（机械工程专业论文）htp+x80级钢管施工焊接工艺研究.pdf

中文摘要 中文摘要 本课题对h t px 8 0 级钢管进行了施工焊接工艺研究，主要内容包括： 通过h t px 8 0 级钢管化学成分和力学性能，分析、计算了该钢管的工艺焊接 性和使用焊接性； 根据目前市场上的应用的焊接材料和焊接方法，进行焊接工艺方案设计； 针对焊接工艺方案，通过计算、试验、分析以及工程经验，确定野外焊接施 工初始温度、焊接方向、坡口型式、焊接电流、极性等焊接工艺参数； 根据焊接工艺参数进行实际焊接试验，焊接完成后按照标准进行外观检查和 无损探伤，验证、修正焊接工艺设计的内容； 对外观检查和无损探伤检验合格后的环焊缝进行破坏性试验，包括拉伸试 验、刻槽锤断试验、侧弯试验、低温冲击韧性试验、硬度试验、宏观及微观组织 分析等，评价各项性能指标是否能满足标准要求，对试验结果进行理论分析、比 较和评价。 综合评价了几种焊接工艺，推荐了优良的焊接工艺方案。 本课题研究的成果可直接用于管道工程，为同级别管线建设提供技术数据和 技术支撑。 关键词：h t px 8 0 级钢管施工焊接工艺研究 a b s t r a c t t h es u b e c ti sas t u d yo nw e l d i n gp r o c e d u r e o fh t px s 0p i p e l i n e ， i ti n c l u d e s ：i t h r o u g ht h ec h e m i s t r yc o m p o s i t i o na n d m e c h a n i c sp e r t o m a n c eo t h t px 8 0p i p e l i n e ，i ta n a l y z e da n d c a l c u l a t e di t st e c h n i q u e sw e l d m ga n d e m p l o yw e l d i n g ； a c c o r d i n gt ot h ew e l d i n g m a t e r i a la n dw e l d i n gw a y sf o ra p p l y i n g1 n m a i k e tn o w ji td e s i g n e dt h ep r o j e c tf o rw e l d i n gt e c h n i q u e s ； b e i n gd e a da g a i n s t t h e p r o j e c t f o rw e l d i n gt e c h n i c s ，t h r o u g h c a l c u l a t i n g 、e x a m i n a t i n g 、a n a l y z i n ga n de x p e r i e n c ef o r e n g m e e n n g l c o n f i m e d t h e p a r a m e t e r o f w e l d i n g ， f o re x a m p l e ：t h eo n 9 1 n 砒 t e m p e r a t u r ef o rw e l d i n go u t s i d e 、t h ed i r e c t i o no fw e l d i n g 、t h et y p eo f s l o p i n g 、t h ee l e c t r i c a lc u r r e n t o fw e l d i n g 、t h ep o l a r i t yo fw e l d i n g e t c a c c o r d i n gt ot h ep a r a m e t e ro fw e l d i n g ，e x a m i n a t i o no f w e l d i n gw a s m a d e a f 记rw e l d i n g ，a p p e a r a n c ew a se x a m i n e da n dw e l d i n gl i n e w a s i n s p e c t e dw i t h o u td e s t r o i e d t h ep r o j e c tf o rw e l d i n gt e c m q u e sw a 8 v a l i d a t e da n dm o d i f i e d a f t e rc h e c k e do u t ，d e s t r o i e de x p e r i m e n t a t i o no fw e l d i n g l i n ew a s m a d e i ti n c l u d e st e n s i l et e s t 、g r o o v e dh a m m e r i n g t e s t 、s i d eb e n dt e s t , c h a r p yt e s t 、r i g