（油气储运工程专业论文）苏丹国mulut盆地原油外输管道工程b1标段焊接施工技术.pdf

t h ew e l d i n gt e c h n o l o g ya b o u tb i db l o fm e l u tb a s i no i ld e v e l o p 饿e tp r o j e c t r e p u b l i co fs u d a n z a n gy a n - j u n ( o i l & g a ss t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o nd e p a r t m e n t ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rz h a n gg u o - z h o n g a b s t r a c t f o rt h ew e l d i n gc h a r a c t e r so fl o n gd i s t a n c ee x p o r tp i p e l i n e ，t h i sa r t i c l em a i l y i n t r o d u c e st h eh i s t o r y ，c o n d i t i o na n dd e v e l o p m e n to ft h ep i p e l i n ew e l d i n g i n d u s t r y ，e s p e c i a l l ym o r ed e t a i l so ft h es p e c i a lc o n s t r u c t i o nc o n d i t i o n si nt h e w o r ks i t ea l o n gt h ep i p e l i n er o u t eo f t h ee x p o r tp i p e l i n e ( c o n s t r a c tb 1 ) o f m e l u t b a s i nd e v e l o p m e n tp r o j e c t i nt h i st h e s i s ，t h ew e l d a b i l i t ya s s e s s m e n tf o rx 7 0 p i p e l i n es t e e lw a ss t u d i e d ，t h ew e l a b i l i t yo fx 7 0p i p e l i n es t e e lw a sa n a l y z e d b a s e do nt h ep r i n c i p l e ，t h es u i t a b l ew e l d i n gp r o c e s sf o rx 7 0p i p e l i n es t e e lw a s d i s c u s s e d t h ef r a c t u r eb yo r b i t a la l l - p o s i t i o na u t o m a t i cw e l d i n gp r o c e s s e sw a s a n a l y z e d ，a n dd r a wt h ec o n c l u t i o nf o rt h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n w i t ht h e r e s e a r c ha b o v e ，i tw a sp u tf o r w a r dt h a tt h em a i np r o b l e mi nt h ew e l d a b i l i t ya n d h o wt oc o n t r o l lw e l d i n gp a r a m e t ei na p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：w e l d i n gt e c k n o l o g yo fl o n gd i s t a n c ee x p o r tp i p e l i n e ，x 7 0 p i p e l i n es t e e l ，w e l d a b i l i t y , p r o c e s sa s s e s s m e n to fw e l d i n g ，o r b i t a la l l p o s i t i o n a u t o m a t i cw e l d i n g ，w e l d i n gp a r a m e t e 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，也不包含为获得石油大学或 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已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 汐6 年 月莎日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件及电子版，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。