[優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)精品] 高強(qiáng)度級(jí)別輸氣管道的焊接方法研究

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</b></p><p>　　題 目 高強(qiáng)度級(jí)別輸氣管道的焊接方法研究 </p><p>　　院 （系） 冶金與材料工程學(xué)院 </p><p>　　專(zhuān)業(yè)班級(jí) 材控普06-01 </p&

2、gt;<p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱(chēng) 副教授 </p><p>　　評(píng)閱教師___ _ 職稱(chēng)___ </p><p>　　2010年 6 月 10日</p><

3、;p>　　學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明</p><p>　　本人以信譽(yù)聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進(jìn)行的設(shè)計(jì)（研究）工作及取得的成果，設(shè)計(jì)（論文）中引用他（她）人的文獻(xiàn)、數(shù)據(jù)、圖件、資料均已明確標(biāo)注出，論文中的結(jié)論和結(jié)果為本人獨(dú)立完成，不包含他人成果及為獲得或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)而使用其材料。與我一同工作的同志對(duì)本設(shè)計(jì)（研究）所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。&l

4、t;/p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）作者（簽字）： </p><p>　　年 月 日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本課題中進(jìn)行的主要工作如下：西氣東輸天然氣管線(xiàn)概念設(shè)計(jì)，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要有采用高壓輸氣工藝達(dá)到減少壓氣站；輸氣管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)

5、，主要有利用高強(qiáng)度級(jí)別的X120鋼制造輸氣管道達(dá)到降低管道壁厚以減輕施工及搬動(dòng)難度，同時(shí)還可大大減低焊材的用量；這些優(yōu)化設(shè)計(jì)都能實(shí)現(xiàn)節(jié)約工程投資和運(yùn)行成本的優(yōu)化設(shè)計(jì)。輸氣焊接管道制造工藝流程設(shè)計(jì)；針對(duì)X120管線(xiàn)鋼的焊接工藝進(jìn)行了模擬焊件實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，同時(shí)還對(duì)X120管線(xiàn)鋼的力學(xué)性能及焊接性問(wèn)題進(jìn)行了分析。最后再對(duì)輸氣管道施工流程，現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝設(shè)計(jì)，檢驗(yàn)及質(zhì)量保障措施的確定。</p><p>　　關(guān)鍵字: 輸

6、氣管道 概念設(shè)計(jì) X120管線(xiàn)鋼 焊管制造 焊接工藝 </p><p>　　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-p

7、ressure 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 diffi

8、culty of construction and moving, which can also greatly reduce the amount of welding materials; the optimal des</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><

9、p>　　AbstractII</p><p>　　1.天然氣輸氣管道概論2</p><p>　　2.西氣東輸管道概念設(shè)計(jì)3</p><p>　　2.1管輸天然氣的組成3</p><p>　　2.2主要輸送工藝參數(shù)3</p><p>　　2.3輸送工藝方案優(yōu)化3</p><p>

10、　　2.4輸送工藝參數(shù)計(jì)算5</p><p>　　3.管道設(shè)計(jì)計(jì)算9</p><p><b>　　3.1優(yōu)選管材9</b></p><p>　　3.2管子壁厚和管子強(qiáng)度等級(jí)9</p><p>　　3.3鋼材的質(zhì)量10</p><p>　　4.螺旋焊管與直焊管的制造工藝概念設(shè)計(jì)11<

11、;/p><p>　　4.1螺旋焊管制作11</p><p>　　4.2直縫焊管制作11</p><p>　　4.3螺旋焊管與直縫焊管技術(shù)特性比較12</p><p>　　4.4分析與總結(jié)15</p><p>　　5.長(zhǎng)輸管道的施工工藝流程16</p><p>　　6.模擬焊件的實(shí)驗(yàn)方案1

12、7</p><p>　　6.1X120鋼抗裂性研究17</p><p>　　6.2全焊縫金屬拉伸試驗(yàn)18</p><p>　　6.3硬度的測(cè)定19</p><p>　　6.4低溫沖擊韌度的測(cè)定及試樣斷面觀(guān)察19</p><p>　　6.5焊接接頭組織與性能的測(cè)定20</p><p>　

13、　6.6 X120焊接線(xiàn)能量的實(shí)驗(yàn)方案20</p><p>　　7.輸氣管道的現(xiàn)場(chǎng)組焊工藝設(shè)計(jì)22</p><p>　　7.1鋼材的選用技術(shù)分析22</p><p>　　7.2焊接工藝23</p><p>　　7.3焊接檢驗(yàn)28</p><p>　　7.4 輸氣管道的焊接工藝流程圖29</p>

14、<p>　　8.檢驗(yàn)及質(zhì)量保障措施的確定30</p><p>　　8.1施工質(zhì)量預(yù)控措施30</p><p><b>　　9.總結(jié)31</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)32</b></p><p><b>　　致謝33</b></p>

15、;<p><b>　　附錄 1</b></p><p><b>　　附錄 2</b></p><p><b>　　附錄 3</b></p><p><b>　　附錄 4</b></p><p>　　1 天然氣輸氣管道概論</p>

16、<p>　　今后10到15年，全球總能源消耗將比現(xiàn)在增加60%左右，其中天然氣消耗將翻一番。天然氣需求的增長(zhǎng)主要集中在北美、歐洲和經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速的亞洲，尤其是中國(guó)。從地域上看，用戶(hù)主要在工業(yè)發(fā)達(dá)的城市地區(qū)，而天然氣田則大部分在極地、冰原、荒漠、海洋等偏遠(yuǎn)地帶。因而作為石油和天然氣的一種經(jīng)濟(jì)、安全、不間斷的長(zhǎng)距離輸送工具，天然氣輸送管道在近40年得到了巨大的發(fā)展，這種發(fā)展勢(shì)頭在未來(lái)的幾十年中仍將持續(xù)下去。預(yù)計(jì)在今后10-15年內(nèi)

17、，我國(guó)共需各類(lèi)天然氣輸送鋼管1000萬(wàn)噸左右（不含城市燃?xì)夤芫W(wǎng)）。</p><p>　　天然氣輸送管道（特別是天然氣管道）的總的發(fā)展趨勢(shì)是持續(xù)提高鋼管的強(qiáng)度水平，以期最大限度降低管道建設(shè)成本和輸送成本，輸氣管道每提高一個(gè)強(qiáng)度等級(jí)，其建設(shè)成本將降低5%～15%。X120級(jí)高強(qiáng)度管線(xiàn)鋼的發(fā)展為天然氣生產(chǎn)商提供了將長(zhǎng)距離輸氣管線(xiàn)總造價(jià)降低5%～15%的機(jī)會(huì),進(jìn)而可降低向市場(chǎng)輸送天然氣的價(jià)格。成本降低來(lái)源于多個(gè)方面,包括

18、材料、施工、(氣體)壓縮以及與綜合設(shè)計(jì)方案結(jié)合所帶來(lái)的節(jié)約。X80是目前投入天然氣管道建設(shè)的管線(xiàn)鋼的最高等級(jí)。X100和X120管線(xiàn)鋼也相繼研究成功，正在工業(yè)性試驗(yàn)，在2004年2月,Exxon Mobil石油公司采用與日本新月鐵合作研制的X120鋼級(jí)焊管在加拿大建成一條管徑914 mm、壁厚16 mm、1.6 km 長(zhǎng)的試驗(yàn)段。</p><p>　　我國(guó)已建成的石油天然氣輸送管道所使用的螺旋焊管，主要是由中國(guó)石