i d i t y t e s t 、m a c r o s c o p i ca n dm i c r o c o s m i co 唱a n l z m g a n a l v s e i ta p p r a i s e dt h a t a l lt h ec a p a b i r i t yi n d e xw e r es a t l s f l e d w l t h s t a n d a r d so rn o t t h ee x p e r i m e n t a t i o nr e s u l t sw e r ea n a l y z e d i nt h e o r y 、 c o m p a r e da n da p p r a i s e d 一 i t a p p r a i s e d a l lt h ew e l d i n gt e c h n i q u e s i t r e c o m m e n d e dt h e e x c e l l e n tp r o j e c tf o rw e l d i n gt e c h n i c s 一 t h ep r o d u c t i o no fs t u d ym a y b eu s e df o rt h ep i p e l i n ee n g i n e e r l n g i t o f f e r e dt h et e c h n o l o g y d a t aa n ds u p p o r t f o rt h es a m ep 1 p e l l n e e n g i n e e r i n g i k e yw o r d s l h t px 8 0p i p e l i n ew e l d i n gp r o c e d u r es t u d y 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 。 签名日期：潮多 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名越墨墨导师签名： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景 为了经济地将石油和天然气从遥远的油气田输送到使用地区，油气长输管线 的工作压力不断提高。自西气东输管道、西部管道建设以来，我国的石油、天然 气干线工作压力从6 4 m p a 提高到i o m p a ，“十一五”期间将要建设的西气东输 二线等天然气长输干线的可能采用1 2 m p a 或更高的工作压力。 目前，国外陆上天然气管线的工作压力己提高到1 5 m p a 以上，正在建设的墨 西哥湾和北海海底输气管道的工作压力达到2 5 m p a ：已开工的俄罗斯东西伯利亚 一太平洋输油管道最高工作压力达1 4 m p a 。 可见，采用高钢级管线管建造长距离管线有着显著的经济优势，这些优势来 自于管线输送效率的提高和材料成本的下降，钢管直径减小、壁厚减薄，可以降 低材料自身的总重量，并减少焊接材料的消耗。 从我国油气生产和消费结构以及西部大开发战略来看，长距离、大口径、高 压力、耐腐蚀是我国管道发展的必然趋势。1 9 9 5 年x 6 0 管线钢首次应用于陕京 管线，2 0 0 0 年x 7 0 钢在涩宁兰管线上试验，并在西气东输工程的全线应用，我 国x 7 0 钢级( 及以下钢级) 的钢板轧制技术、制管技术及焊接技术已日臻成熟。 近年来，开始了x 8 0 级钢管的应用研究，尤其是拟建的西气东输二线高压天然气 管道，其设计输气量为3 0 0 亿立方米每年，是西气东输一线管道的2 倍以上，其 工作压力、管径和壁厚都有显著提高，采用x 8 0 钢管是比较现实的选择。而新一 代高温轧制工艺( 即h t p ) 的出现，无疑对x 8 0 钢级的应用提供了有力的技术支 撑，并且h t p 工艺生产的高强度管线钢( x 7 0 - - x 1 0 0 ) 已在国际上成功应用。h t p 工艺是通过降低碳含量同时提高铌含量的合金设计，使钢在t m c p ( 即t h e r m o m e c h a n ic a lc o n t r o lp r o c e s s ，称热机械控制处理工艺，亦称控轧控冷工艺) 轧制过程中，利用固溶铌提高奥氏体的再结晶温度，使控制轧制可以在更高的温 度进行，从而降低了轧机的负荷，尤其适合轧机压下力不足的轧机生产高强度钢； 同时由于固溶铌对相变的影响，还有利于促进针状铁素体或低碳贝氏体组织的形 成，从而可以替代或部分替代价格昂贵的钼元素，达到提高强韧性、焊接性和抗 硫化氢应力腐蚀性能的目标。 目前，随着国外开发h t p 钢热潮兴起，我国也开始了对h t p 钢的研发和生产 工作，并已经生产出合格的钢板和大口径钢管。为了h t p 管线钢管早日在长输管 北京t 业大学工程硕士学位论文 道应用，开展h t p 钢管( x 8 0 级) 施工焊接工艺研究势在必行。 