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 影叩二年 月2 b 日 1 口口绊弓月一，字日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 苹前言 第一章前言 1 1 课题背景 随着经济的高速增长，我国对石油的需求量越来越大，国内石油资源不 能满足经济长期高速增长的要求，我国已经成为除美国外的第二大石油进 口国。伴随着全球新轮的石油战略竞争，国外长输油气管道建设也必将 风起云涌。今后会有越来越多的中国石油企业走出国门，寻找石油、开采 石油、加工石油和运输石油。同时随着我国实施“西气东输”战略步伐的 加快，石油天然气、石油化工工程建设面临着新的发展机遇和挑战，我国 长输管道建设已进入高峰施工期，成品油管道工程和一大批“西气东输” 支线工程和城市管网工程必将很快上马。 从世界范围看，长距离输油管道的发展趋势有以下特点。”2 “： ( 1 ) 建设大口径、高压力的大型管道。当兵它条件基本相同时，随官 径增大，输油成本降低。在油气资源丰富、油源有保证的前提下，建设大 口径管道的效益会更加明显。我国原油管道现有最大管径7 6 2 衄( 甬一沪、 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 宁进口原油管道) ，国外目前输油管道最大管径为1 2 2 0 m m 。我国建设的西气 东输工程的天然气管道直径达到l o l 6 m m ，而国外最大的天然气管道直径达 到1 4 0 0 m m 以上。提高管道工作压力，可以增加输量、增大站间距、减少站 数，从而使投资减少、降低输送油气的成本。 ( 2 ) 采用高强度、韧性及可焊性良好的管材。随着输油管道向大口径、 高压力方向发展，对管材的要求也日益提高。为了减少钢材耗量，要求提 高管材的强度，为了防止断裂事故、保证管道的焊接质量，要求管材有良 好的韧性及可焊性。目前油气管道多采用按a p i 标准划分等级的x 5 6 、x 6 0 、 x 6 5 号钢。7 0 年代以来推出的x 7 0 号钢，其规定屈服限最小值为4 8 2 m p a ， 具有较好的强度、韧性、可焊性综合质量指标，可在低温条件下使用。 ( 3 ) 长输管道施工方法正向着机械化和半机械化方向发展，对施工 速度和焊接质量要求也愈来愈高。并且随着输油管道向沙漠、深海、极地 的永冻土带伸展，在自然条件恶劣的环境中焊接管道会遇到各种技术难题。 随着管线钢强度级别的提高以及焊接工艺条件的变化，会引起各种焊接性 问题。 1 9 4 3 年，人们发现用于管线的碳钢焊接后出现延一脆转变现象；1 9 5 0 年，美国一条直径为7 6 2i e n 的管道在施工加压时发生断裂：1 9 6 0 年，美国 t r a n s w e s t e r n 公司一条直径7 6 2 m m 的输气管线发生断裂，断裂长度为1 3 公里；1 9 6 8 年一1 9 6 9 年非脆性、抗裂材料中出现韧性断裂现象：1 9 7 2 年， 阿拉伯海湾x 6 5 管线发生h i c 破坏。1 9 7 8 年，澳大利亚一加拿大管线发生 应力腐蚀断裂事故“1 。据统计，1 9 7 0 年一1 9 7 5 年间运行着的管线在美国共 发生2 5 4 9 次事故，其中断裂事故占1 3 。我国管道断裂事故也时有发生。 6 0 年代，四川石油局一条1 4 公里长的天然气输送管道在3 9 m p a 内压下仅 1 5 小时就发生沿焊缝三次断裂；1 9 7 4 年，大庆至铁岭复线嫩江段上一段 长2 公里、直径7 2 0 咖、壁厚9 m m 的管线在试压时内压加到4 4 m p a 时全 管发生断裂；1 9 8 6 年，中原油田的直径2 4 5 m m 、壁厚6f i l m 的管线在施工试 压时发生断裂嘲。重大事故的发生促使人们对管线钢的焊接性进行了广泛的 研究，完善和发展了多种焊接性的研究方法。 总之，未来的十几年我国管道工业有着光辉的发展前景，应该做好一 切准备迎接管道工业大发展时期的到来。我国管道工作者必将会在未来的 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 十余年，赶超世界先进水平，使我国的管道工业跨人世界先进行列。 为了提高长输油气管道的施工质量和施工效率，使企业在未来激烈的 国内外竞争中占有优势，更好地为我国的石油战略服务，我们针对在干旱、 半干旱地区有代表性的苏丹国m u l u l t 盆地原油外输管道工程b l 标段的焊 接施工技术进行了分析对比研究，特别是对长输管道的焊接方法及改进措 施进行了大量细致的研究，最终得出了一套完整的焊接施工技术理论来指 导该项目的施工，取得了良好的经济效益和社会效益。 1 2 工程概况 苏丹国m u l u t 盆地原油外输管道工程，该项目南起m u l u t 盆地北至苏 丹港，全长1 3 0 0 多公里，管径为3 2 英寸( 中8 1 3 m m ，壁厚1 1 7 1 - 1 8 9 1 r a m ) ， 线路管材采用a p ix 7 0 螺旋缝埋弧焊钢管，管道设计压力为1 0 m p a 。施工段 涵盏热带雨林、热带草原及沙漠地区。