19、油天然氣集團(tuán)公司所屬的鋼管廠(chǎng)生產(chǎn)的。焊管用的板卷，從上世紀(jì)50年代到70年代主要采用鞍鋼等廠(chǎng)家生產(chǎn)的A3、16Mn，70年代后期和80年代則采用從日本進(jìn)口的TS 52K（相當(dāng)于X52）。90年代，塔里木三條天然氣管道、鄯烏輸氣管道、庫(kù)鄯輸油管道和陜京輸氣管道的X52、X60、X65熱軋板卷主要由上海寶鋼生產(chǎn)供應(yīng)。“西氣東輸”工程一線(xiàn)采用X70鋼級(jí)，二線(xiàn)采用X80鋼級(jí)，現(xiàn)在上海寶鋼能夠生產(chǎn)X120級(jí)管線(xiàn)鋼（目前世界上強(qiáng)度等級(jí)最高的管線(xiàn)鋼）

20、，同時(shí)寶鋼還對(duì)X120鋼進(jìn)行了焊接性實(shí)驗(yàn)，并解決了其焊接問(wèn)題。跟上了國(guó)外的發(fā)展水平。[1]</p><p>　　至今我國(guó)建成并投入運(yùn)營(yíng)的天然氣輸送管道共3萬(wàn)多公里，其建設(shè)質(zhì)量關(guān)系到整個(gè)天然氣管道乃至管網(wǎng)的安全運(yùn)行，涉及到人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，屬于政府 工程、社會(huì)工程。天然氣輸送管道一旦發(fā)生事故，將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，嚴(yán)重的環(huán)境污染，甚至?xí)绊懙轿覈?guó)的能源戰(zhàn)略安全。因此，天然氣輸送管道的可靠性與安全性對(duì)于我

21、們整個(gè)社會(huì)乃至國(guó)家來(lái)說(shuō)都是相當(dāng)重要的。[2]</p><p>　　2 西氣東輸管道概念設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1管輸天然氣的組成</p><p>　　天然氣是由多種可燃和不可燃的氣體的混合氣體。以低分子飽和烴類(lèi)氣體為主，并含有少量非烴類(lèi)氣體。在烴類(lèi)氣體中，甲烷占絕大部分，乙烷，丙烷，丁烷和戊烷含量不多，庚烷以上烷烴含量極少。非烴類(lèi)氣體一般為硫化氫、二氧化碳、氮

22、和水汽，以及微量的氦、氬、等稀有氣體。其中氣田氣主要萬(wàn)分是甲烷，一般占90%以上。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)所采用的天然氣成分如下：</p><p>　　表2-1 天然氣組成（%）</p><p>　　2.2主要輸送工藝參數(shù)</p><p>　　天然氣管道的輸送工藝參數(shù)主要是指輸氣量、輸送距離、輸氣壓力、管徑和溫度等。其中輸氣量、輸送距離、輸氣壓力和管徑四者相互影響，是需要優(yōu)化的

23、重要參數(shù)[3]。</p><p>　?、佥敋饬浚狠敋夤艿赖妮敋饬堪茨贻敋饬?00億立方米設(shè)計(jì)。</p><p>　?、谳敋鈮毫Γ狠敋鈮毫κ枪艿赖淖罡咻敋鈮毫?，沒(méi)有壓縮機(jī)的管道即為管道起點(diǎn)最高壓力，有壓縮機(jī)時(shí)即為壓縮機(jī)出口壓力。</p><p>　?、酃鈮毫Γ狠敋夤艿姥鼐€(xiàn)或末端向用戶(hù)供氣，供氣合同中要求確定壓力，管輸天然氣應(yīng)滿(mǎn)足這些壓力要求，并以滿(mǎn)足這些壓力作為管道

24、設(shè)計(jì)條件。設(shè)計(jì)年輸氣量為200億立方米。</p><p>　?、茌敋鉁囟龋禾烊粴庠谳斔瓦^(guò)程中，由于與土壤傳熱和壓力降低產(chǎn)生焦—湯效應(yīng)，溫度會(huì)降低。天然氣在輸送過(guò)程中的溫度是18度。</p><p>　?、葺斔途嚯x：一般指管道長(zhǎng)度，輸氣管道設(shè)計(jì)時(shí)，一般氣源和用戶(hù)是先確定，根據(jù)線(xiàn)路走向案，可以確定天然氣管道的長(zhǎng)度。從天然氣管道起點(diǎn)到天然氣用戶(hù)交氣點(diǎn)的管道長(zhǎng)度即為輸送距離。概念設(shè)計(jì)輸氣長(zhǎng)度為27

25、00Km。</p><p>　　2.3輸送工藝方案優(yōu)化</p><p>　　2.3.1優(yōu)化壓力等級(jí)，確定高壓輸氣</p><p>　　分別對(duì)12MPa和16MPa兩種輸送壓力，1016mm,1118mm,1219mm和1400mm這四種管徑輸送方案進(jìn)行了比選，不管哪種管徑，相同輸氣量下，管道輸氣壓力采用16MPa的方案工程投資低，效益好。</p>&l

26、t;p>　　根據(jù)輸氣管道水力計(jì)算公式，管道的輸氣能力（管徑和長(zhǎng)度一定時(shí)）與管道起點(diǎn)壓力的平方差基本上成正比關(guān)系，即：</p><p>　　Q2=K（P12 - P22）D5/L 2-1</p><p>　　由此則有在其它條件相同的條件下，管道平均壓力越高，輸氣能力越大。當(dāng)然，管道壓力越高，所需要的承壓能力越大，即要求管材的機(jī)械強(qiáng)度或管道壁厚越大，引起管道

27、投資增高。在一定范圍內(nèi)，壓力增高帶來(lái)的輸氣能力增加的好處更為明顯，因而高壓輸氣一般是經(jīng)濟(jì)的。</p><p>　　故本設(shè)計(jì)采用的輸氣壓力為16MPa，在總體上是可以實(shí)現(xiàn)良好的經(jīng)濟(jì)效益。</p><p>　　2.3.2優(yōu)選管徑 </p><p>　　表：2-2 設(shè)計(jì)對(duì)四種管徑的單位輸氣量的用鋼量（Y）進(jìn)行了比選</p><p><b>

28、;　　計(jì)算程序見(jiàn)附件1。</b></p><p>　　從制管工藝來(lái)看，管徑越大技術(shù)含量越高，制管難度越大。故選用1016mm規(guī)格，同時(shí)也易于實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。</p><p><b>　　2.3.3優(yōu)選壓比</b></p><p>　　在設(shè)計(jì)輸氣量為200×108m3/a時(shí)，當(dāng)管徑（1016mm）確定后，管線(xiàn)設(shè)計(jì)的壓氣站數(shù)量與壓

29、比有關(guān)。為尋求經(jīng)濟(jì)合理的布站方案，西氣東輸管道工程就壓縮機(jī)站的設(shè)置進(jìn)行了壓比為1.25、壓比為1.35、壓比為1.45～1.5和壓比為1.6～1.7四種方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選。</p><p>　　表2-3 不同壓比方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)</p><p>　　由于壓氣站不僅本身的建設(shè)成本高，而且其在運(yùn)行中的維護(hù)費(fèi)用和壓縮機(jī)的消耗都很高，所以選用壓比為1.40～1.46，需建7座壓氣站。</p

