验成型检验内焊检验外 焊检验切管检验超声波检验坡口检验外形尺寸检验X 射线 检验水压试验最终检验。 4.2 直缝焊管制作 国外生产大口径直缝埋弧焊管的成形方法有：UOE 法、CFE 排辊成形法、RBE 辊弯成形法，JCOE 成形法、C 成形法、PFP 逐步折弯成形法等。 经过对资料的分析，在此只重点介绍 PFP 成形法。 PFP 逐步折弯成形法是将端头预弯的钢板在压力机上以较小的步长，较多的 次数逐步对板料进行折弯，最后经钢管合缝焊机成形为圆管。PFP 法因每次压下 量小，故压力机吨位不大，因此投资也较小，该种方法可以成形不同管径，不同 壁厚的焊管，加工的直径可小于 406mm，生产的焊管质量较好，产量适中。 4.2.1 制造工艺分析 PFP 逐步折弯成形与 RBE 辊弯成形法比较，两者的特点大体相同，但 PFP 法 材控专业毕业论文 12 生产的焊管直径可小于 406mm，这一点是 RBE 法所做不到的，PFP 法生产线具有 更强的市场适应能力。PFP 法投资在 65008000 万元左右。PFP 法成型机组比 C 成型法主机机组简单。在我国大口径直缝埋弧焊管设备目前空白的情况下，对于 国内第一条新建机组来说，选择 PFP 成型机更为有利。 4.2.2 PFP 法大口径直缝埋弧焊管生产线工艺 板材超声波探伤铣边预弯成形合缝预焊内焊外焊超声波探伤 X 射线探伤扩径整圆水压试验超声波探伤X 射线探伤平头倒角 磁粉探伤称重测长标记出厂。 大直缝埋弧焊管产品规格： 壁厚：6mm25.4mm；管径：406mm1200mm；长度： 8000mm12000mm；材质：X42X120。 4.3 螺旋焊管与直缝焊管技术特性比较4 4.3.1 材料的冶金性能 直缝埋弧焊管是用钢板生产的，而螺旋焊管是用热轧卷板生产的。热轧带钢 机组轧制工艺具有一系列的优点，具有获得生产优质管线钢的冶金工艺能力。例 如，在输出台架上装有水冷却系统以加速冷却，这就允许使用低合金成分来达到 特殊的强度等级和低温韧性，从而改进钢材的可焊性。但这一系统在钢板生产厂 基本没有。卷板的合金含量(碳当量)往往低于相似等级的钢板，这也提高了螺旋 焊管的可焊性。 更需要说明的是，由于螺旋焊管的卷板轧制方向不是垂直钢管轴线方向(其 夹解取决于钢管的螺旋角)，而直缝钢管的钢板轧制方向垂直于钢管轴线方向， 因而，螺旋焊管材料的抗裂性能优于直缝钢管。 4.3.2 焊接工艺 从焊接工艺而言，螺旋焊管与直缝钢管的焊接方法一致，但直缝焊管不可避 免地会有很多的丁字焊缝，因此存在焊接缺陷的机率也大大提高，而且丁字焊缝 处的焊接残余应力较大，焊缝金属往往处于三向应力状态，增加了产生裂纹的可 能性。 而且，根据埋弧焊的工艺规定，每条焊缝均应有引弧处和熄弧处，但每根直 缝焊管在焊接环缝时，无法达到该条件，由此在熄弧处可能有较多的焊接缺陷。 4.3.3 强度特点 管子在承受内压时，通常在管壁上产生两种主要应力，即径向应力 Y 和轴 向应力 X。焊缝处合成应力 =Y(l/4sin2+cos2)1/2，其中， 为螺旋 焊管焊缝的螺旋角。 材控专业毕业论文 13 螺旋焊管焊缝的螺旋角一般为 50-75 度，因此螺旋焊缝处合成应力是直缝焊 管主应力的 60-85%。在相同工作压力下，同一管径的螺旋焊管比直缝焊管壁厚可 减小。 根据以上特点可知： 螺旋焊管发生爆破时，由于焊缝所受正应力与合成应力比较小，爆破口一 般不会起源于螺旋焊缝处，其安全性比直缝焊管高。 当螺旋焊缝附近存在与之相平行的缺陷时，由于螺旋焊缝受力较小，故其 扩展的危险性不如直焊缝大。 