全工程共分线路部分a l 、a 2 、b 1 、 b 2 和场站部分五个标段，分别为a i 标段由c p p e 中石油管道局承包，a 2 标段为s t g 俄罗斯与马来西亚联合体承包，b 2 标段由印度与加拿大的联合 体承包，场站部分由马来西亚与意大利的联合体承包，其中我项目部m s t ( 中石化与马来西亚矿业公司组成的联合体) 承担b l 标段的设计、采办及 施工。该标段包括南起喀土穆北至穆斯马约4 7 9 k m 的管线旌工及三座场站 的两套收发球筒及十四座阀室的安装施工，沿线主要为热带荒漠戈壁，其 中沙漠地段约2 9 0k m ，石方段约1 2 0k m ，穿越河流l 条，季节河1 6 条， 农业用灌溉水渠5 条以及铁路2 处、公路9 处，另有w a d i ( 这个单词在英语 字典中查不到，可能是阿拉伯语，图纸上标有w a d i 的地方在地形地貌上一 般为季节河或长有植被的地段) 5 5 处约3 2k m 。其中a t b a l a 河以北3 5 k m 至m u s m a 红海山区的沙漠段是全线施工最艰难的施工地段，自然环境极其 恶劣，信息沟通也非常困难，社会依托极差。施工期间地表温度最高达7 0 。 施工段方圆1 5 0k m 几乎没有人烟，运送钢管要往返1 9 0 k m ，需1 2 个小时， 一个机组的正常运行，需要2 7 台车来保证；生活用水、吃菜均需从距离很 远的有依托的城市拉运。 该工程是根据我国石油战略需要，中国石油化工集团公司与马来西亚 矿业公司合作承担的第一条长输管道工程，具有一定的政治意义。但该项 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 目对中石化来讲存在四个风险因素： 1 交通苏丹当地的交通运输状况，尤其是北部沙漠地区的运管将成为 一大问题： 2 气候如果在雨季到来时还在施工或者气候异常炎热对工程进度的 影响不容小视； 3 焊接由于钢管的制造和现场铺设完全依靠焊接工艺完成，焊接质量 就在很大程度上决定了工程质量，尤其是裂纹敏感性和热影响区的脆性是 x 7 0 管线钢焊接中应注意的主要问题，x 7 0 管线钢管道现场焊接施工时，如 何在恶劣的自然环境下严格控制焊接的热输入，避免粗大马氏体的出现， 也是施工时所要注意的主要问题； 4 合作方合作伙伴马来西亚m m c 公司没有长输管道设计经验，因经验 的欠缺或者采办供应材料不力都有可能对工期造成重大延误。 1 3 长输管道焊接技术情况简介 在长输管线施工中，焊接工程是极其重要的环节，直接决定着管道的 使用性能和使用寿命。随着我国实施“西气东输”战略步伐的加快，石油 天然气、石油化工工程建设面临着新的发展机遇和挑战，我国长输管道建 设已进入高峰施工期，长输油气管道正向着大口径、高压力输送方向发展， 对焊接质量和施工速度要求也愈来愈高。作为管道施工中的关键环节，先 进的焊接方法被广泛采用必然是一种发展方向。传统的手工电弧焊对焊工 技能要求较高，受环境和焊工条件影响大，焊接质量有较多不确定因素， 而且速度慢，能耗大。作为管道施工中的关键环节，先进的焊接方法被广 泛采用必然是一种发展方向。因而多年来国内多家管道研究机构及施工企 业一直在研究及开发寻找在大口径管道焊接中具有高效率、低成本的熔化 极焊接方法，以提高管道的焊接质量和焊接效率。 目前国内外进行长输管道施焊主要有三种方法：手工焊、半自动焊和 全位置自动焊。手工焊是传统的长输管道施焊方法，现在一般仅用于小管 径、短距离管道的焊接；半自动焊工艺通常采用手工下向焊打底+ 药芯焊 丝自保护半自动焊填充盖面，在西气东输工程中，半自动焊技术已经成为 一种成熟的工艺被广泛采用，中原油田工程建设总公司采用此项技术曾在 齐鲁石化一青岛天然气管道( 中5 0 8 x 6 4x 5 6 ) 建设中创造出单机组1 4 0 道 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 口天的全国施工记录：长输管道全位置自动焊技术这几年在国外得到了一 定的应用，而在国内尚属于摸索尝试阶段。国内科研机构和大专院校一直 在进行管道全位置自动焊技术的研究，也制作出了一些样机，但由于野外 施工环境差、条件复杂，其适应性还有待改善。特别是由于采用自动焊技 术根焊对管道对口质量要求很高，采用手工焊打底速度又太慢，而根焊焊 接( 打底焊) 又是管道焊接的关键所在，所以国内引用长输管道全位置自动 焊技术的安装企业还很少。在西气东输工程中，由管道二公司和三公司小 范围试用过此项技术，效果也不是很好。辽河油田油建二公司曾引进美国 的管道自动焊机，经试用，总结出了母4 2 6 7 m m 、士5 0 0 1 2 r a m 两种工艺参 数，但对其进一步的研究还未进行“1 。而且，由于引进的设备不同，采用的 工艺也不尽相同。在甬一沪、宁进口原油管道工程中，中原油田工程建设 总公司成功应用了s t t i i ( 表面张力过渡技术) 打底+ 混合气体保护全位置 自动焊填充盖面技术。 1 3 1 国内焊接情况简介 1 2 0 世纪7 0 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。 2 2 0 世纪8 0 年代初，我国引进了美欧的手工下向焊工艺，并逐步推 广到大部分施工企业。质量上了一个台阶。当时按焊缝延长米统计质量，x 射线一次合格率达95 以上。该焊接方法已取代了传统手工焊方法。 3 2 0 世纪9 0 年代初，我国又从美国引进了自保护半自动焊设各和工 艺。