西气东输管道焊接工艺设计.docx

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西气东输管道焊接工艺设计

摘要

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，其次研究了X80管线钢管道现场焊接的工艺方案。

本论文共提出三种焊接工艺方案:

即焊条电弧焊、STT根焊+自保护药芯焊丝半自动焊和全自动焊，并对三种焊接工艺实验结果进行分析，得出全自动焊方案比较适合西气东输现场管道焊接，最后，将自动焊方案运用于现场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管线钢管道焊接施工方案，包括施工准备、运管步管，管道组对，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。

对X80管道焊接有一定的指导意义。

关键词：

　X80管线钢接性接方法焊缝焊接工艺

ABSTRACT

X80pipesteelpipeintheworldisnowtrulyintoconstructionwiththehighestlevelofsteelpipe,thispapercomprehensivelyanalyzedthegaspipelineandthedevelopmentofpipelinesteelX80andweldingtechnologyandapplicationsituation.ThentoX80pipesteelgradeweldabilityanalysis,X80pipelinesteelpipeofthesecondfieldweldingtechnologyprogram，Thispapermade​​atotalofthreeweldingprograms：

SMAW,STTrootwelding+selfshieldedfluxcoredwiresemi-automaticweldingandautomaticwelding,ThreeweldingprocessandanalysisofexperimentalresultsComparisonofautomaticweldingsolutionsobtainedfornaturalgason-sitepipewelding,andfinally,theprogramwillautomaticallybeappliedtoon-siteX80pipelinesteelweldedpipelinegirthwelds。

Absorbandlearnfromtheadvancedtechnologydesignconcept,asetofX80pipelinesteelpipeweldingtheirconstructionplan,Includingtheconstructionpreparation,transporttubesteps,tubesgroup,weldingequipmentselection,weldingmaterialsselection,groovemachining,tooling,applicationsandthedeterminationofweldingparametersandaseriesofwork，Workisalreadyinthisseriesbasedonactualproduction,tobeimproved.X80pipelineweldingonacertainsignificance。

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Keywords:

oilandgaspipeline；weldingX80pipe；weldingmethodofsteelwelded；weldingprocess

附件X80级管道外对口器装配图及零件图

1绪论

1.1西气东输油气管道概述

西气东输天然气管道工程是我国天然气发展战略的重要组成部分，是西部大开发的标志性工程它以新疆塔里木气田为主气源，以长江三角洲为目标市场，以干线管道、重要支线和储气库为主体，连接沿线用户，形成横贯西东的天然气供气系统。

这条管线的建设，将加快新疆地区以及中西部区的经济发展，改善我国能源结构和生态环境。

随着世界各国能源的不断开发与利用，石油及天然气的开采、输送与储存作为国民经济发展:

的重要标志，越来越为世界各国所重视，而且己经成为世界经济发展状况的睛雨表。

作为安全、经济、有效的油气运输手段，长输管道油气输送行业在世界各国都得到了快速发展。

据不完全统计，目前世界油气长输管道建成并投入运营的在200万km以上。

近年来，我国能源的资源分布来看，石油和天然气具有很大的储量。

尤其是天然气近年探明的储量更是急剧上升，国家对天然气的利用也非常重视。

长输管线作为高效、经济、安全、环保的输送方式，己被国家列为重点发展的行业之一。

目前东部地区已经形成了连接油田、港口、石油化厂的输油管网。

最近几年，西部地区的油气管道建设也得到了快速发展，以陕京输气管线、西气东输、涩宁兰、库都线为代表的西部油气管道的建设基本上实现了西部油气外运，西气东送的格局。

随着我国油气资源探明储量的不断增加，成品油及天然气市场需求的不断扩大，我国的石油及天然气管道将进入一个新的建设高潮。

除了已经完工并投入使用的西气东输、陕京输气管线等以外，目前正在建设的管道有陕京二线以及西部管道等。

至今我国建成并入运营的油气长输管道约3万km。

而长输管道的质量关系到整个油气管道的安全运行。

尤其是输气管线，一旦发生破裂事故，将爆管几千米，甚至十几千米，将造成重大经济损失和人员伤亡，且造成重大的环境污染[1]。

1.2X80管线钢的发展与现状

1.2.1国内X80管线钢发展状况

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在我国管道建设的不同阶段，管线钢的发展变化非常迅速。

20世纪50一70年代管线钢主要采用A3钢和16Mn钢，70年代后期和80年代采用从日本进口的TS52K钢（相当于X52级钢）。

90年代，塔里木三条油气管道、都乌输气管道、库都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X52一X70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。