1 2国内外发展状况 2 0 0 6 年，南钢研制出c r n b 微合金系无钼成分的x 8 0h t p 热轧钢板，获得 了针状铁素体组织，带状组织为l 级，晶粒度1 1 6 级。巨龙钢管公司采用这种 钢板进行了国内首次x 8 0h t p 直缝埋弧焊管试制，制成的钢管性能全面满足冀宁 联络线x 8 0 级钢管性能要求，证实了h t p 管线钢( x 8 0 级) 用于输气管线的技术 可行性。 h t p 管线钢不仅减少了昂贵的m o 、v 等元素的添加量，显著降低了成本，而 且对钢管的防腐蚀性能、热影响区性能都有好处。但是h t p 管线钢刚刚被国内管 道业主熟悉，并计划在最近建设的一些重要管道上应用。 2 0 0 5 年建成的夏延输气管道是美国首条x 8 0 天然气管道，全长6 1 2 k m ，干 线钢管外径9 1 4 r a m ，壁厚1 1 9 m m ，采用超低碳高铌、以铬代钼和高温轧制的工 艺( h t p ) ，获得了高性能的针状铁素体管线钢，成为新一代高性能低成本管线 钢的范例。美国在夏延管道顺利建成的基础上，又计划建设更大规模的美国“西 气东输管线r o c k i e se x p r e s sp i p e l i n e 。该管线是美国2 0 年来修建的最大输 气管线，采用x 8 0 钢级钢管，管径1 0 6 7 m m ，全长2 1 3 0 k m ，将于2 0 0 7 年开始建设， 第一期工程( 1 1 4 2 k m ) 计划于2 0 0 8 年建成投产，第二、三期工程将在2 0 0 9 年建 成。x 8 0 将逐渐成为陆上天然气高压长输管线的主流钢级。 在国外，更高强度的x 1 0 0 和x 1 2 0 级管线钢已开发出来，并顺利建成了一些 试验段。x 9 0 一- - x 1 2 0 超高强度钢级已列入a p i 和i s o 联合编制的新的管线钢标准， 即将发布。俄罗斯东西伯利亚一太平洋输油管道管线钢管的屈服强度下限大大超 过了a p l 5 lx 8 0 钢级的下限，接近x 9 0 的屈服强度下限，而其抗拉强度下限也大 大超过了a p l 5 lx 8 0 钢级的下限，接近x 9 0 的抗拉强度下限，可视为x 9 0 钢级在 油气管线的首次大规模应用。 1 3 管线钢的合金化 ( 1 ) 碳 早期的管线钢是以抗拉强度为依据来设计的，而强度通常由含碳量获得。由 于焊接作为一种主要生产工艺被引入，焊接性成为对管线钢的最基本要求。同时 由于极地管线和海洋管线的发展，要求不断改善钢的低温韧性、断裂抗力，从而 导致含碳量逐渐降低。实际生产中，管线钢的含碳量远低于a p i 标准所要求的最 大含碳量的规定，通常采用0 1 或更低含碳量的钢来控制，甚至保持在 0 0 1 - 0 0 4 的超低碳水平。微合金化和控轧控冷等技术的发展，使得管线钢在 碳含量降低的同时保持高的强韧性。最新冶炼技术的发展，已经为工业生产超低 碳钢提供了技术与物质条件。 ( 2 ) 锰 2 男1 章绪论 皇曼曼詈皇曼皇皇寰曼鼍皇寡兽毫曼量皇皇寡皇喜曼曼毫曼寡毫i 。i i i = = - = = = i 鼍鼍 减少钢中的含碳量使屈服强度下降可以很容易地通过其它强化机制的应用 予以补偿。其中最常用的是在降碳的同时，以锰代碳。目前m n 作为管线钢中的 主要元素而被采用，这是因为锰的加入引起固熔强化，具有细化作用，同时可改 善相变后的微观组织：研究表明，添加1 0 - 1 5 的m n 使y q 相变温度下降 5 0 c ，其结果使铁素体晶粒尺寸细化，保持多边形铁素体基体。当含锰量提高至 1 5 2 0 时，可进一步降低相变温度，甚至可以获得针状铁素体。锰在提高强 度的同时，还提高钢的韧性，降低钢的韧脆转变温度。由于加大锰含量会加速控 轧钢板的中心偏析，因此一般而言，根据管线钢板厚度和强度的不同要求，钢中 m n 的添加范围一般为1 1 - 2 0 。 ( 3 ) 硅 硅是钢中的有益元素，硅熔于铁素体后有很强的固熔强化作用，显著提高钢 的强度和韧性，经常与锰一起提高钢的强度和韧性，但含量较高时，将使钢的塑 性和韧性下降，但过低时同样对韧性不利，一般硅含量在0 1 0 一0 2 5 ，锰在 o 8 一1 0 时，冲击韧性最佳。单纯依靠锰、硅提高焊缝韧性使有限的，必须加 入其它微合金化元素来改变组织，提高韧性。 ( 4 ) 微合金化元素 。 一般而言，在钢中质量百分比为0 1 左右而对钢的微观组织和性能有显著 或特殊影响的合金元素，称为微合金元素。在管线钢中，主要指n b 、v 、t i 等强 烈碳化物形成元素。微合金元素n b 、v 、t i 在管线钢中的作用与这些元素的碳化 物、氮化物和这些碳、氮化物的溶解和析出行为有关。微合金元素n b 、v 、t i 的 作用之一是阻止奥氏体晶粒的长大，在控轧再热过程中，阻止奥氏体晶粒的粗化 过程。n b 、t i 可明显抑制y 晶粒长大，v 的作用较弱。 n b 、v 、t i 的另一作用是在轧制钢板时延迟y 的再结晶。控轧过程中应变诱 导沉淀析出的微合金碳、氮化物可通过质点钉扎晶界的作用而显著地阻止形变y 的再结晶，从而通过由未再结晶y 发生的相变而获得细小的相变组织。