经过培训，将该工艺于1 9 9 5 年首次在突尼斯工程中应用，在以后的库 一鄯线、鄯一乌线、苏丹工程及涩一宁一兰、兰一成一渝等管道工程中是 主要的焊接方法。其焊接合格率按焊缝口统计，可以达到9 5 以上。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。 其缺点首先是不能进行根焊，需要采用其他的焊接方法进行根焊。目前美 国两家焊材厂家生产的焊丝都不能实现根焊焊接，林肯公司原推出的 n r 一2 0 4 因工艺不过关，厂家建议改用手工下向焊完成根焊。其次是缺陷集 中在夹渣上，这与手工焊根焊无关。另外，操作不当时盖面易出气孔。而 且自保护半自动焊焊材主要依靠进口。中石油管道局从1 9 9 4 年开始试验以 来，一直没有取得成果。据了解，国内有几家焊材研究机构进行了研制， 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 据说辽宁锦泰焊丝有研究成功的焊丝，但在国内外各主要工程中至今未见 国产焊丝的正式产品，在各届焊接展览会上均未见产品。 4 1 9 9 3 年，中石油管道二公司在轮南一库尔勒输油管道上首次应用双 联管焊接方法。双联管焊接方法在以后的陕京输气管道、苏丹管道工程中 部分采用，收到了较好的效果。该焊接方法积累了丰富的经验。 5 2 0 世纪6 0 年代，国际上就开始在管道工程中应用自动焊技术，自 动焊技术适用于大口径、大壁厚管道，大机组流水作业，焊接质量稳定， 操作简便，焊缝外观成型美观。自动焊技术在国内大规模应用是在西气东 输管道工程中，中石化中原油田工程建设总公司在甬一沪、宁进口原油管 道工程中也采取了部分气保护自动焊技术。 在西气东输工程中，管道二公司引进了n o r e a s t 公司自动焊机a w 9 7 一l ： 石油天然气管道科学研究院承担管道局“九五”科研课题全位置自动 外焊机，该项目获中国石油天然气集团公司科研二等奖、中国石油天然气 管道局科研一等奖。这两种焊机已应用到西气东输工程上。其他油建单位 也引进了国外焊机，作了工程前的一系列准备工作。 1 3 2 国外长输管道焊接现状 在国外，科学的发展带动了焊接的技术进步。国际上大直径管道施工 以自动焊接为主，其中最县代表性的管道自动焊设备及工艺，当属美国 c r c e v a n s ，还有俄、乌、前苏联的闪光焊方法，也是应用较多的一种自 动焊方法。此外意大利脚t n r t ，是近两年才开发的新设备，仅应用在法 国两条管道上。其性能还有待于引进后的进一步观察。” 1 美国c r c - - e v a n s 据了解，在应用过程中根焊依然是最根本的问题，当前国外配合自动 焊的根焊方法主要有两神，一是内焊机，二是带铜垫对口器外焊根焊成型。 内焊根焊情况前边已讲述，这里补充说明的一点是由于设备十分复杂， 易出现故障，为保证管道连续作业，不让内焊出现故障而影响整个机组停 工，往往要求内焊机有备用设备，即一个机组备用一台，或两机组备用一 台，同时加强设备现场维修设施、备件及高水平维修人员的配备。备用焊 机是好的方案，但焊机价格较高，成本增加。 带内铜衬垫对口器外根焊成型工艺，已在国外很多管道上应用，尤其是 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 在海洋管道上应用更为广泛。其中a l l i a n c e 管道和其他一些陆地管道也有 较普遍的应用。在国内据说西气东输工程拒绝使用这一工艺的原因在于两 方面，一是渗铜问题，二是内部成型有尖锐金属，对通球扫线有影响。 渗铜是否影响焊缝质量。法国d a s h 公司曾对x 7 0 管道做过一系列 试验，试验管道规格为直径9 1 4 1 9 m m ，试验条件是调整对口间隙加大、缩 小间隙、调整焊接电流、常规电流和增大焊接电流1 5 a 。对不同试件分别进 行加载疲劳试验、常规力学试验、宽板拉伸试验。 试验证明，加大间隙、增加电流，有渗铜现象；减小间隙无渗铜现象。 不渗铜及微量渗铜的焊缝，完全满足设计要求；对于极端工艺，渗铜较严 重的焊缝，轴向加载疲劳试验，未出现从渗铜的焊缝根部发生破坏现象； 宽扳拉伸试验没有因根部渗铜对管子承载能力产生不利影响，瞬间过载试 验失效也不是由根部渗铜引起的，而是由邻近部位塑性变形引起的。 法国试验结果完全证明铜衬垫渗铜问题可以由调整组对间隙和焊接电 流来避免，即使恶劣条件下有渗铜现象，对管道焊缝不存在明显不利因素。 内部成型尖锐金属的处理。铜衬外焊根部成型内部有尖锐金属问 题，客观地讲，如果确实存在，会对通球扫线造成不利影响。事实上只要 设备合理，其铜衬的动作形式、外形尺寸恰当，完全可以避免这一现象发 生。当然，影响内成型不单是设备问题，对管子端部尺寸和形状也应有较 严格要求，如管子端部不整( 主要指的是错口，设备很难弥补这一缺陷而 焊出好的焊道。) 在国内石油天然气管道科学研究院在这一方面做了大量 的工作，包括研究对口设备、调整合理的焊接参数以及错边量的大小等， 通过一系列的研究说明，这一问题可以通过合理的工艺和严格的对口来解 决。 2 前苏联闪光诨 前苏联闪光焊是为乌依连戈到西欧管道走廊直径1 4 2 0 m m 的管道工程 研制的。在2 0 世纪7 0 8 0 年代，开始推广应用闪光焊技术，据介绍该方 法已焊接了万余公里管道。由于种种原因，2 0 世纪9 0 年代后一直没有应用。 