由于径向应力是存在于钢管上的最大应力，所以焊缝处于垂直应力这一方 向时承受最大载荷。即直缝承受的载荷最大，环向焊缝承受的载荷最小，螺旋缝 介于二者之间。 4.3.4 静压爆破强度 经有关对比试验，验证了螺旋焊管与直缝焊管的屈服压力与爆破压力实测值 和理论值基本吻合，偏差接近。但无论是屈服压力还是爆破压力，螺旋焊管均低 于直缝焊管。爆破试验还显示出螺旋焊管爆破口的环向变形率明显大于直缝焊管。 由此证实，螺旋焊管的塑性变形能力优于直缝焊管，爆破口一般只局限于一个螺 距内，这是螺旋焊缝对裂口的扩展起了有力的约束作用所致。 4.3.5 韧性和疲劳强度 管道发展的趋势是大口径、高强度。随着钢管直径的加大、所用钢级的提高， 产生韧性断裂尖稳扩展的趋势越大。根据美国有关研究机构的试验表明，螺旋焊 管与直缝焊管虽然同为一个级别，但螺旋焊管具有较高的冲击韧性。 输送管线由于输量的变化，在实际操作过程中，钢管是承受随机交变载荷的 作用。了解钢管的低循环疲劳强度，对判断管线的使用寿命具有重要的意义。 按测定结果，螺旋焊管的疲劳强度与无缝管和电阻焊管相同，试验的数据与 无缝管和电阻管分布在同一区内，而比一般的埋弧直缝焊管要高。 4.3.6 现场可焊性 现场的可焊性主要是由钢管的材质和端口配合尺寸公差决定的。考虑到钢管 安装施工的要求，钢管加工生产的连续性的和外形几何尺寸的一致性尤为重要。 螺旋焊管的生产是基本上在同一工况条件下稳定的连续流程：而直缝焊管制 作工序是分段的，包括整板/压头/预卷/点焊/焊接/精整/组对等多道工序过程。 这是螺旋焊管生产区别于直缝焊管生产的重要特征。 稳定的生产工况非常便于焊接质量的控制和几何尺寸的保证。由于螺旋焊管 管型规整、焊缝均匀分布，相对于直缝焊管，螺旋钢管有非常好的管口椭圆度和 端面垂直度，保证了现场钢管焊接组对时的组对精度。 材控专业毕业论文 14 4.3.7 对输送介质流动特性的影响 输送管线中的压降和管子的长度、流体粘滞系数、流体速度、流体阻力系数 都成正比，而和管子的内径成反比。而流体阻力系数既与雷诺数有关，又与管子 内壁表面的粗糙度有关。经测定，管子内壁表面的粗糙度所起的影响要比局部隆 起的面积(如螺旋形的焊缝或纵长的焊缝、甚至包括内环形焊缝)所起的影响大十 倍。 4.3.8 生产与管理 螺旋焊缝钢管的生产能体现出优质高效的优势。一台螺旋焊管机组的生产量 相当于 5-8 台直缝焊管设备，如何使多台卷管设备生产线都能够达到同一制作标 准，即按统一的生产工艺规范和质量保证体系生产以满足焊接质量要求与管道制 造等级将是一项繁重的工作。 多头生产势比增加工程管理与质量监督的工程量。多台直缝卷管机组及相应 的焊接设备，其操作人员的操作技能、质量意识、分布的点和控制程序的差异将 带来生产管理、计划进度、检查验收、交付协调等方面的诸多困难，极易造成管 理与协调上的忙乱和生产厂家与施工单位的质量推诿。 直缝焊管生产工艺简单，生产效率高，成本低，发展较快。螺旋焊管的强度 一般比直缝焊管高，能用较窄的坯料生产管径较大的焊管，还可以用同样宽度的 坯料生产管径不同的焊管。但是与相同长度的直缝管相比，焊缝长度增加 30100，而且生产速度较低。 4.3.9 质量保证 按照螺旋焊管生产标准的规定，螺旋焊缝钢管的主要检验/控制项目包括： 外形尺寸：钢管外径、壁厚、椭圆度、弯曲度、管端垂直度、 长度外观质量：焊缝余高、错边、钢管表面、分层、夹杂、焊缝缺陷判定、 化学成分、焊接接头拉伸试验、静水压试验、酸蚀检验、无损检验。 