通过试验 证明，n b 具有明显的延迟y 再结晶的作用，t i 次之、v 只有在含量较高时才有 效。 微合金元素n b 、v 、t i 除了上述细化晶粒的作用外，在轧制及轧后连续冷却 过程中，还可通过正确地控制微合金碳氮化物在q 中的沉淀析出过程来达到沉 淀强化的目的。 1 4 研究意义 目前，在我国h t p 钢管( x 8 0 级) 正处在研究、试验阶段，h t p 钢管( x 8 0 级) 焊接工艺研究，使该级别钢管在长输管道的成功应用提供条件。 现在，我国正在建设西气东输二线和多条引进国外天然气的跨国输气管道， 耗钢量将快速增加。仅以西气东输二线使用的主干线钢管为例，根据设计年输气 北京工业大学t 程硕士学位论文 量要求，需要钢管外径1 2 1 9 m m ，设计内压力1 2 m p a ，分别选用x 6 0 ( l 4 1 5 ) 钢 级、x 7 0 ( l 4 8 5 ) 钢级、x 8 0 ( l 5 5 5 ) 钢级的用钢量及费用见表卜1 。 表卜1不同钢级的用钢量及费用 钢级x 6 0x 7 0x 8 0 计算壁厚( r a m ) 2 9 3 7 2 5 1 32 2 1 6 管道长度( k m ) 7 5 0 07 5 0 07 5 0 0 用钢量( t )6 4 6 2 0 7 55 5 4 8 8 7 54 9 0 5 2 2 5 单价( 元吨) 7 5 0 08 2 0 08 8 0 0 费用( 亿元)4 8 4 6 2 64 5 5 0 0 84 3 1 6 6 0 计算说明：按输气管道工程设计规范( g b 5 0 2 5 卜2 0 0 3 ) ，管道壁厚计算 公式为： 6 = p d ( 2 a s q o f t ) 式中：6 一钢管计算壁厚，m m ； p 一设计内压力，i o m p a ； d 一钢管外径，1 2 1 9 m m ： 6 s 一钢管的规定屈服强度最小值； 如一钢管焊缝系数，按输气管道工程设计规范选取1 ： f 一设计系数，暂按二类地区，取0 6 ； t 一钢管的温度折减系数，取1 。 由上表可见，h t p 钢管( x 8 0 级) 在这些管道上成功应用，会产生巨大的经 济效益，同时，对我国冶炼、轧制、制管、管道建设工艺技术和装备能力的提高 都起到巨大的推进作用，缩短与世界先进钢管制造和应用水平的差距，具有重大 的社会效益。 1 5 研究的基本内容 1 、h t p 钢管( x 8 0 级) 的焊接性能分析； 2 、焊接材料的优选； 3 、焊接工艺方案及参数的制定； 4 、环焊接头力学性能试验； 5 、环焊接头金相组织和硬度分析； 6 、确定h t p 钢管( x 8 0 级) 焊接工艺方案。 4 第2 章试验材利选用及焊接t 艺方案设计 第2 章试验材料选用及焊接工艺方案设计 2 1试验选用的钢管 试验采用直缝u o e 钢管( 即直缝双面埋弧焊钢管的一种，直缝双面埋弧焊钢 管按成型工艺的不同，共有u o e 、j c o e 、h m e 、r b e 和p f p 等五种成管方式，以前 两者最为常见) ，管径8 1 3m m ，壁厚1 6 m m 。制管钢板采用h t p 工艺生产，材质 为x 8 0 。钢板和钢管均为国内生产，其化学成分和力学性能，如表2 - 1 、表2 - 2 。 表2 - 1h t px 8 0 级钢管化学成分( w t ) 取样位置 cm n s i p s m o n ic rc u 9 0 。 o 0 61 6 30 2 0 0 0 0 8 0 0 0 2 0 0 0 1 o 3 1 00 2 4 60 2 5 9 ( 管顶) 1 8 0 。 o 0 61 6 3o 2 00 0 0 80 0 0 20 0 0 1o 3 1 30 2 4 50 2 5 8 ( 管底) 标准值 o 2 2 1 8 5 4 07 0 6 8 6 9 0 夏比冲击功是指v 形缺口试样冲断时所消耗的冲击功( j ) ，目前国际上通常 采用冲击吸收功作为冲击韧度的指标，夏比冲击功数数值越大，表明其冲击韧性 越好。从上表可以看出，母材的冲击韧性最好，热影响区次之，焊缝较差。剪切 面积简称为s a ( s h e a ra r e a ) ，试验断口由两部分组成，一部分为解理断裂部分， 另一部分为剪切断裂部分，表中剪切面积数据表示剪切断裂部分所占的比例，该 数值越大，脆性断裂倾向越小。从上表可以看出，剪切面积的剪切断裂部分数值 母材最大，焊缝和热影响区次之；母材的脆性断裂倾向最小，焊缝和热影响区次 之。落锤撕裂试验( d w t t ) 是衡量管线钢管抵抗脆性开裂能力的韧性指标之一，其 方法是将试样放在落锤试验机上砸断，检验断口的纤维撕裂面积，表中数值即表 示纤维撕裂面积的百分数。表中夏比冲击功、剪切面积、落锤撕裂试验、屈服强 度、抗拉强度等各项力学性能均满足a p i5 l 规定值。这也充分说明，钢厂的生 产技术完全满足了管道建设的要求。近2 0 年来，脆性断裂事故在管道上已经绝 迹。 