值得注意的是，我国开发应用X65、X70级管线钢的周期都非常短。

1.2.2国外X80管线钢发展状况

随着管道输送压力的不断提高，油气输送钢管也相应迅速向高钢级发展。

20世纪60年代一般采用X52钢级，70年代普遍采用X60-X65钢级，近年来以X70为主。

X80也已开始大量使用。

近十年来，欧洲、北美的长距离、大管径油气管线以X60、X65及x70为主，使用量占到供货总数的90%左右。

到上世纪90年代后期，X70的用量超过X65而成为该时期油气管线建设的主流，而有些著名公司己经开始把X80级管线钢作为油气管线的首选钢级

目前国外XSO管线钢的开发、生产与使用已经有20多年的历史，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、工艺优化等方面积累了经验,X80管线钢已是国际上的成熟钢种。

在今后X80钢级管线钢的应用将更加广泛，

2007年为止，建成的X80级管道项目如表1.1所示[2]

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

MegalⅡ

曼内斯曼

3.2

1117.6

13.6

1986

斯洛伐克

第四输气管道

曼内斯曼

1.5

1422.4

15.6

1990

加拿大

NovaExpressEas

NKK

26

1219.0

10.6

1992

德国

RuhrGas

欧洲钢管

259.5

1219.0

18.3/19.3

1994

加拿大

NovaMatzhiwian

IPSCO

54

1219.0

12.0

1995

加拿大

EastAlbertaSystem

IPSCO

33

1219.0

12.0/16.0

1997

加拿大

CentralAlbertaSystem

IPSCO

91

1219.0

12.0/16.0

1997

英国

EastAlbertaSystem

IPSCO

27

1219.0

12.0

2001

英国

CambridgeM.G

欧洲钢管

47.1

1219.0

14.3/20.6

2002

加拿大

H.SWilloughby

欧洲钢管

42

1219.0

15.1/21.8

2003

英国

CNRLProject

欧洲钢管

12.7

610.0

25.4

2004

加拿大

TranscoProject

欧洲钢管

208

1219.0

14.3

2004

美国

CheyennePlains

IPSCO

608

914

11.74/16.94

2005

中国

西气东输冀宁支线

华北石油管厂

7.9

1016

15.3/18.4

2007

美国

REXX80

IPSCO

1288

1067

15～23

合计

2708.9

1.3X80管线钢的焊接发展现状

由于油气田所处环境大多是地理、气候、地质条件恶劣，社会依托条件较差的地方。

现场焊.接时，焊接位置为管水平固定或倾斜固定对接或其它复杂多变的位置，包括平焊、立焊、仰焊、横焊或全位置等焊接位置。

所以对焊工的操作技术提出了更高、更严的要求。

当今管道工业要求管道有较高的输送压力和较大的管线直径以及站场的复杂性，要保证其安全运行，适应管线钢的高强化、高韧化、管径的大型化和管壁的厚壁化出现了多种焊接方法、焊接材料和焊接工艺。

管线的焊接施工经历了手工焊接、半自动焊接、自动焊接的过程，其发展速度非常之快。

我国钢质管道环缝焊接技术也经历了七十年代的传统焊接方法，低氢型焊条电弧焊上向焊技术，八十年代的焊条电弧焊下向焊技术，为纤维素焊条和低氢型焊条下向焊，和九十年代的自保护药芯焊丝半自动焊技术，到今天的西气东输工程大量地应用全位置自动焊技术。

焊条电弧焊上向焊技术的特点为管口组对间隙较大，焊接过程中采用熄弧操作法完成，每层的焊层厚度较大，焊接技术掌握慢，效率低。

焊条电弧焊下向焊的特点为管口组对间隙小，焊接过程中采用大电流、多层、快速焊的操作方法来完成，焊接速度大大提高了，生产效率较高。

由于每层的焊层厚度较薄，而且后续焊层对前面焊层的热处理作用可提高环焊接头的韧性。

自保护药芯焊丝半自动焊技术是九十年代应用到管道施工中的，主要用来填充和盖面。

其特点为熔敷效率高，全位置成型好，环境适应能力强，焊接技术易于掌握。

随着管道建设钢管强度等级的提高，管径和壁厚的增大，输送压力增大，介质的复杂性，要求焊接质量更加严格，加上自动焊技术成本较以前降低很多，目前管道焊接中，自动焊的应用越来越广泛。