不过自1 9 9 5 年以后，俄罗斯又将这一方法提到日程上来，并就该方法完善 了技术规程。2 0 0 0 年7 月，中石油管道局考察团到俄南部克拉斯诺达尔参 观一条输油管道，该管道材质为x 6 5 ，直径1 0 1 6 x1 0 。3 ，采用的自动焊。 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 管道局曾就西气东输工程和巴顿焊接研究所签了意向，如闪光焊工艺能满 足西气东输工程，可订购其设备，但后来西气东输工程中没有采用此方法， 据认为该设备在西气东输工程中应用有两个关键问题，一是焊缝韧性，二 是内部毛刺。 焊缝韧性问题。巴顿所通过对西气东输工程板材试验，焊缝的韧 性不能满足西气东输工程要求单值5 6 j 、平均7 6 j 。其试验结果是：焊态 下两个试件仅为1 6 j 、1 9 j ，通过焊后热处理，分别是4 0 6 j 、6 4 5 j ，但俄 罗斯规范要求焊缝韧性平均值为3 4 4 j ，单值2 9 4 5 j 。该规范乌克兰也在 执行，说明x 7 0 管线在俄罗斯、乌克兰采用闪光焊是可行的。 内部毛刺问题。采用专用设备进行内毛刺处理可以控制到余高高 出母材0 5 m m 以下。由于西气东输工程内减阻涂层的要求，毛刺除去以后， 在向外清理时，会损坏涂层，这一问题，乌、俄均无好的解决办法。 闪光焊的优点是不用焊材、对坡口无要求、焊缝区接头窄。但设备直 径1 0 1 6 m m ，1 8 t 左右，体积庞大，不利搬迁，尤其地形复杂时很难推广。 不过可以应用到没有内涂层、冲击韧性要求低的管道工程中。 3 埋弧焊双联管技术 在西方国家，如中东、俄罗斯已经较普遍应用。在克拉斯诺达尔输油 管道中应用该技术，大大减少了现场工作量。 4 半自动焊方法 虽然美国研究的设备、材料，但是美欧不允许应用，其原因据讲是材 料中含有氟化物，焊接中析出氟，对人体、环保不利。从资料及交流中未 见过其他国家和地区应用。但材料供应信息说明，东南亚、中东以及南美 地区有所应用。 1 4 焊接在长输管道建设中的特点 1 流动性施工对焊接质量的影响。施工作业点随着施工进度而不断迁 移，与工厂产品生产相比，增加了施工管理、质量管理、安全管理等方面 的难度；因焊接作业处于流动状态，对保证质量相对增加了难度。 2 地形地貌对焊接质量的影响。施工单位没有能力选择理想的施工场 地。一条长输管道可能会遇到多种地形，如国内的西气东输工程，自西向 东途经戈壁、沙漠、黄土高原、山区、平原、水网等，地形地貌对焊接有 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 直接影响，这条管线沿途又经过热带森林、草原、荒漠戈壁等等，所以要 因地制宜，选择不同的焊接方法来满足工程的需要。 3 环境对焊接质量的影响。风、雨、温度、湿度等自然环境，与焊接 质量高低有着一定的关系。 4 除现场双联管焊接外，焊接设备、工艺、材料及焊工技能等因素， 对焊接质量有很大影响。 5 人文、社会环境对焊接质量的影响。在人口相对密集地区，由于种 种原因，施工不能连续进行，往往给现场焊接带来困难。由于外界因素干 扰，造成现场留头多，连头数量增加，质量难以保证，也使焊接成本上升。 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章焊接技术的选择 第二章焊接技术的选择 2 1x 7 0 管线钢焊接性分析 分析研究管线钢焊接性的目的，在于查明管线钢在指定的焊接工艺条 件下可能产生的问题及产生问题的原因，以确定焊接工艺的合理性或管线 钢的改进方向。 现代管线工程的发展，不仅要求管线钢本身具有优良的性能( 如强 度、韧性、耐蚀性等) ，而且也要求焊接加工后所形成的焊接接头亦具备 这些基本性能。然而，由于管线钢在焊接加工时要经受加热、熔化、化学 反应、结晶、冷却、固态相变等一系列复杂的过程，这些过程又都是在温 度、成分及应力极不平衡的条件下发生的，所以，可能在焊接区造成缺陷， 或者使管线钢的性能下降而不能满足使用要求。焊接性( w e l d a b i l i t y ) 问 题的提出就是为了从焊接加工的角度分析研究管线钢的某些特定的性能。 2 1 1 焊接性的概念 焊接性就是金属能否适应焊接加工而形成完整的、具备一定使用性能 的焊接接头的特性。金属焊接性的概念包括两方面的内容：一是金属在焊 接加工中是否容易形成缺陷，二是焊成的接头在一定的使用条件下是否具 有可靠运行的能力。也就是说，焊接性不仅包括结合性能，而且也包括结 合后的使用性能。前者称为工艺焊接性，指在一定焊接条件下，获得优质 致密、无缺陷焊接接头的难易程度：后者可称为使用焊接性，指焊接接头 或整体焊接结构满足技术条件所规定的各种使用性能的程度。两者并不一 定是一致的，工艺焊接性满足要求，使用焊接性未必符合技术条件，反之 亦然。因此，不能认为焊接加工时不产生裂纹缺陷就是焊接性好。换言之， 不能把焊接性仅仅理解为是否易于产生裂纹缺陷。 管线钢的焊接性，既与管线钢本身的材质有关，也与焊接工艺条件有 关。管线钢的供货状态及表面状态、焊接材料的选择、接头尺寸形状及其 焊接方法，焊接工艺参数( 焊接电流、电弧电压、焊接速度或线能量等) 、 预热、后热和焊后热处理以及环境条件等均属焊接工艺条件的内容。