长输管道焊接技术.docx

长输管道焊接技术.docx

《长输管道焊接技术.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《长输管道焊接技术.docx（34页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

长输管道焊接技术

长输管道焊接技术

一、长输管道焊接技术发展概论

世界上石油、天然气开采的迅猛发展，导致了长管道技术快速发展。

经济发达国家正加速发展管道输送，特别是石油产品及油、气管道输送。

20世纪70、80年代发展长输管道形成高潮。

在经济发展的进程中，像其他发达国家一样，我国管道工业近10年也处于快速发展时期，能源结构以煤为主逐步转向以石油天然气为主，这就促进了快速发展长输管道。

西气东输天然气管道是我国输量最大（年输量120×108m3）、距离最长（3900km）、和管壁最大的一条国家级乃至世界级的天然气管道，在我国管道工业的发展史上具有划时代意义。

也标志着我国长输管道设计制管施工控制与运行等方面提高到了一个新水平，为今后进一步发展成品油长输管道、天然气管道长输打好基础。

高压输送和高密度输送技术是当今国际大流量输气管道技术的发展趋势，可为大型天然气管道项目带来可观的效益，并将对管道设计和钢管制造、管道施工、管道运行等产生巨大影响。

输气管道能耗大于输油管道的能耗，仅以西气东输管道为例，输送压力p＝10MPa，输送线长度4000km，将天然气输送到终点，已有1/10的能耗在沿途消耗掉了，可见高压输送和高密度输送的重要性和必要性。

这就要求发展高强度、高韧性的管线钢。

提高输送压力，适当减薄管壁厚度，可以大大减少一次性投资和运行费用。

1.管材钢级现状与发展趋势

从欧洲钢管公司的供货统计，可以看出近10年来输油管道所用管材以X65钢为多，X60钢次之，X70钢正在逐步增加。

不论是欧洲还是北美，目前X80钢处于试用阶段，还没有大范围在管道上使用的记录，见表1。

表1欧洲钢管公司1991～1999年为输油管道供货统计

钢级

管道数量/道

用钢量/t

点总量/％

钢级

管道数量/道

用钢量/t

点总量/％

X42

15

73723

28.2

X65

4

65280

25.0

X52-56

7

42462

16.2

X70

2

3720

14.2

X60

5

42797

16.3

X80

0

0

0

总计数量33道，用钢量261482t，（管径φ508～1524mm）

（1）国外高钢级管线钢技术的发展

1985年，德国Mannesmann钢管公司研制X80管线钢及直线焊管成功，并铺设了2.4km试验管道。

1993年德国用GRS550钢材（X80）铺设了鲁尔天然气管道，其管1220mm，壁厚18.3mm和19.4mm，全长250km，输送压力10MPa，至今运行正常。

1996年Stalco和Wellend也研制成功X80管线钢和螺旋缝焊管，至1997年加拿大NOVA公司已用X80管线钢铺设了205km管道，大部分用螺旋缝焊管。