管道自动焊技术由于焊接效率高，劳动强度小，焊接过程受人为因素影响小等优势，在大口径、厚壁管道建设的应用中具有很大潜力。

目前，自动焊根焊工艺主要采用STT半自动焊。

STT半自动焊属于C02气体保护焊，它是通过精确的基值和峰值电流和电压控制，使熔滴过渡更利于成型，焊接过程稳定，解决了飞溅和大口径管道根部焊接单面焊双面成型的难题。

由于西气东输线路工程用钢管的强度等级较高，管径和壁厚较大，所以线路施工以自动焊和半自动焊为主，焊条电弧焊为辅。

其他主要焊接方法还有熔化极气体保护焊网[2][5]。

1.4本课题研究的内容和方法

本课题作为X80钢焊接性课题研究的初始工作，主要目的是研究X80钢焊接工艺，并通过实验验方法进行分析，并用以指导西气东输现场的焊接，选择合适的焊接方法以及改进焊接工艺等。

利用金相显微镜研究了环缝焊接接头的结构、物相成分，并对接头的力学性能和硬度进行了测试与分析。

1.5本课题研究的意义

目前X80管线钢在实际管道工程中应用还不是很广泛，焊接是管道施工的关键环节，管材、焊材、焊接工艺以及焊接设备的选择是影响焊接质量的关键因素。

在研究高强度管线钢的同时，对其焊接性进行研究，必将加快高钢级管线钢的研究开发以及工程应用。

优化焊接设计和工艺参数，减少试验工作量，得到具有良好强韧性的焊接接头。

同时对X80钢的应用，还有许多未知的参数，我们可以通过各种试验分析对焊接接头的组织和性能进行预测，为制定合理的工艺参数提供可靠的数据支持和理论依据。

本课题的研究将有助于完善X80管线钢的焊接性能，实现新钢种的焊接组织、性能预测以及现场焊接工艺制定。

2X80管线钢焊接性分析

2.1管线钢的基本组织特征

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。

2.1.1铁素体—珠光体或少珠光体钢

铁素体-珠光体或少珠光体是管线钢中的一种基本组织形态。

显然这种钢中珠光体是影响强度的一个主要因素，含碳量的增加容易导致珠光体的增大，势必影响到管线钢的焊接性能。

因此，通常利用Nb，Ti和V在铁素体基体上析出弥散分布的不可变形微合金碳氮化物质点，产生沉淀析出强化的特点及细化晶粒等手段大幅度提高铁素体一珠光体或少珠光体管线钢的强度水平。

铁素体-珠光体或少珠光体管线钢的发展趋势是在降低含碳量的同时通过热机械控制加工工艺手段，充分发挥钢中微合金元素晶粒细化和沉淀强化的潜在能力。

近年来，由于掌握了Ni、Ti和V等微合金碳氮化物在热机械控制加工过程中的沉淀析出的动力学规律，这类管线钢取得了许多新进展，已经生产出许多具有较高韧性水平的X70铁素体-珠光体甚至无珠光体管线钢。

2.1.2针状铁素体管线钢

针状铁素体管线钢的最初研究开始于1969年。

当时是以Mn-Nb低碳微合金钢为研究对象，通过添加0.2～0.4%左右的Mo以抑制铁素体和珠光体相变而形成的在透射电镜（TEll）下呈板条或针片状、在光学显微镜下呈非等轴状的显微组织，Y.E.Smith等人在20世纪70年代初赋予其针状铁素体的概念。