所有 这些因素发生变化都会影响焊接质量，因而，实践中必须严格控制焊接工 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章焊接技术的选择 艺条件。 2 1 2 目前的焊接性问题 与普通的合金结构钢相比，管线钢冶金要求严格，c 、s 、p 等元素得 到有效控制，因此，焊接时液化裂纹和结晶裂纹倾向很小。在具体的焊接 工艺中应选择低c 、s 、p 含量的焊接材料，并避免在钢管成形焊接和安装 焊接过程中存在较大的成形应力或附加应力。 由于管线钢的焊接施工条件差，管线的服役环境恶劣，所以，管线钢 焊接冷裂纹始终是人们关注的焦点。 传统的焊接理论认为强度级别的提高和合金元素含量的增加是引起 管线钢对冷裂纹敏感的主因。钢的淬硬组织、焊接接头中的扩散氢含量及 其分布、焊接接头的应力状态是产生冷裂纹的三大主要因素。h h a r a s a w a ， t i k o m a j d t n a m i o k a 等对管线钢的淬硬倾向进行了研究，并于1 9 8 6 年试验 研究了预热对几种不同碳当量( c e q = o 3 4 一o 4 4 ) 的管线钢的焊接冷裂纹 的影响。并且指出- j x 5 2 钢多层焊时层间温度控制对冷裂纹倾向的影响趋 势。 1 9 8 0 年，h n a k a s u g i ，h m a t s u d a 等对x 7 0 、x 8 0 、h e 的冲击韧性进行 了实验研究。指出x 7 0 钢焊接的粗晶区存在明显的脆化现象捌。m ”n 1 1 。 近年来，西安石油学院高惠林等对x 6 0 、x 6 5 管线钢焊接粗晶区的韧性 进行了研究，认为焊接热影响区存在粗晶区脆化( c g h a z 脆化) 和多层焊时 粗品区再临界脆化( i r c g h a z 脆化) 两种现象。同时提出粗晶区脆化可能与 m a 组元在焊接时的行为有关“”。 2 1 3x 7 0 管线钢的冷裂纹敏感指数 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。但不同级别、不同产地的管线钢所使用的合金元素、 生产工艺、强化方式、组织构成等都有很大不同。因此，焊接性的评定还 要结合具体钢材进行分析“”。 1 铁素体一珠光体钢这种x 7 0 管线钢的含碳量是所有x 7 0 钢种含碳量 最高的，一般为0 1 0 - 0 2 5 、含锰量为1 3 0 一1 7 0 ，通常采用热轧和正 火处理。通过m n 、s i 、c u 的固溶强化提高材料的强度，在m n 系的基础上加 入微量n b 、v 可以获得x 7 0 的强度级别。其碳当量和冷裂敏感指数较高，分 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章焊接技术的选择 别约为0 3 9 和0 2 1 8 。这种x 7 0 管线钢焊接性较差，韧性低，冷裂敏感性高， 主要原因是含碳量太高。 2 少珠光体钢铁素体一珠光体钢中的珠光体是改变强度的主要因 素，但是每增加1 0 的珠光体，使韧脆转变温度升高2 2 。c 。而要增加珠光 体含量，必然要提高钢中的含碳量，这样势必影响到管线钢的焊接性。因 此，不自皂通过采用增加珠光体的方法来提高管线钢的强度，而应该在降低 含碳量的同时，通过一定的手段，充分发挥钢中微合金元素的晶粒细化和 沉淀强化的潜在能力。 少珠光体钢典型化学成分是m n n b 、m n - v 、m n - n b - v 钢等，一般含碳量 小于0 1 ；v 、n b 、t i 总含量小于0 1 。 少珠光体钢突破了传统铁索体一珠光体钢热轧正火的生产工艺，进入 了微合金化钢控轧的生产阶段( 控制轧制是一种通过细化晶粒而产生强韧 化钢的工艺过程，通过控制轧制可以在成分固定的条件下使材料的性能达 到要求。控制轧制的主要目的在于获得更细的晶粒组织。从而获得良好的 韧性、优良的焊接性和高强度) 。实践证明，现代控轧工艺通过晶粒细化 和n b 、v 第二相的沉淀强化，可使少珠光体钢获得较好的强韧配合。其主 要原因是：t i 、v 、n b 与钢中的c 、n 形成细小弥散的碳氮化合物，这些碳 氮化合物可有效地钉扎奥氏体晶界，阻碍晶粒长大，细化晶粒。 少珠光体x 7 0 管线钢具有较低的含碳量，优良的韧性，同时，其冷裂 敏感指数是目前各类x 7 0 管线钢中最低的，其平均的碳当量约为0 3 6 7 ，平 均的冷裂敏感指数为0 1 7 7 ，具有优良的焊接性。主要原因是采用添加合 金元素的方法，用合金元素替代碳的作用，使钢材在保持低的含碳量的同 时，获得高的屈服强度和低的冷裂敏感性。 3 针状铁索体钢 针状铁素体钢的典型合金体系为c - m n - n b - m o ，一般含碳量小于 0 0 6 9 6 ，在针状铁素体钢的组织中除针状铁索体外一般还含有一定量的多 边形铁素体等其他组织。针状铁素体通过微会金化和控轰4 轧制，综合利用 晶粒细化( 这是即能增加强度又能改善材料冲击韧性的唯一的强化机制) 、 微合金化元素的析出相和位错亚结构的强化效应，可使钢的屈服强度大到 6 5 0 m p a ，一6 0 的冲击韧性达8 0 j 。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章焊接技术的选择 针状铁索体组织的x 7 0 管线钢由于合金元素含量高，所以具有较高的 碳当量，平均约为0 4 4 。但由子其含碳量低，所以韧脆转变温度低，冷裂 敏感指数也比较低，平均约为0 1 8 3 。