加拿大IPSCO公司现在可生产各种规格尺寸的X80钢管，还成功地进行了X90、X100钢管的试生产，其最终目标是要生产各种尺寸的X100钢管。

（2）管线钢钢级的发展史

美国石油学会（API）于1926年发布API5L标准，最初只包括A25、A、B三种钢级，最小屈服值分别为172MPa、207MPa、215MPa。

1947年发布API5LX标准，增加了X42（σs＝289MPa）、X46（σs＝317MPa）、X52（σs＝358MPa），σs均为最小屈服值。

1966年开始，先后发布了X56（σs＝386MPa）、X60（σs＝413MPa）、X65（σs＝448MPa）、X70（σs＝482MPa）。

1972年API发布U80（σs＝551MPa）、U100（σs＝691MPa），以后又将U80改成X80，U100改成X100。

粗略统计，全世界2000年之前，X70用量在40％左右，X65、X60均在30％左右，小口径成品油管线也有相当数量用X52钢级，且多为ERW钢管（电阻焊管）。

（3）X80钢级的应用

国际钢铁巨头积极花巨资，研制X80甚至X100，但时至今日，X80只处于管道试验阶段，总长仅400km左右，原因是对采用X80钢级认识还不尽相同。

有专家认为，随着操作压力提高，准备工作完善，X80将来必定会获得发展，只是时间问题。

我国冶金行业十余年来为发展管线钢付出了极大辛劳，业绩可喜。

目前正在全力攻关X70直缝埋弧焊管，我国制管厂已有能力批量生产

X70螺旋缝焊管。

1998年，在中国石油物资装备总公司的领导下，武汉钢铁公司对X80级管线钢管的开发试制，武钢X80卷板性能满足API5L对X80级管线钢要求，见表2和表3。

表2武钢X80卷板性能

化学成分/％

炉号

卷号

C

Si

Mn

P

S

Ni

Cr

Cu

Nb

WC924459

-1

0.05

0.23

1.37

0.014

0.006

0.14

0.03

0.045

0.040

-2

0.06

0.23

1.36

0.013

0.005

0.137

0.03

0.045

0.040

卷号

V

Ti

Mo

B

Ceq

Pcm

-1

0.014

0.018

0.017

0.0006

0.34

0.15

-2

0.014

0.018

0.018

0.0006

0.35

0.16

表3武钢X80力学性能

炉号

卷号

屈服强度

σs0.5/MPa

抗拉强度

σb/MPa

伸长率

/％

屈强比

冲击功/J

试验温度

/℃

剪切面积

/％

WC924459

-1

639

738

27.6

0.86

110/110/80/100

100

-2

640

741

29.6

0.86

106/120/80/104

-40

100

注：

冲击功（J）：

100、104为平均值。

2.焊接制管工艺（管型）

目前在油气管线上常用的管型有螺旋缝埋弧焊管（SSAW）、直缝埋弧焊管（LSAW）和电阻焊管（ERW），当直径小于或等于152mm时选用无缝钢管。

（1）螺旋埋弧焊管技术

我国早期由前苏联引进的螺旋埋弧焊管技术，随着管道工业的发展，在20世纪60年代末至70年代，我国螺旋焊管厂迅速发展，至今大型螺旋焊管厂已有五六家，加上中小型螺旋焊管厂共有数十家。

我国原油长输管道几乎都是螺旋缝焊管，西气东输的一类地区也选用螺旋缝焊管。

螺旋缝焊管缺点是生产中造成产品缺陷的概率高，内应力大，尺寸精度差，在使用中焊缝处开裂。

前苏联曾大量采用螺旋缝焊管，管道事故率远高于欧美，前苏联解体前数年曾向日本大量进口直缝埋弧焊管机，并建成若干直缝埋弧焊管工厂。

有专家认为，现有螺旋管厂工艺设备认真改造后，其产品质量只要符合管道技术要求，可用于原油管线、输气管线的部分地区。

（2）直缝埋弧焊管技术

德国的有关人士认为，直管在某些使用性能上要优于螺旋缝焊管，其优点是焊缝长度短，钢管成形精度高，推荐在高压输气管道上优先考虑直缝管。

这也和德国主要生产直缝埋弧焊管的现实有密切关系。

实际上，在高压输气管道上使用何种钢管主要取决于钢管应满足管道技术要求，质量上稳定可靠，经济上合理。

加拿大、德国焊管厂对壁厚较大的钢管均采用多丝焊，钢管开X形坡口，最多用5丝焊接。

（3）电阻焊管技术

参阅管道焊接制管。

3.管道钢管规格（管径和长度）

从表4可见，仅IPSCO公司一家已向油气管道提供了208万吨螺旋缝焊钢管，总计10×104km，全部用户均在加拿大和北美地区，近30年来，主要管径为三种规格，即1118mm、1422mm和1219mm，壁厚分别为13.6mm、15.6mm、10.6mm、18.4mm、12.0mm。