2 2h t p 钢( x 8 0 级) 特点 h t p 钢的合金设计思路及基本冶金原理为：降低碳含量，不仅使钢材获得较 高韧性，又具有良好的焊接性：提高铌含量，由常规的0 0 3 一0 0 5 提高到 0 0 7 - 0 1 0 ，较高的溶质铌可使再结晶停止温度提高到9 8 0 1 0 5 0 ，适合于在 较高的温度区间轧制，细化铁素体，这是“h t p ”的核心技术内容。 2 3h t p 钢管( x 8 0 级) 的焊接性能分析 金属的焊接性是指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程 度。可焊性受焊接材料、焊接方法、构件类型及使用要求等四个方面因素的影响， 它包含工艺焊接性和使用焊接性两方面内容。前者说明该金属材料能不能焊接问 题，后者说明焊接后能不能使用问题。 ( 1 ) 工艺焊接性：工艺焊接性是指在某一焊接工艺条件下，能得到优质焊 接接头的能力。它不是金属材料所固有的性能，可随着新的焊接方法、焊接材料 第2 章试验材料选用及焊接丁艺方案设计 和工艺措施的不断出现及其完善而变化。某些原来不能焊接或不易焊接的金属材 料也会变成能够焊接或易于焊接。如铝及铝合金，若采用焊条电弧焊或气焊时， 难以获得优质焊接接头，此时该类金属的焊接性差，但改用氩弧焊焊接，则焊接 接头质量良好，此时的焊接性好。工艺焊接性可由碳当量法来判定：碳当量是把 钢中合金元素( 包括碳) 含量按其对淬硬、冷裂及脆化等的影响换算成碳的相当 含量。它可作为评定钢材焊接性的一种参考指标，用符号c e q 表示。国际焊接学 会推荐的碳钢和低碳钢适用的碳当量计算公式为： c e q = c + m n 6 + ( c r + m o + v ) 5 + ( n i + c u ) 15 ( ) 式中化学元素的含量均为百分数。c e q 大，则钢的工艺焊接性越差。根据实践经 验，当c e q o 6 时，钢的工艺焊接性较差。从钢管的化学成分可 以看出，h t p 钢管( x 8 0 级) 的c e q = o 4 2 ，该钢管的工艺焊接性属中等。 ( 2 ) 使用焊接性：是指整个焊接接头或整体结构满足技术条件规定的使用 性能的程度，包括力学性能、缺口敏感性及耐腐蚀性能等。 为防止管线的硫化物应力腐蚀破坏，规定管线钢的硬度不大于2 4 8 h v ：同时 限制s 的含量小于0 0 0 2 ，p 的含量小于0 0 2 ，一般碳的含量不大于0 1 ， m n 的含量不大于1 5 0 ，从而提高钢的纯净度，提高成分和组织的均匀性。在 降低s 含量的同时进行c a 处理，通过微合金化与控扎、控冷使晶粒细化，限制 带状组织等。由于h t p 钢( x 8 0 级) 采用了超低碳的成分设计，这类管线钢具有 高的冲击韧性、良好的使用焊接性能及抗h i c ( h y d r o g e n i n d u c e dc r a c k i n g ， 即氢致开裂) 的能力。 2 4 焊接材料 焊接材料的选择是长输管道焊接要考虑的一个重要方面，广义上包括焊条、 焊丝、焊剂和保护气体，狭义上特指焊条和焊丝。 ( 一)焊接材料的选用原则：通常根据目前市场上具有的焊材，选取强度 级别与母材相当或略高于母材的焊接材料，以保证环焊缝强度不低于或略高于母 材强度的基础上，获得较好的焊缝强度。根据管道工程实际，一般管道焊接为多 层焊接，即包括根焊、填充焊和盖面焊。根焊的焊接材料要考虑单面焊接双面成 型好的焊材，强度的选择也可稍低于母材；填充焊的焊接材料要考虑熔敷率高的 焊材，强度的选择一定要高于母材，填充焊是保证焊缝整体强度的重要工序；填 充焊的焊接材料要考虑表面成形良好的焊材，它的选择直接影响焊缝外观。 ( 二) 焊条的选择：长输管道焊接用焊条目前多采用全位置下向焊焊条和 传统的低氢型焊条，全位置下向焊焊条分为两类：一类是高纤维素型焊条，另一 类是铁粉低氢型下向焊条。 1 、高纤维素型的，这种焊条焊接工艺性能好、熔渣量少，并且吹力较大， 7 北京t 业大学t 程5 ! 十学位论文 量篁曼曼曼皇皇! 曼曼皇曼曼皇皇曼曼舅舅曼鲁曼曼曼量量曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼量曼i i 一 。一i 曼曼曼 防止了熔渣和铁水的下淌，而且有较大的熔透能力和较快熔敷速度，在各种位置 单面焊双面成型效果好，适于根焊，根据x 8 0 级钢强度要求，目前有代表性是伯 乐e 9 0 1 0 一g ( 奥地利) 。 该焊条特性与用途：主要用于大直径管道的下向焊的热焊、填充和盖面。 2 、铁粉低氢型下向焊条，该焊条凝固速度快、铁水流动性和浸润性好、全 位置焊时不易下淌、焊后焊缝金属韧性好、抗裂性好，适于各层的下向焊接，根 据x 8 0 级钢强度要求，有代表性的如b o h l e re 1 0 0 1 8 - g ( 奥地利) 、b o h l e re 9 0 1 8 - g ( 奥地利) 。 3 、低氢上向焊焊条，例如k o b e l c ol b - 5 2 u ( 日本) 。主要用于高强度钢焊 接，根焊效果好，韧性好。 ( 三)焊丝的选择：长输管线用焊丝分为实心焊丝和药芯焊丝两种。 1 、实心焊丝 实心焊丝主要有两类：一类用于埋弧焊，另一类用于熔化极活性气体保护焊。 