因此仍然具有优良的焊接性。 4 超低碳贝氏体钢 超低碳贝氏体钢含碳量小于0 0 3 ，是目前含碳量最低的x 7 0 管线钢。 微合金体系一般为m n n b m o - b t i 系。由于m o 、b 的加入。以致存在个形 成完全贝氏体组织的较宽的冷却速度范围。在保证优良的低温韧性和焊接 性的前提下，通过适当提高合金元素的合碳量和迸一步控轧与控冷工艺， 超低碳贝氏体钢的屈服强度可望提高n 7 0 0 一8 0 0 m p a 。 超低碳贝氏体钢碳当量平均为0 2 9 3 ，冷裂敏感指数为0 i 1 2 ，是目前 强韧性和焊接性最为优良的x 7 0 级管线钢，超低碳贝氏体管线钢可用于对 韧性和焊接性要求更严格的场合。 2 1 4x 7 0 管线钢的热裂纹敏感性 热裂纹是在焊接冷却高温阶段产生的裂纹，有代表性的是焊缝金属的 凝固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，因而管线钢的液化裂纹很少发生。在此仅作概要的介绍。 由金属的结晶理论可知，金属在结晶过程中先结晶的是高熔点组元， 后结晶的是低熔点组元，在钢中后结晶的一般是碳和杂质元素硫、磷等。 由于结晶前沿的成分过冷，凝固金属以树枝状成长，这时候结晶的低熔点 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面。焊缝 凝固和冷却是在周围固体金属的约束下进行的，此时由于收缩而受到拉应 力。由于具有低熔点的偏析区不具备足够的塑性迸行变形，于是就在柱状 晶的前沿或柱状晶之间产生裂纹。 结晶裂纹一般表现为沿晶的特征，扩展至焊缝外部的裂纹，常可见金 属氧化色：内部裂纹具有无光泽的灰色表面，有时结晶裂纹也可在熔合线 附近产生。影响管线钢结晶裂纹倾向的主要是焊缝金属的化学成分。促进 结晶裂纹形成的主要元素是s 、p 、c 。 l i n 具有减少结晶裂纹的有利作用。这是因为f e s 与f e 形成的共晶点温 度为9 8 5 ，加入m n ，可以置换f e 形成熔点较高的m n s ，因而有利于减少结 晶裂纹的形成。试验结果表明，对于不同含碳量的钢，抑制热裂纹形成的 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章焊接技术的选择 s 、m n 含量是不同的。对确定的s 、m n 含量，含碳量高的钢结晶裂纹的敏感 性大：对确定的含碳量，高s 、低m n 成分的钢的裂纹敏感性大。 为进步防止结晶裂纹的产生，可采用稀土、v 、t i 、z n 等微合金元 素。如前所述，由于这些元素具有脱硫和改变硫化物形态的作用，因而他 们的加入可以改善焊缝金属的抗裂能力。在高韧性管线钢中常用的微合金 元素n b ，对结晶裂纹的形成具有促进作用，这是因促进低熔点硫化物和 碳化物的形成，如经常可在结晶裂纹表面发现薄膜状的n b 。c 。覆盖物。热拉 伸试验结果也表明，含n b 钢在高温下具有较低的塑性。 c a r l a n d 和b a i l e y 根据焊缝金属成分得出下列回归方程式，用横向拘 束试验所确定的任意单位u c s 来表示热裂纹的敏感性。 u c s = 2 3 0 c + 1 9 0 s + 7 5 p + 4 5 n b 一1 2 3 s i - 5 4 m n l 当c o 0 8 时，c 术等于0 0 8 。 表2 1x 7 0 管线钢的碳当量、冷裂敏感指数和热裂敏感指数7 u c sp c m c e qc e ( i f w )组织产地 2 1 10 2 1 80 3 90 3 9 铁索体一珠光体 前西德h o e s c h 公司 意大利i t a l s i d e r 公司 1 1 30 1 7 70 3 7o 3 6 7 少珠光体日本k s c 公司 日本n k k 公司 日本n s c 公司 中国宝钢 1 1 10 1 7 5o 40 4 2 2 针状铁素体凑大利亚钢铁公司 加拿大省际管子和钢公司 j p s c o 公司 意大利i t a l s i d e r 公司 日本n s c 公司 日本y - , s c 公司 中国宝钢 1 0 2o 1 1 2o 2 9 0 3超低碳贝氏体日本n s c 公司 u c s 值越高，越易产生结晶裂纹。由上式可知，应尽可能限制焊接材 料中的s 、p ，c 的含量，一般认为，s 、p 含量应小于0 0 3 0 0 4 ，c 含量不 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章焊接技术的选择 应超过0 1 2 。 不同x 7 0 管线钢的热裂纹敏感指数如表2 1 ，铁素体珠光体组织的 x t o 钢的u c s 最高为2 1 1 ，抗热裂纹能力最差。超低碳贝氏体x t o 管线钢u c s 的最小为l o 2 ，热裂纹倾向不明显。国产x t o 管线钢的热裂纹敏感指数不 高，热裂纹不是国产x t o 管线钢焊接的主要问题。 为改善管线钢的抗结晶裂纹能力，除控制化学成分外，还可通过适当 增加焊接线能量和预热温度，以减少焊缝金属的应变率。同时，向熔池中 加入变质剂，进一步细化焊缝金属的晶粒，对减少热裂纹的倾向也十分有 利。 2 1 5 管线钢焊接中的扩散氢 焊缝熔敷金属中的扩散氢是导致低合金高强度钢焊接接头产生冷裂 纹和延滞断裂的重要原因之一。 