30、><p>　　2.3.4優(yōu)化站場(chǎng)布置</p><p>　　表2-4 壓比為1.40～1.46的輸送方案壓氣站技術(shù)參數(shù)</p><p><b>　　計(jì)算程序見(jiàn)附件2。</b></p><p>　　2.4輸送工藝參數(shù)計(jì)算 </p><p>　　2.4.1天然氣的平均密度</p><p&

31、gt;　　指在規(guī)定狀態(tài)下，單位體積天然氣的質(zhì)量，符號(hào)ρ，單位㎏/m3</p><p>　　1kmol氣體質(zhì)量為M，體積為VM，則其密度可以寫(xiě)為：</p><p><b>　　ρ=M/V2-2</b></p><p>　　混合氣體的密度可根據(jù)名組分的摩爾分?jǐn)?shù)計(jì)算。</p><p>　　ρ= 2-3</p&

32、gt;<p>　　由上式及上表中的各天然氣組分的組成情況有：</p><p>　　ρ = ｛（16×97.5%）+（30×0.2%）+（28×1.6%）+（44×0.2%）+（44×0.5%）｝</p><p>　　= 0.7343（㎏/m3）。</p><p>　　指在相同的指定壓力、溫度狀態(tài)下，天

33、然氣的密度與干空氣密度的比值，用符號(hào)表示，無(wú)量綱。=ρ/ρa(bǔ) 2-4</p><p>　　式中 —— 天然氣的相對(duì)密度；</p><p>　　ρ——天然氣的密度，㎏/m3；</p><p>　　ρa(bǔ)——干空氣的密度，㎏/m3。</p>

34、<p>　　一般所說(shuō)的天然氣的相對(duì)密度是指標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)和工程標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的。此外采用工程標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。</p><p>　　工程標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)P=1.01325×105Pa，T=293.15K（20℃）時(shí)，干空氣密度ρa(bǔ)=1.206㎏/m3。</p><p><b>　　由此有△=ρ/ρ</b></p><p>　　=0.7343/1.2

35、06</p><p>　　=0.608 </p><p>　　即天然氣的相對(duì)密度為0.608。</p><p>　　2.4.3壓縮因子Z</p><p>　　表2-5 各組分的臨界壓力Pci和臨界溫度Tci見(jiàn)下表2 ［3］</p><p><b>　?、儆?jì)算視臨界參數(shù)</b></p&g

36、t;<p><b>　　Tc=Tci</b></p><p>　　=(97.5×190.58+0.2×305.42+0.2×369.82+1.6×125.97+0.5×304.25)/100</p><p><b>　　=197.2K</b></p><p>

37、<b>　　Pc=Pci</b></p><p>　　=(97.5×4.544+0.2×4.86+0.2×4.194+1.6×3.349+0.5×7.29)/100</p><p><b>　　=4.538MPa</b></p><p><b>　?、谟?jì)算對(duì)比參數(shù)

38、</b></p><p>　　對(duì)比壓力Pr=16MPa/4.538=3.35；</p><p>　　對(duì)比溫度Tr=278.15/190.7=1.459；</p><p>　　③查常用天然氣的壓縮因子圖[3]，有Z=0.78。</p><p>　　2.4.4輸氣管道的熱力及水力計(jì)算</p><p>　　首先假

39、設(shè)本次設(shè)計(jì)的輸氣管道為高差在200m以下的輸氣管道。</p><p>　?、倌贻敋饬吭O(shè)計(jì)為200×108M3，管徑設(shè)計(jì)為1016mm。</p><p>　　體積流量Qs=（一年按350天計(jì)算）</p><p>　　=661.4 M3/s；</p><p>　　質(zhì)量流量qm=ρ×Qs=0.7343×661.4=48

40、5.6(kg/s);</p><p><b>　?、?熱力計(jì)算：</b></p><p>　　Tcp=To+（TQ-T0）-Di[1-] 2-5</p><p>　　T0—— 管道理深處地溫，K；</p><p>　　TQ—— 管道起點(diǎn)處的溫度，K；</p><p&g

41、t;<b>　　a—— ；</b></p><p>　　其中 Qm為氣體的質(zhì)量流量Kg/s；</p><p>　　Cp為氣體的比定壓熱容J/(kg·K)；</p><p>　　由上即有a==0.0052</p><p>　　由于T0越高，則Tcp也越高，由水力計(jì)算可知，Tcp越高輸氣能力越小，因此，在進(jìn)行管道

42、設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)按夏季地溫T0=291K作為水力計(jì)算的依據(jù)。</p><p>　　T=To+（TQ-T0）[-Di[1-]2-6</p><p>　　計(jì)算有T=291K；</p><p><b>　?、?水力摩阻系數(shù)</b></p><p><b>　　==0.0096</b></p>&

43、lt;p><b>　　④ 輸氣壓力計(jì)算</b></p><p><b>　　由Q=C02-7</b></p><p>　　由輸氣量Qs、*=0.57、Z=0.78、C0=0.0384、PQ=16MPa、T=291K、L=300KM和=0.0096；</p><p>　　計(jì)算有PZ=11.16MPa，同時(shí)可得壓比為1

44、.43。</p><p>　　由此即確定了此輸氣管道的概念設(shè)計(jì)的主要工藝參數(shù)。</p><p>　　天然氣管道輸送的方式應(yīng)根據(jù)上述的主要輸送工藝參數(shù)以及下游用戶(hù)的用氣壓力需求來(lái)共同確定。天然氣壓力不能滿(mǎn)足輸氣或用氣壓力要求時(shí)需設(shè)置增壓裝置來(lái)對(duì)天然氣增壓。該方式主要用于管輸距離不是很長(zhǎng)，而天然氣已具有的原始?jí)毫τ值陀谟脩?hù)用氣需求或則直接利用該原始?jí)毫斔筒荒軡M(mǎn)足用戶(hù)的需求的情況下使用[3]。

45、</p><p>　　利用天然氣已具有的原始?jí)毫Σ患訅狠斔鸵欢ǖ木嚯x后，再在管線(xiàn)的中間設(shè)置以滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)用氣的要求，該方式主要用于天然氣壓力較高、輸送距離較長(zhǎng)時(shí)的工程。</p><p>　　經(jīng)過(guò)優(yōu)化計(jì)算決定采用壓氣站進(jìn)行加壓，輸送壓力為16MPa，共建七個(gè)壓力站，壓比為1.40～1.46。</p><p><b>　　3 管道設(shè)計(jì)計(jì)算</b>&l

46、t;/p><p><b>　　3.1優(yōu)選管材</b></p><p>　　X80、X90、X100、X120同屬于高強(qiáng)度管線(xiàn)鋼，其中X80在我國(guó)的西氣東輸工程的二線(xiàn)有應(yīng)用。其后三種強(qiáng)度等級(jí)的管線(xiàn)鋼在國(guó)內(nèi)沒(méi)有應(yīng)用，在國(guó)外也沒(méi)有，其中X120管線(xiàn)鋼于2004年在加拿大有一個(gè)試驗(yàn)工程，都還沒(méi)有大量的應(yīng)用于實(shí)際工程。在本設(shè)計(jì)中對(duì)X120進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，并對(duì)X80和X120進(jìn)行一個(gè)優(yōu)