一般螺旋焊管机组均采用在线连续检验方式来保证焊缝的的焊接质量，这是 螺旋焊管生产区别于直缝焊管生产的另一重要特征。连续检验有利于焊接缺陷的 监控、焊接质量的稳定、焊接等级的保证。 由于生产工艺的限制，直缝焊管极难实现连续不间断检验。这将使焊接隐患 与质量问题的出现机率增加，甚至影响将来管线运行的整体工作可靠性。 4.3.10 生产资质 螺旋焊管生产厂家应持有国家颁发的工业产品生产许可证。许可证制度要求 螺旋焊管的生产厂家首先应通过国家认定的权威检定机构的审查考核，具备相应 的生产手段、检验设备，质量保证体系运行良好有效，产品应符合国家标准的等 材控专业毕业论文 15 级和质量规范的要求，经国家工业产品生产许可证办公室确认后发证。所以螺旋 焊管生产厂家均有较为完善的质量保证体系和质量控制的运作程序。 4.3.11 价格分析 由于热轧卷板的材质技术性能和生产技术工艺要求较高，故一方面国内符合 标准的生产厂家比钢板生产厂家要少，另一方面其生产工艺和品质等级决定其市 场价位亦高于热轧钢板。这是螺旋焊管的市场售价高于直缝焊管的主要原因。对 于钢管销售价格的组成，材料价格是主导甚至是决定性因素。 4.4 分析与总结 认真考察螺旋焊管与直缝焊管的上述各方面和其价格差异，螺旋焊管的价位 略高于直缝焊管是由于生产主材的价格差异所致。然而钢管制作仅只是项目工程 的一部份，若考虑到工程整体质量、项目综合造价等因素，螺旋焊管仍具有整体 优势。故选用 X120 的螺旋焊管作为本次设计的输气管道用管。 材控专业毕业论文 16 5 长输管道的施工工艺流程 由于管道输送介质的不同、施工方法的不同、施工地形的不同、施工工艺流 程存在着一定的差异。如长输管道一般地段的施工是先进行管道的组装焊接，后 进行管沟的开挖，而石方地段、山区地段，由于管沟的爆破和管道整体困难等原 因，则是采用先开管沟，后组装焊接的工序。还有输送气体介质的管道，需对管 道进行干燥处理，而输送液体的管道一般不需对管道进行干燥处理。常规长输管 道施工的工艺流程如图 5.1 所示。 No Yes 图 5.1 长输管道施工工艺流程5 工序中，对于管线施工的几个重要环节要严加控制。即管道的防腐质量，管 道的焊接质量，管道的埋深质量，管线的测径和耐压试验质量，这几个环节控制 好了，整个工程质量才有保证，所以管道施工的每一个工序都要认真做好，做到 上道工序为下道工序服务，上道工序为下道工序的顺利施工和质量提供保证。 焊接管道的组装质量，是保证焊接质量的前提。管道组对前，要对管道内进 行清扫，对管端内、外 20mm 范围内及坡口内的油污和锈蚀要清除干净，露出金 属光泽，组对时严格控制管口错边量。管道的组装采用内对口器组对。外对口器 只限于起伏较大，设备不能靠近的山地和管线连头使用。外对口器对口速度慢。 要采用定位焊才能保证焊接质量，没有内对口器，业主和监理也不会允许施工。 施工准备测量放线钢管拉运 组装无损检测 焊缝返修 竣工 布管 焊接外观检查 连头回填 清管试压 补口、补伤管沟开挖 合格否 材控专业毕业论文 17 内对口器的操作人员要对内对口器的操作和使用进行训练，了解其性能和操作要 领。对口器使用前要对胀块进行调整。要使用管道对口的专用内对口器，以保证 其对口的质量和速度。在没有挖沟的地段进行管道组装时，要平等于管沟中心线， 以方便管沟开挖。如果组对的管线沿管沟中心线来回摆动，会影响焊口的质量。 6 6 模拟焊件的实验方案 6.1 X120 钢抗裂性研究 在焊接热循环的作用下，焊缝及 HAZ 金属由于组织、性能发生变化，内应 力作用及扩散氢的影响，就可能发生冷裂纹。