焊气氛中氢含量( 每l o o g 钢中所含氢释放为氢气的m l 数，l m l l o o g h z 相当于约0 9 p p m 氢含量) 和焊后冷却速度对由插销试验( i m p l a n tt e s t ) 所 确定的临界裂纹应力的影响。冷裂纹的产生是通过氢在钢中的溶解、扩散 和聚集发生作用的。由图2 1 可见，随着氢含量的升高临界裂纹应力迅速 碚 盒 文 毯 搭 碟 昧 婆 8 0 0 - s 0 0 冷却时阈，s 图2 i 氢含量和焊后冷却速度对临界裂纹应力的影响 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章焊接技术的选择 下降，冷裂纹的敏感性明显增大。当局部地区含量达到临界值时就产生裂 纹。氢是焊接裂纹形成的本质原因。图2 1 表示了一种n b m o 钢( 0 1 3 c ， 1 3 2 m n ，0 ，0 3 2 n b ，0 1 8 5 m o ) 电弧拘束应力联合作用导致冷裂纹的形成 和发展。 在管线钢的环焊对接中，焊接材料和大气中的水分与焊接电弧接触 时，就分解成原子状态的氢溶解于熔化金属中。 不同类型焊条的扩散氢含量如图2 2 所示。在用纤维素性焊条焊接 时，纤维素与药皮中含有的水分一起分解，形成氢和一氧化碳。经计算， 每熔化l o o g 的焊芯可产生大约2 5 0 0 c m 的氢。 滠斑( )晓。c 孙6 + 心删，黔辩嘲，臻 图2 2 氢在纯铁中的溶解皮图2 3 拘束度r 对冷裂纹的影响 目前已提出许多不同的机理来解释氢致裂纹的原因。以原子状态溶解 于熔化金属的氢在金属中的溶解度与温度和金属的相结构有关。由图2 2 可见，氢在液态铁中的溶解度是在y - f e 中的三倍，而氢在y - f e 中的固溶 度是在n f e 中的三倍。随焊接熔化温度的下降，氢在f e 中的溶解度渐小。 氢由于原子直径小，具有在钢中扩散或逸出的可能性，故当焊接熔池凝固 时，部分氢排出大气。但氢不能全部逸出，残存的氢即向母材扩散，并在 晶界、空穴和位错等缺陷的三相应力区聚集而形成氢分子。结果在这些区 域产生很大的氢气压，这个压力与组织应力和拘束应力联合作用导致冷裂 1 6 2 强v 髓艇鞴 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章焊接技术的选择 纹的形成和发展。 试验表明，焊条药皮是焊缝中氢的主要来源。在干旱、半干旱地区施 工，如果不选择焊条施工，h 致裂纹不是焊接的主要问题。 2 1 6 管线钢的安装焊接应力 应力是产生裂纹的先决条件。应力( 拘束度) 对不同碳当量钢种产生冷 裂纹的影响如图2 3 所示，钢的淬硬性越大，所需的临界应力值越小。 一定大小的应力有助于淬硬组织缺陷的产生，而钢中处于三向应力状 态的淬硬组织缺陷，是原子氢聚集而形成分子氢的栖息地，因而应力促进 了冷裂纹的形成。 管线钢在焊接过程中的应力有不同的来源，其中包括因相变产生的组 织应力；周围金属对焊接区金属热变形所产生的自拘束应力01 ，因管道现 场焊接安装工艺需要所产生的附加应力o2 。经验表明，在根部( r o t p a s s ) 焊道或热焊道( h o t p a s s ) 后的环焊缝的应力主要是自拘束应力o1 和管道结 构安装的附加应力02 。由于根部焊道拘束和冷却条件苛刻，产生冷裂纹的 危险性最高。 管线钢现场焊接中焊接接头的自拘束应力大小决定于拘束的程度，这 时管子的拘束应力为：0i = m * r 式中：01 拘束应力，m p a ； 艟一拘束系数，对于管线钢在手弧焊时m 为4 x 1 0 ： r 一拘束度( n m m ) ，对于管线钢手工电弧焊而言，在数值上 r = l o o t ，t 9 钢管壁厚。 如对于一个壁厚为1 2 5 m m 的钢管而言，ol = m 宰r = 4 x1 0 2 x1 0 0 1 2 5 = 5 0 m p a 对钢管( 直径6 1 0 m m ，壁厚1 2 m m ) 环焊缝根部焊道和热焊道自拘束应力 的测试结果表明残余应力最大值为5 0 m p a 。测量值略小于计算值是由于在管 道施焊时使用内对口器( i n t e rc l a m p ) 的结果。 在钢管焊接过程中除由于焊接热过程中所产生的自拘束应力外，还由 于管道焊接安装工艺需要所产生的附加应力。不同壁厚、不同管径的管道 - 三丝里互监咝奎! 亟圭迨塞 笙! 童堡堡垫查塑丝鲎 安装要根据打底焊接的时间决定去掉内部的对中卡具的时间。n n ；疗a v n 管子垫起时，底部焊道所产生的附加应力有时可达到钢的屈服强度值。 2 1 7 管线钢热影响区的硬度要求 钢中显微组织结构对氢致裂纹具有不同的敏感性。由图2 4 可以看出， 马氏体淬硬组织有较大的氢致敏感性，铁素体的敏感性最小。这是因为钢 中如马氏体这样的非平衡组织，晶格畸变严重，具有较多的晶体缺陷，为 氢的局部聚集提供了条件。同时在焊接条件下，由粗大的奥氏体转变成粗 大的马氏体，这种粗大组织本身的断裂强度也较低。 匮硪圃火嚣氏侈 镶素体_ 贝氏佑繁马糖锌铰素体 i 贝民捧! 说 铁素镁，。+ 蕈l l 光律! ：嬖簏锈屡螽鬣， - 图2 4 不同组织和硬度对氢脆敏感性的影响， 目前，更直观的是以钢的硬度作为氢致敏感性的评定依据，存在下列 关系式： i s = 8 0 1 0 9 h v 式中：i s 氢脆敏感系数 h v 维氏硬度。 在管线钢中，硬度与