47、化比選。</p><p>　　在此主要在同等輸氣壓力的情況下，看兩種管線(xiàn)鋼的用鋼量由此對(duì)其做出優(yōu)選，表3-1。</p><p>　　表3-1：輸氣管道壁厚優(yōu)化</p><p>　　由上表得知，若采用X80管線(xiàn)鋼，將使焊管的壁厚及鋼材總量增加，這些因素的增加將會(huì)造成焊接材料、搬運(yùn)、施工、檢驗(yàn)等等方面的難度及成本增大。故經(jīng)此比較后，選擇X120管線(xiàn)鋼做為此設(shè)計(jì)的管材。這

48、也符合現(xiàn)在輸氣管道用鋼的發(fā)展方向，即高強(qiáng)度等級(jí)方向。這樣在同等的輸氣量下，使焊管的壁厚大大減小，這樣會(huì)給以上所列的各方面得到優(yōu)化。從而更加地節(jié)省投資。</p><p>　　3.2管子壁厚和管子強(qiáng)度等級(jí)</p><p>　　系統(tǒng)的水壓設(shè)計(jì)師所關(guān)心的是根據(jù)最少投資和最少運(yùn)行成本來(lái)確定設(shè)施民族教育的最佳化。氣體傳輸管道的壁厚是管子的強(qiáng)度等級(jí)、部位和設(shè)計(jì)壓力而變化的。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師對(duì)任何指定部位所所指

49、定的設(shè)計(jì)壓力，不宜小于該部們管道的最大操作壓力（MOP），設(shè)計(jì)師選擇的管子壁厚和材料應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，足以防止由于搬運(yùn)應(yīng)力、外部作用力、熱膨脹和熱收縮所引起的變形和損壞。管徑選擇方案進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化程序見(jiàn)附件3。</p><p>　　設(shè)計(jì)壓力和壁厚之間的關(guān)系：［3］</p><p>　　P= （CSAZ662---1996） 3-2-1<

50、/p><p>　　式中 P——設(shè)計(jì)壓力；</p><p>　　S—— 額定最小屈服強(qiáng)度（SMYS）；</p><p><b>　　t—— 壁厚；</b></p><p><b>　　D—— 外徑；</b></p><p>　　F—— 設(shè)計(jì)系數(shù)=0.8；</p>

51、<p>　　L—— 地區(qū)類(lèi)別系數(shù)；</p><p>　　J—— 直縫焊接系數(shù)</p><p>　　T—— 溫度下降系數(shù)；</p><p>　　由查表有F=0.8、L=0.8、J=1.00、T=1.00；設(shè)計(jì)輸氣壓力為16MPa，X120最小屈服強(qiáng)度為827MPa，設(shè)計(jì)管徑D為1016mm。</p><p>　　計(jì)算有 t=15.35

52、6711mm。</p><p><b>　　3.3鋼材的質(zhì)量</b></p><p>　　對(duì)于輸氣管道，項(xiàng)目的成本中有50%～55%是用于建設(shè)這條管道的鋼材的質(zhì)量（重量）。因此，仔細(xì)地估計(jì)所需的鋼材用量是非常重要的。下面的公式可用于計(jì)算鋼材的質(zhì)量和成本[3]。</p><p>　　式中：管道的外徑為D1=1031.36，內(nèi)徑為D2=1016，管

53、道長(zhǎng)度為L(zhǎng)=2700Km，鋼材的密度為ρ=8.02t/m3，Ws即為鋼材的質(zhì)量。由于D1- D2=2t（t是管子的直徑）</p><p>　　故有：Ws =πLρt（D2+t）</p><p>　　= 3.14×2700×103×8.02×15.36×10-3×(1.03136+15.36×10-3)</p>

54、<p>　　= 107 (萬(wàn)噸)</p><p>　　由此公式可知管道的壁厚對(duì)鋼材的質(zhì)量（重量）影響很大。因此，對(duì)于高壓輸氣管道，選用高強(qiáng)度等級(jí)的管子且管子強(qiáng)度等級(jí)愈高，就可以采用管壁較薄的管子，從而可以大節(jié)省，總體上比購(gòu)買(mǎi)高強(qiáng)度管子所花的錢(qián)還要少在。主要是由于管子的壁厚減小后，可以節(jié)省12%～13%（施工、運(yùn)輸、焊接等方面）建設(shè)成本。</p><p>　　4 螺旋焊管與直焊

55、管的制造工藝概念設(shè)計(jì)</p><p><b>　　4.1螺旋焊管制作</b></p><p>　　螺旋焊管：是將低碳碳素結(jié)構(gòu)鋼或低合金結(jié)構(gòu)鋼鋼帶按一定的螺旋線(xiàn)的角度（叫成型角）卷成管坯，然后將管縫焊接起來(lái)制成，它可以用較窄的帶鋼生產(chǎn)大直徑的鋼管。螺旋焊管主要用于石油、天然氣的輸送管線(xiàn)，其規(guī)格用外徑*壁厚表示。螺旋焊管有單面焊的和雙面焊的，焊管應(yīng)保證水壓試驗(yàn)、焊縫的抗拉

56、強(qiáng)度和冷彎性能要符合規(guī)定。</p><p>　　4.1.1工藝流程 </p><p><b>　　工藝流程如下：</b></p><p>　　開(kāi)卷——上卷——校平——對(duì)接焊——銑邊——成型——內(nèi)焊——外焊——切管——破口——后續(xù)焊——水壓試驗(yàn)</p><p>　　4.1.2質(zhì)量保證 </p><p&g

57、t;<b>　　檢驗(yàn)工藝如下：</b></p><p>　　原材料檢驗(yàn)——校平檢驗(yàn)——對(duì)接焊檢驗(yàn)——成型檢驗(yàn)——內(nèi)焊檢驗(yàn)——外焊檢驗(yàn)——切管檢驗(yàn)——超聲波檢驗(yàn)——坡口檢驗(yàn)——外形尺寸檢驗(yàn)——X射線(xiàn)檢驗(yàn)——水壓試驗(yàn)——最終檢驗(yàn)。</p><p><b>　　4.2直縫焊管制作</b></p><p>　　國(guó)外生產(chǎn)大口徑直縫埋

58、弧焊管的成形方法有：UOE法、CFE排輥成形法、RBE輥彎成形法，JCOE成形法、C成形法、PFP逐步折彎成形法等。</p><p>　　經(jīng)過(guò)對(duì)資料的分析，在此只重點(diǎn)介紹PFP成形法。</p><p>　　PFP逐步折彎成形法是將端頭預(yù)彎的鋼板在壓力機(jī)上以較小的步長(zhǎng)，較多的次數(shù)逐步對(duì)板料進(jìn)行折彎，最后經(jīng)鋼管合縫焊機(jī)成形為圓管。PFP法因每次壓下量小，故壓力機(jī)噸位不大，因此投資也較小，該種方

59、法可以成形不同管徑，不同壁厚的焊管，加工的直徑可小于406mm，生產(chǎn)的焊管質(zhì)量較好，產(chǎn)量適中。</p><p>　　4.2.1制造工藝分析</p><p>　　PFP逐步折彎成形與RBE輥彎成形法比較，兩者的特點(diǎn)大體相同，但PFP法生產(chǎn)的焊管直徑可小于406mm，這一點(diǎn)是RBE法所做不到的，PFP法生產(chǎn)線(xiàn)具有更強(qiáng)的市場(chǎng)適應(yīng)能力。PFP法投資在6500～8000萬(wàn)元左右。PFP法成型機(jī)組比C