表4全球已建成的X80输气管道统计情况

年份

位置

名称

长度/m

管厂

直径/㎜

壁厚/㎜

返修率

1985

德国

MegaLⅡ

3.2

MnSmn

1118

13.6

1986

斯洛伐克

第4输气管道

1.5

MnSmn

1422

15.6

1990

加拿大

NovaExpressEast

2.6

NKK

1219

10.6

1992

德国

RuhrGasProject

250

Europipe

1219

18.4

3％

1994

加拿大

NoraMatehiwian

54

IPSCO

1219

12.0

6％

1995

加拿大

EastAlbostaSysten

33

IPSCO

1219

12.0

1997

加拿大

ComtrcalAlbertsSyateem

91

IPSCO

1219

12.0

1997

加拿大

EastAlbertaSystem

27

IPSCO

1219

12.0

（1）大口径管道管径的选择

目前西方国家所建设的天然气管道最大管径48in（1220mm），前苏联、俄国和伊朗的输气管道最大管径采用过56in（1420mm），若提高输送压力，一般48in（1220mm）以下管径已可满足输气量要求。

直径56～60in（1420～1524mm）的管子多用于输水管道。

我国制管厂家及钢管规格：

宝鸡钢管厂T/S52Kφ630mm×8mm沙市钢管厂X60φ426mm×7mm

胜利钢管厂X65φ529mm×8mm辽阳钢管厂X60φ529mm×8mm

宝山钢铁总厂X70φ529mm×7mm西气东输采用钢管X70φ965mm×1016mm

（2）大口径管道钢管长度的选择

正在建设的Alliance管道长24m，鲁尔天然气管道长18m（X80），欧洲目前建设的管道长均用18m，俄国以前管长一般采用12.7m，目前创建的从西伯利亚到德国的管道采用18m长管道。

二、前苏联长输管道焊接

1.焊前准备及对接口组装

（1）管道对接坡口形式及用途

由制造厂运往管线工地的所有管子都开有手工电弧焊适用的坡口。

图1（a）所示的坡口，适用于管壁厚度4mm的任何直径的管子。

图1（b）所示的复合式坡口，适用于厚度为16mm的大直径管。

图1（c）所示的不带坡口的端面加工的管子，适用于壁厚7.5～11mm，直径529～1020mm的管子。

焊接方法为双面埋弧自动焊。

图1（d）所示的双面埋弧自动焊坡口壁厚大于11～18mm，直径529～820mm。

图1（e）所示的双面埋弧自动焊坡口，适用于直径1020～1420mm，壁厚大于11～21mm。

图1（f）所示的双面埋弧自动焊坡口，适用于直径1020～21420mm，壁厚大于11～21mm的管子。

图1（g）、（h）所示的特殊坡口，适用于CO2保护气体自动焊接管子的非旋转对接。

按“全苏管道干线铺设科学研究所”的工艺焊接时采用图1（g）所示坡口，按“KPOY3”公司的工艺焊接时采用图1（h）所示坡口。

（2）管端清洁

①距管端1000mm以内应特别清洁，不允许有融化的雪、放出的水汽、污泥、脂肪等杂物。

②距管端10～20mm范围内，内外表面及坡口，用角向砂轮机清除铁锈、氧化皮，直到露出金属光泽，若管端有沥清或其他涂料，必须用汽油或特殊溶剂洗掉（部位是至少离管端40～50mm）。