它是HSLA钢在连续冷却条件下获得的一种不同于铁素体一珠光体或少珠光体的类贝氏体组织。

相变形成温度略高于上贝氏体，以扩散和切变的混合机制实现相变因而在非等轴铁素体基体中具有高的亚结构和位错密度。

由于相变中只涉及到铁素体，不形成渗碳体，其中只有少量残留奥氏体（部分奥氏体冷却时转变为贝氏体），故该相变产物为铁素体范畴，因而不称为贝氏体。

又由于在TEM下呈板条或针状片条形态，故这类组织称为针状铁素体。

2.1.3铁素体一贝氏体或马氏体管线钢

通过化学成分设计和采取控轧、控冷得到的显微组织是由粒状铁素体、贝氏体和马氏体组成。

粒状贝氏体颗粒度2～3μm。

在粒状铁素体的晶界可以观察到细小M-A组元。

这种细晶组织具有良好的低温韧性[４]。

针状铁素体是现代高性能管线钢在组织结构上的主要特征，X80管线钢就属于针状铁素体管线钢。

其金相如下图所示。

图2.1X80管线钢的组织

通过冶金设计、冶炼工艺、轧制工艺，即采用低碳、微合金成分设计、高纯净化冶炼、钙处理碳化物形态控制、控轧控冷工艺，综合利用固溶强化、细晶强化、微合金元素的析出强化和亚结构强化，从而获得高性能针状铁素体型管线钢。

这种管线钢具有如下基本特点。

这种管线钢化学成分如表2.1所示。

表2.1X80管线钢主要化学成分（wt%）max

元素

C

Mn

P

S

Si

Nb

V

Ti

成分

0.09

1.85

0.022

0.005

0.42

0.08

0.06

0.025

元素

Al

N

Cu

Cr

Mo

Ni

Pcm

Ceq

成分

0.06

0.008

0.30

0.45

0.35

0.50

0.23

0.43

注：

1.V+Nb+Ti≤0.15%。

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。

影响钢材焊接性有许多化学元素，以碳为主要影响，因而可按照碳当量（Ceq）来判别其焊接性的优劣，一般输气用管线钢碳当量Ceq<=5。

X80输气管线钢材也可以用冷裂纹敏感系数Pcm来判别其焊接性，一般Pcm<=0.2，为防止硫化物应力腐蚀破坏，规定管线钢的硬度不大于248HV;同时限制S的含量小于0.004%，P的含量小于0.02%，一般碳的含量不大于0.1%，Mn的含量不大于1.55%，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Ca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。

冷裂纹敏感系数

　　（2.1）

碳当量

（2.2）

根据国际惯例一般认为碳当量>0.45%时，焊接性比较差，X80管线钢管材不同性能要求在不同标准中均有规定，具体规定如表2.2至2.4。

表2.2X80钢线钢的拉伸性能

屈服强度σs/MPa

抗拉强度σb/MPa

屈强比σs/σb

伸长率δmin

min

max

≥625

≤0.92允许其中5%的炉批

≤0.93

按APISpec5L:

2000要求

555

690

表2.3DWTT（锤落撕裂实验）剪切面积最小百分数

实验温度

单个试样最小值

两个试样平均值

-15℃

≥70%

≥85%

注：

DWTT出现异常断口，异常断口按相关标准评定

表2.4冲击韧性要求

夏比冲击端口剪切面积/SA%

夏比冲击功/J

单个试样最小值

三个试样平均值

≥80

≥90

单个试样最小值≥170

三个试样平均值≥220

2.2X80焊接性分析

管线钢的焊接性不仅取决于它的化学成分，而且也取决于特定的焊接工艺条件。

随着管线钢强度级别的提高、合金元素含量的增加以及焊接工艺条件的变化，其焊接性也发生变化。

焊接性通常表现为二个方面的问题：

一是焊接引起的各种缺陷，对管线钢来说主要是焊接气孔和焊接裂纹问题；二是焊接时材料性能的变化，对X80管线钢来说主要是接头脆化问题。

2.2.1焊缝中的气孔

气孔是焊接这类钢时最常见的焊接缺陷之一。

气孔的存在，降低了焊缝的强度、塑性和韧性。

熔焊时，一方面由于焊接熔池处于强烈的过热状态，高温下的液态金属往往溶解了较多的气体（如H2N2）；另一方面，在焊接冶金过程中，由于化学冶金反应也能产生大量的气体（如CO、H2O）。

它在熔池凝固时，来不及逸出，会残留在焊缝金属中成为气孔。

氢气孔的形成是由于在高温时，氢在焊接熔池液态金属和熔滴中的溶解度很高吸收了大量的氢，而当冷却凝固时，氢在金属中溶解度急剧下降，例如从液态变为固态铁时，氢的溶解度可从32mL/100g降为10mL/100g。