60、成型法主機(jī)機(jī)組簡(jiǎn)單。在我國(guó)大口徑直縫埋弧焊管設(shè)備目前空白的情況下，對(duì)于國(guó)內(nèi)第一條新建機(jī)組來(lái)說(shuō)，選擇PFP成型機(jī)更為有利。</p><p>　　4.2.2 PFP法大口徑直縫埋弧焊管生產(chǎn)線(xiàn)工藝 　　板材超聲波探傷→銑邊→預(yù)彎→成形→合縫預(yù)焊→內(nèi)焊→外焊→超聲波探傷→X射線(xiàn)探傷→擴(kuò)徑→整圓→水壓試驗(yàn)→超聲波探傷→X射線(xiàn)探傷→平頭倒角→磁粉探傷→稱(chēng)重測(cè)長(zhǎng)→標(biāo)記出廠(chǎng)。</p><p>　　大直縫

61、埋弧焊管產(chǎn)品規(guī)格： 　　壁厚：6mm～25.4mm；管徑：Φ406mm～Φ1200mm；長(zhǎng)度：8000mm～12000mm；材質(zhì)：X42～X120。</p><p>　　4.3螺旋焊管與直縫焊管技術(shù)特性比較[4]</p><p>　　4.3.1材料的冶金性能</p><p>　　直縫埋弧焊管是用鋼板生產(chǎn)的，而螺旋焊管是用熱軋卷板生產(chǎn)的。熱軋帶鋼機(jī)組軋制工藝具有一系

62、列的優(yōu)點(diǎn)，具有獲得生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)管線(xiàn)鋼的冶金工藝能力。例如，在輸出臺(tái)架上裝有水冷卻系統(tǒng)以加速冷卻，這就允許使用低合金成分來(lái)達(dá)到特殊的強(qiáng)度等級(jí)和低溫韌性，從而改進(jìn)鋼材的可焊性。但這一系統(tǒng)在鋼板生產(chǎn)廠(chǎng)基本沒(méi)有。卷板的合金含量(碳當(dāng)量)往往低于相似等級(jí)的鋼板，這也提高了螺旋焊管的可焊性。</p><p>　　更需要說(shuō)明的是，由于螺旋焊管的卷板軋制方向不是垂直鋼管軸線(xiàn)方向(其夾解取決于鋼管的螺旋角)，而直縫鋼管的鋼板軋制方向垂

63、直于鋼管軸線(xiàn)方向，因而，螺旋焊管材料的抗裂性能優(yōu)于直縫鋼管。</p><p><b>　　4.3.2焊接工藝</b></p><p>　　從焊接工藝而言，螺旋焊管與直縫鋼管的焊接方法一致，但直縫焊管不可避免地會(huì)有很多的丁字焊縫，因此存在焊接缺陷的機(jī)率也大大提高，而且丁字焊縫處的焊接殘余應(yīng)力較大，焊縫金屬往往處于三向應(yīng)力狀態(tài)，增加了產(chǎn)生裂紋的可能性。</p>

64、<p>　　而且，根據(jù)埋弧焊的工藝規(guī)定，每條焊縫均應(yīng)有引弧處和熄弧處，但每根直縫焊管在焊接環(huán)縫時(shí)，無(wú)法達(dá)到該條件，由此在熄弧處可能有較多的焊接缺陷。</p><p><b>　　4.3.3強(qiáng)度特點(diǎn)</b></p><p>　　管子在承受內(nèi)壓時(shí)，通常在管壁上產(chǎn)生兩種主要應(yīng)力，即徑向應(yīng)力δY和軸向應(yīng)力δX。焊縫處合成應(yīng)力δ=δY(l/4sin2α+cos2α

65、)1/2，其中，α為螺旋焊管焊縫的螺旋角。</p><p>　　螺旋焊管焊縫的螺旋角一般為50-75度，因此螺旋焊縫處合成應(yīng)力是直縫焊管主應(yīng)力的60-85%。在相同工作壓力下，同一管徑的螺旋焊管比直縫焊管壁厚可減小。</p><p><b>　　根據(jù)以上特點(diǎn)可知：</b></p><p>　　①螺旋焊管發(fā)生爆破時(shí)，由于焊縫所受正應(yīng)力與合成應(yīng)力比

66、較小，爆破口一般不會(huì)起源于螺旋焊縫處，其安全性比直縫焊管高。</p><p>　　②當(dāng)螺旋焊縫附近存在與之相平行的缺陷時(shí)，由于螺旋焊縫受力較小，故其擴(kuò)展的危險(xiǎn)性不如直焊縫大。</p><p>　?、塾捎趶较驊?yīng)力是存在于鋼管上的最大應(yīng)力，所以焊縫處于垂直應(yīng)力這一方向時(shí)承受最大載荷。即直縫承受的載荷最大，環(huán)向焊縫承受的載荷最小，螺旋縫介于二者之間。</p><p>　　

67、4.3.4靜壓爆破強(qiáng)度</p><p>　　經(jīng)有關(guān)對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證了螺旋焊管與直縫焊管的屈服壓力與爆破壓力實(shí)測(cè)值和理論值基本吻合，偏差接近。但無(wú)論是屈服壓力還是爆破壓力，螺旋焊管均低于直縫焊管。爆破試驗(yàn)還顯示出螺旋焊管爆破口的環(huán)向變形率明顯大于直縫焊管。由此證實(shí)，螺旋焊管的塑性變形能力優(yōu)于直縫焊管，爆破口一般只局限于一個(gè)螺距內(nèi)，這是螺旋焊縫對(duì)裂口的擴(kuò)展起了有力的約束作用所致。</p><p>

68、;　　4.3.5韌性和疲勞強(qiáng)度</p><p>　　管道發(fā)展的趨勢(shì)是大口徑、高強(qiáng)度。隨著鋼管直徑的加大、所用鋼級(jí)的提高，產(chǎn)生韌性斷裂尖穩(wěn)擴(kuò)展的趨勢(shì)越大。根據(jù)美國(guó)有關(guān)研究機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)表明，螺旋焊管與直縫焊管雖然同為一個(gè)級(jí)別，但螺旋焊管具有較高的沖擊韌性。</p><p>　　輸送管線(xiàn)由于輸量的變化，在實(shí)際操作過(guò)程中，鋼管是承受隨機(jī)交變載荷的作用。了解鋼管的低循環(huán)疲勞強(qiáng)度，對(duì)判斷管線(xiàn)的使用壽命具

69、有重要的意義。</p><p>　　按測(cè)定結(jié)果，螺旋焊管的疲勞強(qiáng)度與無(wú)縫管和電阻焊管相同，試驗(yàn)的數(shù)據(jù)與無(wú)縫管和電阻管分布在同一區(qū)內(nèi)，而比一般的埋弧直縫焊管要高。</p><p>　　4.3.6現(xiàn)場(chǎng)可焊性</p><p>　　現(xiàn)場(chǎng)的可焊性主要是由鋼管的材質(zhì)和端口配合尺寸公差決定的?？紤]到鋼管安裝施工的要求，鋼管加工生產(chǎn)的連續(xù)性的和外形幾何尺寸的一致性尤為重要。<

70、/p><p>　　螺旋焊管的生產(chǎn)是基本上在同一工況條件下穩(wěn)定的連續(xù)流程：而直縫焊管制作工序是分段的，包括整板/壓頭/預(yù)卷/點(diǎn)焊/焊接/精整/組對(duì)等多道工序過(guò)程。這是螺旋焊管生產(chǎn)區(qū)別于直縫焊管生產(chǎn)的重要特征。</p><p>　　穩(wěn)定的生產(chǎn)工況非常便于焊接質(zhì)量的控制和幾何尺寸的保證。由于螺旋焊管管型規(guī)整、焊縫均勻分布，相對(duì)于直縫焊管，螺旋鋼管有非常好的管口橢圓度和端面垂直度，保證了現(xiàn)場(chǎng)鋼管焊接組