（3）管子对接口的焊前组对工作

①此工序决定焊接的质量，可用对管器（有液压、气动或机械驱动），直径大于或等于529mm的管子，用内对管器；直径小于529mm的管子，用外对管器。

②意大利生产的气动内对管器（ILC814.40），适用于1016～1066mm管径。

在进行根部焊缝或初焊缝焊接时，向管线的两个接口对齐并卡紧。

③组装坡口间隙见表5。

表5管子组对时坡口间隙

焊材类型

直径/㎜

管子壁厚/㎜

＜8

8～10

＞11

手工电弧焊碱性焊条

纤维素药皮焊条

2～3.2

3.2～4.0

21

1.50.5

1.51

1.51

气体保护半自动焊焊丝

1.2～1.6

1.5±0.5

1.51.5

21

气体保护自动焊焊丝

0.8～1.2

00.5

气体保护药芯焊丝

自动焊和半自动焊

1.6～2.0

21

21

21

双面埋弧自动焊焊丝

3～5

01

0.1

0.1

④管子错边量。

组装后管子坡口边缘的错边量不应超过壁厚的20％，手工电弧焊和埋弧自动焊不大于3mm，CO2气体保护焊时不得大于2mm。

当两管子壁厚不等且相差1.5δ时对厚壁管子削斜过渡（标准15°）。

（4）焊前管子对接口的预热及焊接接头热处理

①管道焊接基础知识中可以看出，焊接热循环是最重要的参数，用什么办法控制它呢？

预热是最重要的工艺操作措施之一。

焊接接头的组织和性能在很大程度上决定于工件在800～500℃温度区间的冷却速度。

碳当量大于或等于0.45的低合金钢，会有显著形成冷裂纹淬火组织的危险。

冷却速度与管壁厚度、周围环境温度、风力大小、焊接熔池体积和温度以及焊接线能量（焊接电流、电压、焊接速度）有密切的关系。

对于540MPa的新管材用钢在焊接时必须采取预热措施，焊接线能量q＝IU/υ，焊接速度越高，q越小，这一点在用纤维素型焊条焊接根部焊道时特别重要。

因为用纤维素型焊条焊接时，焊接速度是用碱性焊条焊接时的2倍，并因焊缝金属中氢含量增加而使生成冷裂纹的倾向性增大。

预热可促使氢扩散（当使用纤维素型焊条焊接时），有时预热也要视焊接方法而定，埋弧自动焊用大的线能量进行焊接时，接头的冷却速度足够低，不推荐预热。

②预热方法。

可用外加热器或内加热器实施预热，可以放在已组对的对接口上，也可以安置在准备组对的单根管子的顶端；也可以采用IICK环形火焰加热，见图2（技术参数见表6），也可采用中频感应加热。

表6IICK型预热器技术特性

指标

预热器适用管子直径/㎜

1420

1220

1020

名义热功率/kJ·h-1

967000

883000

707000

名义气体消耗量/m3·h-1

10.5

9.6

7.7

一个对接口气体加热数

2

2

2

喷嘴数目

22

20

16

一个对接口气体消耗量/m3

1.05

0.96

0.77

③热处理。

热处理应尽可能在焊后立刻进行，热处理前禁止经受冲击载荷，热处理总次数不得超过3次，否则接头报废。

管道接头用IITO型电炉，用NiCr-NiAl热电偶控制温度。

当用感应加热器和柔性指状加热器加热时，必须将接口与加热器一起用石棉保温，其总厚度不小于40～50mm，以焊缝为中心，两边各400mm，热处理时采取措施防止变形。

经常需要在没有任何仪器和特别测温笔的情况下粗略地测量温度，可以用松木刨花或者肥皂，接触加热的工件，看刨花或肥皂的变色，判别金属温度，见表7。

表7用刨花和肥皂检查金属加热温度方法

大致温度/℃

慢速擦到金属上去的松木刨花

擦到金属上去的干肥皂

300

5～10s后变黄

350

亮褐色标记

5s后变成褐色

400

褐色

10s后变成黑色

450

暗褐色

5s后变黑，10s后变干枯

500

黑色，5～10s后消失

1s后变黑并干枯

2.管子焊接站的焊接工作

（1）管子焊接站

有半机械化管子焊接站，需要完成管子焊前准备、组对、预热，手工电弧焊根焊，埋弧自动焊填充盖面焊。

也有机械化管子焊接站，设备较齐，加工范围较广。

（2）埋弧自动焊特点

①在熔剂层下燃烧的电弧具有高功率（电流密度比手工电弧焊高3～4倍），电弧功率有效利用系数90％～99％，当手工焊用厚药皮焊条焊接时仅70％～85％，埋弧焊没有金属飞溅，手工焊接时，飞溅损失10％～15％。