埋弧焊用实心焊丝主要用于管厂生产线焊缝( 螺旋焊缝、直缝) 的焊接，不常用 于管道工程现场施工焊接。 活性气体保护焊用实心焊丝具有良好的焊接工艺性能，适宜于焊接 0s 5 0 0 m p a 的管线钢。例如，执行美国标准a w s5 1 8e r 7 0 s - g 的国内生产的 锦泰j m - 5 8 焊丝等。 2 、药芯焊丝 药芯焊丝按焊接时保护方式的不同可分为气保护药芯焊丝和自保护药芯焊 丝，其中自保护药芯焊丝以其特有的优越性在长输管道中广泛应用，有代表性的 有天津金桥j c 一3 0 焊丝、美国郝伯特h o b a r tf a b s h i e l dx 8 0 ( a w sa 5 2 9 e 8 1 t 8 一n i 2 j ) 焊丝。 药芯焊丝特点：这种焊丝全位置操作性能好，熔敷速度快，同时焊缝金属韧 性好，但焊缝金属在焊态下出现粗大的柱状晶组织，使得其焊缝金属冲击韧性在 焊态与热处理之间，多层焊和单道焊之间有很大的差别。因此采用自保护焊丝焊 接时，应严格控制焊接规范参数、热输入量、焊接道次以及每道焊层的厚度等。 2 5 焊接工艺方案设计 目前国内外长输管道常用焊接方法主要有： ( 1 ) 手工焊，包括药皮焊条电弧焊( s m a w ，s h i e l d e dm e t a la r cw e l d i n g ) 和手工钨极氩弧焊( t i g ，t u n g s t e ni n e r tg a s ) ； ( 2 ) 半自动焊，包括熔化极气体保护半自动焊 包括活性气体保护s t t ( 表 面张力过渡s u r f a c et e n s i o nt r a n s f e r 简称s t tt m ) 半自动焊 、半自动熔化极 氩弧焊( m i g ，m e t a li n e r tg a sa r cw e l d i n g ) 、半自动活性气体保护焊( m a g ，m e t a l a c t i v eg a sw e l d i n g ) 、自保护药芯焊丝电弧焊( f c a w ，f l u x - c o r e da r c 第2 章试验材料选用及焊接工艺方案设计 w e l d i n g ) ： ( 3 ) 自动焊，包括熔化极活性气体保护自动焊( a w ，a u t o m a t i cw e l d i n g ) 、 埋弧自动焊( s a w ，s u b m e r g e d a r cw e l d i n g ) 、电阻焊一闪光对焊( f b w ，f l a s h b u t tw e l d i n g ) 等。 我国在西气东输管道工程后，主要以手工焊、自保护药芯焊丝半自动焊和熔 化极活性气体保护自动焊为主。 2 5 1 半自动焊 长输管道常用半自动焊方法主要有：气体保护半自动焊和自保护药芯焊丝电 弧焊( f c a w ) 。 2 5 1 1 气体保护半自动焊 随着焊接电源特性的改进，通过控制熔滴和电弧形态，气体保护焊的飞溅问 题已基本解决，并开始在管道焊接中扮演重要角色，如s t t 型气体逆变焊机的应 用等。这种焊接方法操作灵活，焊工易于掌握，焊接质量好，焊接效率高，焊道 光滑，但焊接过程受环境风速的影响较大。s t t 半自动根焊要求管口组对过程中 保持对口间隙均匀一致，否则将会在后续的填充、盖面焊道中产生坡口边缘未熔 合、夹渣等缺陷。 2 5 1 2 自保护药芯焊丝半自动焊 该项技术在1 9 9 6 年的库鄯线管道工程中首次应用，随后在苏丹、兰成渝、 涩宁兰等管道工程中推广应用。这种焊接方法操作灵活，环境适应能力强，焊接 熔敷效率高，焊接质量好，焊工易于掌握，焊接合格率高，是目前国内管道工程 中重要的填充、盖面焊方法。 2 5 2 半自动焊焊接工艺方案设计 方案1 ：7 m 一5 8 焊丝( 国产) s t t 半自动根焊+ h o b a r tf a b s h i e l dx 8 0 ( 美 国) 自保护药芯焊丝半自动焊填充、盖面。 方案2 ：j m 一5 8 焊丝( 国产) s t t 半自动根焊+ 天津金桥j c 一3 0 。( 国产) 自保 护药芯焊丝半自动焊填充、盖面。 2 5 3 焊丝熔敷金属化学成分及力学性能 2 5 3 1 锦泰j m - 5 8 焊丝 锦泰j m 一5 8 焊丝熔敷金属化学成分及力学性能见表2 - 3 。 表2 3锦泰j m 一5 8 焊丝熔敷金属化学成分及力学性能 熔敷金属化学成分( ) 锦泰j m 一5 8cm ns ipst ic u o 0 81 6 30 6 9 o 0 1 40 0 0 2 o 1 5 o 1 3 标准值a w sa 5 1 8 标准不做要求 9 北京 二业大学t 程硕十学位论文 e r 7 0 s - g 熔敷金属力学性能 锦泰j m 一5 8 00 2 ( m p a )0b ( m p a ) 6 ( ) i v ( j ，一2 0 ) 5 2 06 1 02 88 09 08 6 标准值a w sa 5 1 8 4 0 04 8 02 22 7 e r 7 0 s - - g 2 5 3 2 天津金桥j c - 3 0 焊丝 天津金桥j c 一3 0 焊丝熔敷金属化学成分及力学性能见表2 - 4 。 