71、對(duì)時(shí)的組對(duì)精度。</p><p>　　4.3.7對(duì)輸送介質(zhì)流動(dòng)特性的影響</p><p>　　輸送管線(xiàn)中的壓降和管子的長(zhǎng)度、流體粘滯系數(shù)、流體速度、流體阻力系數(shù)都成正比，而和管子的內(nèi)徑成反比。而流體阻力系數(shù)既與雷諾數(shù)有關(guān)，又與管子內(nèi)壁表面的粗糙度有關(guān)。經(jīng)測(cè)定，管子內(nèi)壁表面的粗糙度所起的影響要比局部隆起的面積(如螺旋形的焊縫或縱長(zhǎng)的焊縫、甚至包括內(nèi)環(huán)形焊縫)所起的影響大十倍。</p&g

72、t;<p>　　4.3.8生產(chǎn)與管理</p><p>　　螺旋焊縫鋼管的生產(chǎn)能體現(xiàn)出優(yōu)質(zhì)高效的優(yōu)勢(shì)。一臺(tái)螺旋焊管機(jī)組的生產(chǎn)量相當(dāng)于5-8臺(tái)直縫焊管設(shè)備，如何使多臺(tái)卷管設(shè)備生產(chǎn)線(xiàn)都能夠達(dá)到同一制作標(biāo)準(zhǔn)，即按統(tǒng)一的生產(chǎn)工藝規(guī)范和質(zhì)量保證體系生產(chǎn)以滿(mǎn)足焊接質(zhì)量要求與管道制造等級(jí)將是一項(xiàng)繁重的工作。</p><p>　　多頭生產(chǎn)勢(shì)比增加工程管理與質(zhì)量監(jiān)督的工程量。多臺(tái)直縫卷管機(jī)組及相

73、應(yīng)的焊接設(shè)備，其操作人員的操作技能、質(zhì)量意識(shí)、分布的點(diǎn)和控制程序的差異將帶來(lái)生產(chǎn)管理、計(jì)劃進(jìn)度、檢查驗(yàn)收、交付協(xié)調(diào)等方面的諸多困難，極易造成管理與協(xié)調(diào)上的忙亂和生產(chǎn)廠(chǎng)家與施工單位的質(zhì)量推諉。</p><p>　　直縫焊管生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高，成本低，發(fā)展較快。螺旋焊管的強(qiáng)度一般比直縫焊管高，能用較窄的坯料生產(chǎn)管徑較大的焊管，還可以用同樣寬度的坯料生產(chǎn)管徑不同的焊管。但是與相同長(zhǎng)度的直縫管相比，焊縫長(zhǎng)度增加30

74、～100％，而且生產(chǎn)速度較低。</p><p><b>　　4.3.9質(zhì)量保證</b></p><p>　　按照螺旋焊管生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，螺旋焊縫鋼管的主要檢驗(yàn)/控制項(xiàng)目包括：</p><p>　　外形尺寸：鋼管外徑、壁厚、橢圓度、彎曲度、管端垂直度、</p><p>　　長(zhǎng)度外觀(guān)質(zhì)量：焊縫余高、錯(cuò)邊、鋼管表面、分層、夾雜

75、、焊縫缺陷判定、化學(xué)成分、焊接接頭拉伸試驗(yàn)、靜水壓試驗(yàn)、酸蝕檢驗(yàn)、無(wú)損檢驗(yàn)。</p><p>　　一般螺旋焊管機(jī)組均采用在線(xiàn)連續(xù)檢驗(yàn)方式來(lái)保證焊縫的的焊接質(zhì)量，這是螺旋焊管生產(chǎn)區(qū)別于直縫焊管生產(chǎn)的另一重要特征。連續(xù)檢驗(yàn)有利于焊接缺陷的監(jiān)控、焊接質(zhì)量的穩(wěn)定、焊接等級(jí)的保證。</p><p>　　由于生產(chǎn)工藝的限制，直縫焊管極難實(shí)現(xiàn)連續(xù)不間斷檢驗(yàn)。這將使焊接隱患與質(zhì)量問(wèn)題的出現(xiàn)機(jī)率增加，甚至影

76、響將來(lái)管線(xiàn)運(yùn)行的整體工作可靠性。</p><p>　　4.3.10生產(chǎn)資質(zhì)</p><p>　　螺旋焊管生產(chǎn)廠(chǎng)家應(yīng)持有國(guó)家頒發(fā)的工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)許可證。許可證制度要求螺旋焊管的生產(chǎn)廠(chǎng)家首先應(yīng)通過(guò)國(guó)家認(rèn)定的權(quán)威檢定機(jī)構(gòu)的審查考核，具備相應(yīng)的生產(chǎn)手段、檢驗(yàn)設(shè)備，質(zhì)量保證體系運(yùn)行良好有效，產(chǎn)品應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的等級(jí)和質(zhì)量規(guī)范的要求，經(jīng)國(guó)家工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)許可證辦公室確認(rèn)后發(fā)證。所以螺旋焊管生產(chǎn)廠(chǎng)家均有較為

77、完善的質(zhì)量保證體系和質(zhì)量控制的運(yùn)作程序。</p><p>　　4.3.11價(jià)格分析</p><p>　　由于熱軋卷板的材質(zhì)技術(shù)性能和生產(chǎn)技術(shù)工藝要求較高，故一方面國(guó)內(nèi)符合標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)廠(chǎng)家比鋼板生產(chǎn)廠(chǎng)家要少，另一方面其生產(chǎn)工藝和品質(zhì)等級(jí)決定其市場(chǎng)價(jià)位亦高于熱軋鋼板。這是螺旋焊管的市場(chǎng)售價(jià)高于直縫焊管的主要原因。對(duì)于鋼管銷(xiāo)售價(jià)格的組成，材料價(jià)格是主導(dǎo)甚至是決定性因素。</p>&l

78、t;p><b>　　4.4分析與總結(jié)</b></p><p>　　認(rèn)真考察螺旋焊管與直縫焊管的上述各方面和其價(jià)格差異，螺旋焊管的價(jià)位略高于直縫焊管是由于生產(chǎn)主材的價(jià)格差異所致。然而鋼管制作僅只是項(xiàng)目工程的一部份，若考慮到工程整體質(zhì)量、項(xiàng)目綜合造價(jià)等因素，螺旋焊管仍具有整體優(yōu)勢(shì)。故選用X120的螺旋焊管作為本次設(shè)計(jì)的輸氣管道用管。</p><p>　　5 長(zhǎng)輸管道

79、的施工工藝流程 </p><p>　　由于管道輸送介質(zhì)的不同、施工方法的不同、施工地形的不同、施工工藝流程存在著一定的差異。如長(zhǎng)輸管道一般地段的施工是先進(jìn)行管道的組裝焊接，后進(jìn)行管溝的開(kāi)挖，而石方地段、山區(qū)地段，由于管溝的爆破和管道整體困難等原因，則是采用先開(kāi)管溝，后組裝焊接的工序。還有輸送氣體介質(zhì)的管道，需對(duì)管道進(jìn)行干燥處理，而輸送液體的管道一般不需對(duì)管道進(jìn)行干燥處理。常規(guī)長(zhǎng)輸管道施工的工藝流程如圖5.1所示。