管道对接口用埋弧自动焊，管道必须旋转，焊丝、熔剂往电弧处送进以及在焊接过程焊接机头与工件之间相对移动均为机械化，这就提高了生产效率。

埋弧焊的突出优点是焊接接头质量好，熔池受到可靠保护，焊接质量稳定。

同时有害气体比手工焊少，焊工疲劳程度较轻，不受弧光辐射。

②各参数关系。

a.熔深。

决定于一系列焊接规范参数，主要决定于电弧电流。

焊接过程的稳定性越高，焊缝表面鱼鳞纹越细和沿焊缝轴线的熔合线的轮廓越平滑。

b.过热。

电弧功率越高，金属过热越严重，则熔池长度和体积越大。

埋弧焊机操作特性：

焊缝可位于水平面或与水平面成倾角不大于10°的倾斜面。

因此管道干线的埋弧焊只能在平焊或接近平焊位置进行，也就是只能在管道旋转状态下才能进行埋弧自动焊。

这在生产车间、焊接站焊接是合适的。

c.埋弧焊可用交流或直流电焊接，用直流电焊接过程稳定，接头质量较好，因此在前苏联和其他国家，管道对接埋弧焊均采用直流电。

（3）管道对接中应用埋弧自动焊

在半机械化管子焊接站，将单根长12m的管子用流水作业法，将其接长为24m或36m可以大大提高管子铺设速度，焊接管子直径273～1420mm以及2529～1420mm，壁厚8mm，更能充分显示出埋弧自动焊的优越性。

当焊接273～425mm，壁厚小于8mm管段时，在经济上或工艺上不合理。

因而在每一个具体地点——在施工现场与在工厂中实行埋弧自动焊时对比，在工艺和技术上有着很大的区别，制定施工方案时，进行特殊的技术经济论证。

在管子焊接站进行焊接时，典型的特点是：

焊缝根部底层焊道必须用手工电弧焊根焊，焊接坡口中其他几层金属的填充由埋弧自动焊完成（管道必须在滚轮架上旋转）。

（4）根部焊缝用手工电弧焊时的埋弧自动焊工艺

①如图1所示坡口，可在半机械化管子焊接站完成管子旋转对接口的焊接工作，焊缝的根部焊接用手工电弧焊进行。

埋弧自动焊层数取决于管子的壁厚（见表

 8），由管子内部进行焊缝根部封底自动焊规范见表9。

表8埋弧自动焊层数

管子壁厚/㎜

埋弧自动焊层数

管子壁厚/㎜

埋弧自动焊层数

＜16.5

≥2

≥21

≥4

＜20.5

≥3

表9由管子内部进行焊缝根部封底自动焊规范

焊接参数

焊缝根部焊完以后

所有外部焊层全部焊完以后

焊接电流/A

450～500

550～600

电弧电压/V

45～47

45～47

焊接速度/m·h-1

25～28

30～35

焊丝伸出长度/㎜

30

30

沿旋转方向偏离最低点/㎜

30～50

30～50

②当进行管子埋弧自动焊时，焊丝由管子的天顶部位向与管子旋转方向相反的方向移一段距离，以免液态金属和熔融焊剂流失。

对壁厚大于或等于16.5mm，直径1020～1420mm，用低合金高强度钢制造的管子的焊接应保证有足够的熔深，焊缝有余高，并且没有应力集中源。

为此目的由管子内部进行的焊缝根部封底焊可用手工电弧焊，也可用埋弧自动焊。

在用手工封底焊时，接口以普通的间隙组对，在由外面焊完根部焊道后立即进行封底焊。

当封底焊在对接口坡口填满后才进行时，焊口以普通焊口组对，在焊根部焊道后，用自动埋弧焊封底焊，并且仅当焊完盖面焊道后方进行，这样的封底焊缝保证焊缝根部完全熔合，并排除了第一层焊道与根部焊道之间的不熔合。

③焊口在未被封底焊的状态下保持的时间长短十分重要。

若根部焊道焊完后，马上进行封底焊，时间间隔不应大于40min；若在外部各层焊道焊完后实行封底焊，时间间隔不大于1.5h。

④电流极性。

在工业生产中一般埋弧自动焊采用反极性电流（反接极）。

因为工厂中常应用“双面焊和熔剂垫焊”进行焊接，一般不开坡口或开小坡口，力求达到最大熔深，当带有为手工电弧焊开的坡口的管子，采用埋弧自动焊时，可以减小熔深（因为有坡口），加大填充金属，直流正极性焊接能达到此目标。