表2 4 天津金桥j c 一3 0 焊丝熔敷金属化学成分及力学性能 金桥 熔敷金属化学成分( ) cm ns in ispa 1 j c 一3 0 0 0 5 41 3 60 2 1 1 6 80 0 0 20 0 1 50 9 6 标准值 a w sa 5 2 9 标准不做要求 金桥 熔敷金属力学性能 o0 2 ( m p a )ob ( m p a ) 6 ( ) i v ( j ，一3 0 ) j c 一3 0 5 0 55 9 5 2 5 1 1 0 1 2 51 3 4 标准值 a w sa 5 2 9 标准不做要求 2 5 3 3h o b a r te 8 1 t 8 - n i 2 j 焊丝 h o b a r te 8 1 t 8 一n i 2 j 焊丝熔敷金属化学成分及力学性能见表2 - 5 。 表2 5h o b a r te 8 1 t 8 一n i 2 j 焊丝熔敷金属化学成分及力学性能 熔敷金属化学成分( ) h o b a r tf a b s h i e l d cm npss in ia 1 x 8 0 o 0 61 3 20 0 1 30 0 0 6o 0 62 5 6o 8 8 标准值a w s5 2 91 7 5 - o 1 21 5 00 0 30 0 30 8 0 1 8 e 8 1 t 8 一n i 2 j 2 7 5 熔敷金属力学性能 h o b a r tf | a j 3 s h i e i d 00 2 ( m p a )0b ( m p a ) 6 ( ) i v ( j ，一2 0 ) x 8 0 5 7 86 4 92 51 0 211 1 1 0 8 l o 第2 审试验材料选用及焊接t 艺方案设计 置皇鼍曼曼曼皇曼曼曼曼曼! 皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼皇曼曼曼量曼鼍曼曼i i _- - ie _ i i i i。i i i 皇曼量曼曼曼曼曼曼皇 标准值a w s5 2 9 4 7 0 5 5 5 - 6 9 0 1 9 2 7 e 8 1 t 8 。n i 2 j 从焊丝的化学成分和力学性能可以看出：天津金桥j c 3 0 焊丝的n i 含量为1 6 8 ， 屈服强度为5 0 5m p a ，抗拉强度为5 9 5 m p a ；h o b a r te 8 1 t 8 - n i 2 j 焊丝的n i 含量 为2 5 6 ，屈服强度为5 7 8m p a ，抗拉强度为6 4 9 m p a 。可见，n i 元素有助于提高 丝的强度，含量越大，强度越高。 2 5 4 手工焊焊接工艺方案设计 一般来讲，屈服强度不大于4 1 5 m p a 的输油气管道干线焊接可选择高纤维素 型焊条进行各层焊接；屈服强度大于4 1 5 m p a 输油管道干线焊接可采用高纤维素 型( 或低氢型) 焊条根焊+ 低氢型下向焊条填充、盖面的复合工艺。 手工焊焊接工艺方案设计为： 方案3 - k o b e l c ol b 一5 2 u ( 日本) 焊条根焊+ b o h l e rf o xb v di 0 0 ( 奥地利) 焊条填充、盖面； 方案4 ：k o b e l c ol b 一5 2 u ( 日本) 焊条根焊+ b o h l e rf o xb v d9 0 ( 奥地利) 焊条填充、盖面。 2 5 5 焊条的熔敷金属化学成分及力学性能 。 2 5 5 1k o b e l c ol b - 5 2 u 焊条 k o b e l c ol b 一5 2 u ( 日本) 焊条主要用于低碳钢及5 0 k g f 级高强度钢制造的 船舶，压力容器等焊接，其熔敷金属化学成分及力学性能见表2 - 6 。 表2 6k o b e l c ol b 一5 2 u ( 日本) 焊条的熔敷金属化学成分及力学性能 熔敷金属化学成分( ) 型号 cs im n ps n ic rv l b - 5 2 u 0 0 70 6 10 8 00 0 1 7 0 0 0 7 0 0 1 0 0 30 0 1 标准值( m a x ) o 1 50 7 51 6 00 0 3 50 0 3 5o 3 0o 2 0o 0 8 a w sa 5 1e 7 0 1 6 熔敷金属力学性能 型号l b 一5 2 u 00 2 ( m p a )0b ( m p a ) 6 ( ) i v ( j ) 4 7 05 6 13 0 - 2 9 8 6 标准值( m a x ) 4 0 04 8 02 22 7 a w sa 5 1e 7 0 1 6 2 5 5 2 b o h l e rf o xb v d10 0 ( 奥地利) 焊条 b o h l e rf o xb v d1 0 0 ( 奥地利a w sa 5 5e i 0 0 1 8 - g ) 焊条属碱性药皮下向焊 焊条，适用于高强度钢种x 8 0 填充焊和盖面。低氢含量( h d 5 m l l o o g ) 和下向 焊的低热量输入，有利于细晶粒高抗拉强度钢种管道接头的经济性。