80、</p><p><b>　　No</b></p><p><b>　　Yes</b></p><p>　　圖5.1 長(zhǎng)輸管道施工工藝流程[5]</p><p>　　工序中，對(duì)于管線(xiàn)施工的幾個(gè)重要環(huán)節(jié)要嚴(yán)加控制。即管道的防腐質(zhì)量，管道的焊接質(zhì)量，管道的埋深質(zhì)量，管線(xiàn)的測(cè)徑和耐壓試驗(yàn)質(zhì)量，這幾個(gè)環(huán)節(jié)

81、控制好了，整個(gè)工程質(zhì)量才有保證，所以管道施工的每一個(gè)工序都要認(rèn)真做好，做到上道工序?yàn)橄碌拦ば蚍?wù)，上道工序?yàn)橄碌拦ば虻捻樌┕ず唾|(zhì)量提供保證。</p><p>　　焊接管道的組裝質(zhì)量，是保證焊接質(zhì)量的前提。管道組對(duì)前，要對(duì)管道內(nèi)進(jìn)行清掃，對(duì)管端內(nèi)、外20mm范圍內(nèi)及坡口內(nèi)的油污和銹蝕要清除干凈，露出金屬光澤，組對(duì)時(shí)嚴(yán)格控制管口錯(cuò)邊量。管道的組裝采用內(nèi)對(duì)口器組對(duì)。外對(duì)口器只限于起伏較大，設(shè)備不能靠近的山地和管線(xiàn)連頭

82、使用。外對(duì)口器對(duì)口速度慢。要采用定位焊才能保證焊接質(zhì)量，沒(méi)有內(nèi)對(duì)口器，業(yè)主和監(jiān)理也不會(huì)允許施工。內(nèi)對(duì)口器的操作人員要對(duì)內(nèi)對(duì)口器的操作和使用進(jìn)行訓(xùn)練，了解其性能和操作要領(lǐng)。對(duì)口器使用前要對(duì)脹塊進(jìn)行調(diào)整。要使用管道對(duì)口的專(zhuān)用內(nèi)對(duì)口器，以保證其對(duì)口的質(zhì)量和速度。在沒(méi)有挖溝的地段進(jìn)行管道組裝時(shí)，要平等于管溝中心線(xiàn)，以方便管溝開(kāi)挖。如果組對(duì)的管線(xiàn)沿管溝中心線(xiàn)來(lái)回?cái)[動(dòng)，會(huì)影響焊口的質(zhì)量。[6]</p><p>　　6 模擬焊

83、件的實(shí)驗(yàn)方案</p><p>　　6.1 X120鋼抗裂性研究</p><p>　　在焊接熱循環(huán)的作用下，焊縫及HAZ金屬由于組織、性能發(fā)生變化，內(nèi)應(yīng)力作用及擴(kuò)散氫的影響，就可能發(fā)生冷裂紋。本文采用斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)方法評(píng)價(jià)X120管線(xiàn)鋼常用根焊方法的焊縫及HAZ冷裂傾向。采用插銷(xiāo)冷裂紋試驗(yàn)方法考核X120管線(xiàn)鋼的氫致延遲裂紋敏感性，并對(duì)斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果加以驗(yàn)證[7]。

84、</p><p>　　首先，應(yīng)用冷裂紋判據(jù)計(jì)算公式，分析計(jì)算X120管線(xiàn)鋼的冷裂紋敏感系數(shù)和預(yù)熱溫度，然后結(jié)合工程中采用的焊接施工實(shí)際情況，設(shè)定斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)和插銷(xiāo)冷裂紋試驗(yàn)的試驗(yàn)溫度。 </p><p>　　6.1.1斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)</p><p>　　試驗(yàn)過(guò)程按照《斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)方法》的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。試件采用X80管線(xiàn)鋼板，厚度為18

85、.4mm，坡口加工采用機(jī)械切削加工。試樣的形狀、尺寸要求如圖6-1所示。</p><p>　　圖6-1 斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)試板組焊及取樣位置圖</p><p>　　首先組對(duì)試件，在焊接試驗(yàn)部位雙面點(diǎn)固焊保證試件間隙。然后，焊接拘束焊縫。拘束焊縫的焊接采用GB/T 5117 E5015Φ4.0mm低氫型焊條。首先從背面焊第一層，然后再焊接正面一側(cè)的第一層。焊接過(guò)程中注意不要產(chǎn)生角變形及未

86、焊透，后面各層正面和背面交替焊接，直至焊完。最后焊接試驗(yàn)焊縫。試驗(yàn)焊縫焊接之前應(yīng)將坡口兩側(cè)的飛濺物、油、銹等物質(zhì)清除干凈。焊接時(shí)應(yīng)在坡口外引弧，收弧也應(yīng)離開(kāi)坡口。焊前應(yīng)采用不同的預(yù)熱溫度對(duì)試件進(jìn)行預(yù)熱。焊后的試件經(jīng)過(guò)48h以后進(jìn)行解剖和檢測(cè)。用放大鏡目測(cè)檢查焊縫表面裂紋，并按式6-1計(jì)算出表面裂紋率。沿焊縫長(zhǎng)度方向均勻截取成6段，</p><p>　　試件截取方法如圖6-2所示。</p><p

87、>　　圖6-2斜Y坡口焊接裂紋試件的斷面截取方法</p><p>　　檢查5個(gè)橫斷面的裂紋情況，并按式（6-2）計(jì)算出斷面裂紋率。</p><p><b>　　6-1</b></p><p>　　式中：∑Lf是表面裂紋長(zhǎng)度之和（mm）；L是試驗(yàn)焊縫長(zhǎng)度（mm）。</p><p><b>　　6-2<

88、/b></p><p>　　式中∑Hs是5個(gè)斷面上裂紋深度之和（mm）；∑H是5個(gè)斷面試驗(yàn)焊縫最小厚度之和。</p><p>　　6.2全焊縫金屬拉伸試驗(yàn)</p><p>　　試驗(yàn)設(shè)備：WAW-600B型微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)</p><p>　　制取試樣：樣坯從環(huán)焊接頭0點(diǎn)位置平行于焊縫軸線(xiàn)截取，制樣可通過(guò)火焰切割的方法切取大塊，

89、樣坯不展平，采用機(jī)械加工去除弧度并按照GB 228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》的規(guī)定加工成Φ12.7mm的拉伸試棒，機(jī)械加工過(guò)程中應(yīng)保證試樣的有效拉伸長(zhǎng)度部分為焊縫金屬，如圖2-7 b）和c）所示。按照GB 228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》的有關(guān)要求測(cè)定焊縫金屬拉伸試棒的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，并與X80管線(xiàn)鋼管的強(qiáng)度進(jìn)行比較分析。</p><p><b>　　6.3硬度的測(cè)定</

90、b></p><p>　　試驗(yàn)設(shè)備：HVS-10ZC布維硬度計(jì)</p><p>　　試驗(yàn)條件：載荷98N，加載持續(xù)時(shí)間15s</p><p>　　制取試樣：從環(huán)焊接頭3點(diǎn)位置垂直于焊縫軸線(xiàn)截取大塊試樣，機(jī)械加工成硬度試樣。制取試樣過(guò)程中應(yīng)避免切割熱量對(duì)硬度值的影響。</p><p>　　試驗(yàn)過(guò)程：分別在焊接接頭的上表面、中心和下表面進(jìn)行