本文采用斜 Y 型坡口焊接裂纹试验 方法评价 X120 管线钢常用根焊方法的焊缝及 HAZ 冷裂倾向。采用插销冷裂纹试 验方法考核 X120 管线钢的氢致延迟裂纹敏感性，并对斜 Y 型坡口焊接裂纹试验 的试验结果加以验证7。 首先，应用冷裂纹判据计算公式，分析计算 X120 管线钢的冷裂纹敏感系数 和预热温度，然后结合工程中采用的焊接施工实际情况，设定斜 Y 型坡口焊接裂 纹试验和插销冷裂纹试验的试验温度。 6.1.1 斜 Y 型坡口焊接裂纹试验 试验过程按照斜 Y 型坡口焊接裂纹试验方法的有关规定进行。试件采用 X80 管线钢板，厚度为 18.4mm，坡口加工采用机械切削加工。试样的形状、尺 寸要求如图 6-1 所示。 材控专业毕业论文 18 图 6-1 斜 Y 型坡口焊接裂纹试验试板组焊及取样位置图 首先组对试件，在焊接试验部位双面点固焊保证试件间隙。然后，焊接拘束 焊缝。拘束焊缝的焊接采用 GB/T 5117 E50154.0mm 低氢型焊条。首先从背面 焊第一层，然后再焊接正面一侧的第一层。焊接过程中注意不要产生角变形及未 焊透，后面各层正面和背面交替焊接，直至焊完。最后焊接试验焊缝。试验焊缝 焊接之前应将坡口两侧的飞溅物、油、锈等物质清除干净。焊接时应在坡口外引 弧，收弧也应离开坡口。焊前应采用不同的预热温度对试件进行预热。焊后的试 件经过 48h 以后进行解剖和检测。用放大镜目测检查焊缝表面裂纹，并按式 6-1 计算出表面裂纹率。沿焊缝长度方向均匀截取成 6 段， 试件截取方法如图 6-2 所示。 图 6-2 斜 Y 坡口焊接裂纹试件的断面截取方法 检查 5 个横断面的裂纹情况，并按式（6-2）计算出断面裂纹率。 6-1 式中：Lf 是表面裂纹长度之和（mm） ；L 是试验焊缝长度（mm） 。 6-2 式中Hs 是 5 个断面上裂纹深度之和（mm） ；H 是 5 个断面试验焊缝最小厚度 之和。 6.2 全焊缝金属拉伸试验 试验设备：WAW-600B 型微机控制电液伺服万能试验机 制取试样：样坯从环焊接头 0 点位置平行于焊缝轴线截取，制样可通过火焰 材控专业毕业论文 19 切割的方法切取大块，样坯不展平，采用机械加工去除弧度并按照 GB 228- 2002金属材料室温拉伸试验方法的规定加工成 12.7mm 的拉伸试棒，机械 加工过程中应保证试样的有效拉伸长度部分为焊缝金属，如图 2-7 b）和 c）所 示。按照 GB 228-2002金属材料室温拉伸试验方法的有关要求测定焊缝金属 拉伸试棒的应力-应变曲线，并与 X80 管线钢管的强度进行比较分析。 6.3 硬度的测定 试验设备：HVS-10ZC 布维硬度计 试验条件：载荷 98N，加载持续时间 15s 制取试样：从环焊接头 3 点位置垂直于焊缝轴线截取大块试样，机械加工成 硬度试样。制取试样过程中应避免切割热量对硬度值的影响。 试验过程：分别在焊接接头的上表面、中心和下表面进行硬度的测定，硬度 测试点的分布如图 6-3 所示。 图 6-3 焊接接头硬度测试点分布图 按照 GB/T 4340.1-1999金属维氏硬度试验第一部分：试验方法的有关要 求测定焊接接头的焊缝金属和 HAZ 硬度分布。 6.4 低温冲击韧度的测定及试样断面观察 试验设备：低温槽（介质：无水乙醇；制冷范围：0-40） 、JB-500 型冲 击试验机、JSM6360LV 型扫描电镜 试验温度：0、-10、-20、-30、-40 制取试样：从环焊接头 13 点位置垂直于焊缝轴线截取大块试样，按照 GB 4159-84金属低温夏比（V 型缺口）冲击试验方法标准的有关要求机械加工制 取冲击试样，试样尺寸为 55mm10mm10mm。