因此氢将析出成为气泡，如果焊接池结晶速度很快，氢气泡来不及上浮到熔池表而残留在焊缝中，则成为内部气孔。

氢气主要是在结晶过程中形成的。

在相邻树枝晶凹隐处是氢气孔发生源，它的上浮受到很大但氢的扩散能力强，它一般可以上浮到达焊缝表面，形成旋涡状，喇叭形开口的表面气孔。

2.2.2热裂纹

热裂纹是在焊后冷却的高温阶段所产生的裂纹，代表性的是焊缝金属的结晶裂纹和热影响区中的液化裂纹。

热影响区的液化裂纹常见于S、P含量较高的钢材。

管线钢焊接时，焊接热影响区的液化裂纹很少发生。

这里主要分析管线钢焊缝中的结晶裂纹。

钢中S、P等杂质所形成的共晶体都具有较低的熔点（如FeS+Fe共晶，熔点988℃；Fe3P+Fe共晶，熔点1050℃）。

由于结晶前沿的成分过冷，结晶金属以树枝状成长，这时后结晶的低熔点组元或杂质元素往往被排斥到柱状晶的前沿或相邻柱状晶的交界，形成所谓“液态薄膜”，在冷却收缩应力和附加应力作用下，由于具有低熔点的偏析区不具备足够的塑性进行变形，于是就在柱状晶的前沿焊缝中心部位或柱状晶之间产生裂纹。

因此，产生结晶裂纹的原因是焊缝金属中存在低熔点的液态薄膜和焊缝在结晶过程中受到拉伸应变共同作用的结果。

可以认为，液态薄膜的存在是焊缝产生结晶裂纹的内因，拉伸应变是产生结晶裂纹的必要条件。

2.2.3应力腐蚀裂纹

金属在拉应力和特定的环境介质共同作用下所产生的低应力脆断现象，称为应力腐蚀开裂（StressCorrosionCracking,简写为SCC）。

虽然目前对油、气均进行净化处理，但如果净化处理不善，油、气中硫化氢含量较高或因钢管保护涂层老化等原因而使钢管的外壁与土壤和地下水接触时，就容易在管线钢焊接区产生SCC。

这除了组织和环境因素外，最主要的原因是因为存在较大的焊接残余应力。

管线钢的焊接接头是产生应力腐蚀裂纹的敏感区。

但在具体施工条件下如何控制SCC是一个比较复杂的问题。

它涉及到从结构设计、安装施工到生产管理各个环节，具体可以从以下几个方面考虑：

①结构设计合理选材；避免应力集中等。

②施工制造合理选用焊接材料；合理制定成形、装配焊接工艺；消除应力处理等。

③生产管理介质隔离（涂层、衬里）；电化学防蚀；定期检查，及时修护等。

2.2.4焊接热影响区的性能变化

热影响区的性能变化与所焊钢材的种类、合金系统及焊接工艺条件等都有关系。

管线钢焊接时，热影响区的主要性能变化是脆化问题。

2.2.5冷裂纹

冷裂纹是焊接管线钢时可能出现的一种严重缺陷。

冷裂纹一般是在焊接冷却过程中，马氏体转变温度Ms点附近或更低温度区间内产生的，多发生在100℃以下。

冷裂纹可以在焊后立即出现，也可以经过一段时间（焊后几小时、几天、甚至更长时间）才出现，因而冷裂纹往往具有延迟产生的特征。

大量的生产实践和理论研究表明，钢的淬硬倾向、焊接接头中含氢量及其分布，以及焊接接头的应力状态是管线钢焊接时产生冷裂纹的三大因素。

由于管线钢现场焊接时，易于满足冷裂纹产生的三大条件，因而管线钢焊接冷裂纹主要发生在管线钢现场焊接的接头中。

冷裂纹常起源于焊接接头的粗晶区，这是因为在焊接条件下，此处加热温度高，奥氏体晶粒严重长大，当焊后快速冷却时，易形成粗大的淬硬组织的缘故。

氢是引起管线钢焊接冷裂纹的重要因素之一。

氢在钢中分为两部分：

残余的固