（其熔深比用反极性电流焊的熔深减小2～3mm）。

极性不同，若要获得同样的熔深，则直流正接要比反接极时提高电流约100A。

⑤夹渣。

夹渣经常产生在根部焊道和第一层填充焊道之间，同时在复杂坡口的条件下，夹渣一般产生在大致相当于管子壁厚中间部位，该处是坡口角度发生变化区域，在此部位的水平线上用直流正极性焊出的焊缝大致比用直流反极性电流焊接得到的焊缝宽1.5倍。

⑥效率。

在用正极性电流焊接时，焊丝的熔化率比用反极性电流焊接时高30％～40％（与特定的焊接材料有关），用同一规范参数焊接时，用正极性电流比用反极性电流熔深要小，而坡口区的填充要多，熔深减小，势必增大焊接电流。

⑦线能量。

焊接接头的性能在很大程度上决定于焊接线能量，若改变焊接速度，改变线能量，焊缝形状会改变。

当用大于50kJ/cm线能量进行焊接时，熔池体积上升，熔渣流失，液体金属流失，破坏电弧燃烧，焊缝成形变坏。

同时可以经常看到熔池激烈沸腾、气孔、夹渣。

线能量小于21kJ/cm时根部焊道与埋弧焊道第一层间出现不熔合危险，产生夹渣、咬边。

现场最佳的焊接规范38～41kJ/cm会有困难，一般在管线现场线能量29～33kJ/cm。

⑧对接焊坡口填充过程的生产率取决于焊接线能量q，若按υ改变q，则对焊接坡口填充时间t没有影响。

焊接过程的效率在电弧线能量不变，同时电流和电压上升条件下，效率也能提高，但是电流上升会引起h上升，并加重根部烧穿危险，在增大电流条件下，可加大焊丝直径，h下降。

因为在此情况下减小了电弧斑点处的电流密度以及输向工件的热流被分散。

见图3。

⑨焊丝直径。

管道埋弧焊对接环缝常用焊丝直径为3mm，可将I增加到800～900A而没有烧穿危险。

υ≥45～50m/h，甚至在同时提高焊接速度的条件下要继续加大电流，实际上是不可能的。

增加焊丝直径可以增加电流负载，但随着直径继续增加，熔化速度变慢，当直径从3mm增加到4mm时，为了达到同样的焊丝熔化速度，必须使I上升至1000～1050A。

当用直径为4mm焊丝时，I上升到

3.双面埋弧自动焊工艺

要提高埋弧自动焊焊接口的效率，可以采用大钝边坡口，减少填充金属体积。

双面埋弧焊在管子焊接站制造管段时，实行机械化和强化焊接规范参数，使焊接效率提高1.5～2倍。

外部焊缝的层数取决于管子壁厚（见表10），各种不同直径管子的双面埋弧自动焊接规范参数见表11。

表10焊缝层数、宽度与管子直径和壁厚的关系

管子直径/㎜

管壁厚度/㎜

焊缝外边、层数

焊缝最后一层宽度/㎜

外部

内部

720

7.5～11.5

1

18±3

18±3

11.5～15

2

20±3

15～17.5

3

20±3

22±4

17.5～22

4①

22±4

820

8～11.5

1

18±3

18±3

11.5～15

2

20±3

1020～1220

10.5～11.5

1

18±3

18±3

11.5～17.5

2

22±4

17.5～21.5

3①

21.5～22

4①

22±4

22～26

5①

24±4

24±4

1420

15.8～20.5

2

22±4

22±4

20.5～22

3

24±4

24±4

22～26

4①

①允许外部焊层减少一些。

表11在БTC管子焊接站管子双面自动焊规范

管子直径

/㎜

壁厚

/㎜

坡口形式

焊层顺序

电弧电流

/A

电弧电压

/V

焊接速度

/m·h-1

焊丝前

倾角度

/（°）≥

焊丝与管子旋转方向相反，偏离天顶距离/㎜

外面焊

720～

820

7.5

见图1（c）

1

550～800

42～46

35～45

30

30～50

1