V 型缺口分别开在焊缝中心和 HAZ 的熔合线上。冲击试样和 HAZ 熔合线上 V 型缺口的位置如图 6-4 所示。制取试样 过程中应避免切割热量的影响。 材控专业毕业论文 20 图 6-4 冲击试样在焊缝金属和 HAZ 的 V 型缺口位置示意图 试验过程：试样用液体介质冷却，保温时间不少于 10min，试样移出冷却介 质至打断的时间不超过 5s，附加过冷温度 2。 按照 GB 4159-84金属低温夏比（V 型缺口）冲击试验方法的有关要求测 定焊缝金属和 HAZ 的冲击韧度，得到焊缝金属和 HAZ 的韧脆转变曲线。并利用 扫描电子显微镜观察低温冲击试样断口形貌，拍摄扫描电镜照片。 6.5 焊接接头组织与性能的测定 焊接接头的组织与性能直接关系到管线的安全运行。因此，在进行管道焊接 施工前，要求进行环焊缝焊接接头的性能评定，以确保按照选择的焊接材料、焊 接方法和工艺措施进行焊接所完成的环焊缝焊接接头能够满足相关标准和设计文 件的规定和要求。环焊缝焊接接头性能评定主要是以 API 1104 的相关试验要求 为基础，并根据管线的设计要求选择进行冲击韧性试验、宏观金相分析、硬度试 验、等补充试验8。 显微组织的观察 取环焊接头试件的立焊位置（3 点位置）制取金相试样，进行光学显微镜和 扫描电子显微镜观察 X120 管线钢管焊缝金属和 HAZ 的显微组织。 光学显微镜观察 试验仪器：XJG-05 金相显微镜。 浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液，浸蚀时间约 15s。 利用光学显微镜观察经抛光、浸蚀后的焊接接头金相试样，观察其显微组织 并拍摄金相照片。 扫描电子显微镜观察 试验仪器：JSM6360LV 扫描电镜。 浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液，浸蚀时间约 15s。 利用扫描电子显微镜观察经抛光、浸蚀后的焊接接头金相试样，观察其显微 组织，并拍摄扫描电镜照片。 材控专业毕业论文 21 6.6 X120 焊接线能量的实验方案9 焊接电流的选择一般可根据焊条直径进行初步选择。此外，还要进一步考虑 板厚、接头形式、焊接位置、施焊环境温度、工件材质和焊条等因素。板厚较大、 施焊环境温度低时，由于导热快，焊接电流要大一些。非平焊位置焊接时，为了 易于控制焊缝成形，焊接电流可小一些。对于重要结构，应先根据试验确定热输 入范围，然后根据允许的热输入量，确定焊接电流范围洲。本试验工作是采用热 模拟的方法对不同焊接线能量的热循环条件下 X120 管线钢粗晶区进行模拟，对 热模拟试验后的试样进行硬度测定、低温冲击韧性试验和金相观察，分析其组织 和性能的变化规律，同时为制定焊接工艺参数提供试验依据。壁厚 15.36mm 的 X120 钢管道对接环缝根部焊道为例，无论环境温度为 0(野外)还是环境温为 25(室内)当焊后的 t8/5在 35S 附近时可以获得以大量的低碳马氏体和少量下贝氏 体组织，从而避免冷裂纹的发生。所以应选择大于 100的预热温度以防止冷裂 纹的产生，实际生产中。预热温度的经验值是在 100150之间，验证了理论 计算的正确性，计算结果为今后生产提供了理论依据。 