这种焊接方 北京工业大学工程硕： 学位论文 式金属熔敷率比上向焊高8 0 一1 0 0 。并有特殊的起弧特性，易于现场操作， 其熔敷金属化学成分及力学性能见表2 7 。 表2 7b o h l e r f o x b v d1 0 0 焊条的熔敷金属化学成分及力学性能 型号 熔敷金属化学成分( ) b o m 。e rf o x b v d cs im n p s n ic u 1 0 0 0 0 7 40 3 41 2 00 0 0 80 0 0 52 3 1o 0 2 标准值a w s0 8 01 0 0 o 5 00 2 0 a 5 5 e 1 0 0 1 8 - g ( m j n ) 应至少有一个元素的满足最低值。 型号 熔敷金属力学性能 b o h l e rf o xb v d00 2 ( m p a )0b ( m p a ) 6 ( )i v ( j ) i v ( j ) 1 0 0 6 2 06 9 0。1 82 0 1 1 0 - 5 0 4 7 标准值a w s 6 0 06 9 01 6 不作规定 a 5 5 e 1 0 0 1 8 - g 2 5 5 3b o h l e re 9 0 1 8 - ( 1 ( 奥地利) 焊条 b o h l e re 9 0 1 8 一g ( 奥地利) 焊条属碱性药皮下向焊焊条，适用于高强度钢 种x 7 0 、x 8 0 ，其优异的焊接金属性能和焊接特性使这种焊条尤其适用于管壁厚 度大于2 0 毫米或有超高缺口冲击韧性要求的应用场合。低氢含量( h d 5 m l l o o g ) 和下向焊的低热量输入，有利于细晶粒高抗拉强度钢种管道接头的经 济性。这种焊接方式金属熔敷率比上向焊高8 0 一1 0 0 。并有特殊的起弧特性， 易于现场操作，其熔敷金属化学成分及力学性能见表2 - 8 。 表2 8b o h l e re 9 0 1 8 - g 焊条的熔敷金属化学成分及力学性能 熔敷金属化学成分( ) 型号 cs im np sn ic u b o h l e rf o xb v d9 0 0 0 4 3o 3 01 2 60 0 0 70 0 0 62 1 80 0 3 标准值a w s o 8 01 0 0 o 5 0o 2 0 a 5 5 e 9 0 1 8 - - g ( m i n ) 肚土少7 同 l 儿系口_ f 网疋取i s 且。 熔敷金属力学性能 型号 00 2 ( m p a )0b ( m p a ) 6 ( ) i v ( j )i v ( j ) b o h l e rf o xb v d9 0 5 5 56 2 02 0 2 0 1 2 0- 4 0 4 7 标准值a w s 5 3 0 6 2 01 7 不作规定 a 5 5 e 9 0 1 8 - - g 从三种焊条的化学成分和力学性能可以看出：k o b e l c ol b - 5 2 u ( 日本) 的 第2 帝试验材科选用及焊接丁艺方案设计 n i 含量为0 0 1 ，屈服强度为4 7 0m p a ，抗拉强度为5 6 1 m p a ；b o h l e re 9 0 1 8 - g 焊条的n i 含量为2 1 8 ，屈服强度为5 5 5 m p a ，抗拉强度为6 2 0 m p a ；b o h l e r e i 0 0 1 8 - g 焊条的n i 含量为2 3 1 ，屈服强度为6 2 0 m p a ，抗拉强度为6 9 0 m p a 。可 见，n i 元素对焊条的强度影响更为明显，随着含量增大，强度增高。 1 3 北京工业大学工程硕十学位论文 第3 章焊接工艺参数 3 1 预热温度的分析及确定 预热的目的是通过减缓母材的应力状态和降低根焊道的冷却速度来防止根 部冷裂纹。管道焊接施工的预热温度范围应考虑母材的强度、组织性能变化规律、 管径和壁厚，以及焊接材料的含氢量等因素。 3 1 1 预热温度的理论计算 低合金高强钢焊接时产生冷裂纹的原因除化学成分外，还有熔敷金属中扩散 氢含量、接头的拘束应力等。通过冷裂纹敏感性指数，可以确定相应预热温度。 目前，此计算公式影响较为广泛，其计算公式如下： t 。= 1 4 4 0 p c 3 9 2 p c - p 一( h ) 6 0 + ( h 6 0 0 ) 其中： p 犷一金元素的裂纹敏感系数 p c m - - c + ( s i 3 0 ) + ( ( m n + c u + c r ) 1 2 0 ) + ( n i 6 0 ) + ( m o 5 ) + ( v i o ) + 5 b ( h ) 扩散氢含量( 一般1 , 、, 5 m l l o o g ) h 板厚( i i l i n ) 考虑施工现场环境因素，选取( h ) = 7 m l l o o g板厚h = 1 6 m m 计算得到：计算结果：t o = 8 8 8 2 3 1 2 斜y 坡口焊接裂纹试验 3 1 2 1 试验方法 试验根据国家标准焊接性试验斜y 型坡口焊接裂纹试验方法( g b 4 6 7 5 1 - 1 9 8 4 ) 进行。 斜y 坡口焊接裂纹