热模拟试验方案: 本试验选定 5 种线能量 5kJ、12kJ、20kJ、35kJ、50kJ，覆盖了常用焊接方法 的线能量，手工电弧焊、药芯焊丝电弧焊、熔化极气体保护焊的线能量在 515kJ 范围内，制管埋弧焊的线能量一般为 2050kJ。不同的线能量代表不同的焊接工 艺，热模拟的工艺参数也不一样。因此，对应不同的线能量，冷却速度也不一样。 试验材料：试验材料为宝钢生产的 X120 管线钢。 试样制备: 根据本试验所采用的热模拟设备的夹具，从 15.36mm 壁厚的 X120 管线钢上 截取 20 个 50mmx50mmx20mm(试样尺寸)试样，试样表面精度士 0.05nun。在 Gleeble2000 热模拟试验机上模拟焊接热影响区的粗晶区。试验中加热的峰值温 度固定为 1300，加热时间为 5 秒钟，对应不同的线能量，在其它条件相同的情 况下，模拟不同热输入对粗晶区组织和性能的影响。对经历不同热循环后的试样 在光学显微镜上观察其显微组织。冲击韧度试验按照国标 GB415984金属低 温夏比(形缺口)冲击试验方法进行，试验设备为 JB3OO 冲击试验机，试样尺寸 50mmx50mmx20mm。试验温度为20。冲击试样 V 型缺口的位置在中间焊热 电偶处。经过分析找出能达到要求的线能量。 由于实验室没有这些实验仪器及 X120 管线钢等条件，未能进行实验故而不 进行试验结果分析。 材控专业毕业论文 22 7 输气管道的现场组焊工艺设计 7.1 钢材的选用技术分析 7.1.1 X120 钢级管线钢板的性能 化学成分 宝钢生产的 X120 钢级管线钢板的主要化学成分见表 7-1。 表 7-1 X120 管线钢的化学成份（质量分数）%9 力学性能 10 横向拉伸试验 1）钢板的横向拉伸试验结果及性能分析见表 7-2。根据 ISO 31832之规定, 高 于 X90 钢级钢管的屈服强度应采用 RP0.2。由表 4 可以看出,RP0.2 略大于 Rt0.5, 圆棒比横向矩形拉伸试样的屈服强度 RP0.2 低 30 MPa; 伸长率低 10%; 屈强比高 2%; 抗拉强度 Rm 低 15 MPa, 变化不大。 表 7-2 X120 钢级钢板的横向拉伸试验结果 RP0.2/MPaRt0.5/MPaRm/MPaA/%Rpo.2/Rm 9409251 000260.94 表 7-3 宝钢 X120 钢级钢板的横向拉伸性能分析 材控专业毕业论文 23 2）钢板的 DWTT 试验温度为- 30 , 剪切面积最小为 90%, 平均为 95%。 3）夏比冲击试验 表 7-4 钢板的夏比冲击试验结果见表 5 冲击协/J剪切面积/% 最小平均最小平均 温度/ 2002659396-30 4）硬度 钢板的硬度 HV10 最小值为 255, 最大值为 285。 5）晶粒度 钢板的晶粒度优于 12 级。 7.2 焊接工艺 7.2.1 碳当量分析 X120 管线钢的碳当量与其他强度级别较低的管线钢相比，如 X80 管线钢、 X90 管线钢和 X100 管线钢，X120 管线钢含碳量明显下降，碳当量可以粗略的反 映钢材的淬硬倾向和焊接加工的难易，应当对碳当量进行适当的控制。 碳当量计算式： 7-1 1556 CuNiVMoCrSiMn CCE 冷裂纹敏感系数： 7-B VMoNiCuCrMnSi CPcm5 1015602030 2 把表 7-1 中 X120 的成份代入上式计算即得到 X120 的碳当量 CE=0.20，Pcm=0.2 根据国际惯例一般认为碳当量0.45%时，焊接性比较差。由于 X120 管线钢碳含量低淬硬倾向较小焊后一般不需要热处理及其它保温措施。但是 在焊后也可能会出