91、硬度的測(cè)定，硬度測(cè)試點(diǎn)的分布如圖6-3所示。</p><p>　　圖6-3 焊接接頭硬度測(cè)試點(diǎn)分布圖</p><p>　　按照GB/T 4340.1-1999《金屬維氏硬度試驗(yàn)第一部分：試驗(yàn)方法》的有關(guān)要求測(cè)定焊接接頭的焊縫金屬和HAZ硬度分布。</p><p>　　6.4低溫沖擊韌度的測(cè)定及試樣斷面觀(guān)察</p><p>　　試驗(yàn)設(shè)備：低溫槽

92、（介質(zhì)：無(wú)水乙醇；制冷范圍：0～-40℃）、JB-500型沖擊試驗(yàn)機(jī)、JSM6360LV型掃描電鏡</p><p>　　試驗(yàn)溫度：0℃、-10℃、-20℃、-30℃、-40℃</p><p>　　制取試樣：從環(huán)焊接頭1～3點(diǎn)位置垂直于焊縫軸線(xiàn)截取大塊試樣，按照GB 4159-84《金屬低溫夏比（V型缺口）沖擊試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)要求機(jī)械加工制取沖擊試樣，試樣尺寸為55mm×10m

93、m×10mm。V型缺口分別開(kāi)在焊縫中心和HAZ的熔合線(xiàn)上。沖擊試樣和HAZ熔合線(xiàn)上V型缺口的位置如圖6-4所示。制取試樣過(guò)程中應(yīng)避免切割熱量的影響。</p><p>　　圖6-4沖擊試樣在焊縫金屬和HAZ的V型缺口位置示意圖</p><p>　　試驗(yàn)過(guò)程：試樣用液體介質(zhì)冷卻，保溫時(shí)間不少于10min，試樣移出冷卻介質(zhì)至打斷的時(shí)間不超過(guò)5s，附加過(guò)冷溫度2℃。</p>

94、<p>　　按照GB 4159-84《金屬低溫夏比（V型缺口）沖擊試驗(yàn)方法》的有關(guān)要求測(cè)定焊縫金屬和HAZ的沖擊韌度，得到焊縫金屬和HAZ的韌脆轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)。并利用掃描電子顯微鏡觀(guān)察低溫沖擊試樣斷口形貌，拍攝掃描電鏡照片。</p><p>　　6.5焊接接頭組織與性能的測(cè)定</p><p>　　焊接接頭的組織與性能直接關(guān)系到管線(xiàn)的安全運(yùn)行。因此，在進(jìn)行管道焊接施工前，要求進(jìn)行環(huán)焊縫

95、焊接接頭的性能評(píng)定，以確保按照選擇的焊接材料、焊接方法和工藝措施進(jìn)行焊接所完成的環(huán)焊縫焊接接頭能夠滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)文件的規(guī)定和要求。環(huán)焊縫焊接接頭性能評(píng)定主要是以API 1104的相關(guān)試驗(yàn)要求為基礎(chǔ)，并根據(jù)管線(xiàn)的設(shè)計(jì)要求選擇進(jìn)行沖擊韌性試驗(yàn)、宏觀(guān)金相分析、硬度試驗(yàn)、等補(bǔ)充試驗(yàn)[8]。</p><p><b>　?、亠@微組織的觀(guān)察</b></p><p>　　取環(huán)焊接

96、頭試件的立焊位置（3點(diǎn)位置）制取金相試樣，進(jìn)行光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀(guān)察X120管線(xiàn)鋼管焊縫金屬和HAZ的顯微組織。</p><p><b>　?、诠鈱W(xué)顯微鏡觀(guān)察</b></p><p>　　試驗(yàn)儀器：XJG-05金相顯微鏡。</p><p>　　浸蝕劑：4%硝酸酒精溶液，浸蝕時(shí)間約15s。</p><p>　　利用

97、光學(xué)顯微鏡觀(guān)察經(jīng)拋光、浸蝕后的焊接接頭金相試樣，觀(guān)察其顯微組織并拍攝金相照片。</p><p>　?、蹝呙桦娮语@微鏡觀(guān)察</p><p>　　試驗(yàn)儀器：JSM6360LV掃描電鏡。</p><p>　　浸蝕劑：4%硝酸酒精溶液，浸蝕時(shí)間約15s。</p><p>　　利用掃描電子顯微鏡觀(guān)察經(jīng)拋光、浸蝕后的焊接接頭金相試樣，觀(guān)察其顯微組織，并拍

98、攝掃描電鏡照片。</p><p>　　6.6 X120焊接線(xiàn)能量的實(shí)驗(yàn)方案［9］</p><p>　　焊接電流的選擇一般可根據(jù)焊條直徑進(jìn)行初步選擇。此外，還要進(jìn)一步考慮板厚、接頭形式、焊接位置、施焊環(huán)境溫度、工件材質(zhì)和焊條等因素。板厚較大、施焊環(huán)境溫度低時(shí)，由于導(dǎo)熱快，焊接電流要大一些。非平焊位置焊接時(shí)，為了易于控制焊縫成形，焊接電流可小一些。對(duì)于重要結(jié)構(gòu)，應(yīng)先根據(jù)試驗(yàn)確定熱輸入范圍，然后

99、根據(jù)允許的熱輸入量，確定焊接電流范圍洲。本試驗(yàn)工作是采用熱模擬的方法對(duì)不同焊接線(xiàn)能量的熱循環(huán)條件下 X120管線(xiàn)鋼粗晶區(qū)進(jìn)行模擬，對(duì)熱模擬試驗(yàn)后的試樣進(jìn)行硬度測(cè)定、低溫沖擊韌性試驗(yàn)和金相觀(guān)察，分析其組織和性能的變化規(guī)律，同時(shí)為制定焊接工藝參數(shù)提供試驗(yàn)依據(jù)。壁厚15.36mm的X120鋼管道對(duì)接環(huán)縫根部焊道為例，無(wú)論環(huán)境溫度為0℃(野外)還是環(huán)境溫為25℃(室內(nèi))當(dāng)焊后的t8/5在35S附近時(shí)可以獲得以大量的低碳馬氏體和少量下貝氏體組織，

100、從而避免冷裂紋的發(fā)生。所以應(yīng)選擇大于100℃的預(yù)熱溫度以防止冷裂紋的產(chǎn)生，實(shí)際生產(chǎn)中。預(yù)熱溫度的經(jīng)驗(yàn)值是在100℃－150℃之間，驗(yàn)證了理論計(jì)算的正確性，計(jì)算結(jié)果為今后生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。</p><p><b>　?、贌崮M試驗(yàn)方案:</b></p><p>　　本試驗(yàn)選定5種線(xiàn)能量5kJ、12kJ、20kJ、35kJ、50kJ，覆蓋了常用焊接方法的線(xiàn)能量，手工電弧

101、焊、藥芯焊絲電弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊的線(xiàn)能量在5~15kJ范圍內(nèi)，制管埋弧焊的線(xiàn)能量一般為20~50kJ。不同的線(xiàn)能量代表不同的焊接工藝，熱模擬的工藝參數(shù)也不一樣。因此，對(duì)應(yīng)不同的線(xiàn)能量，冷卻速度也不一樣。</p><p>　?、谠囼?yàn)材料：試驗(yàn)材料為寶鋼生產(chǎn)的X120管線(xiàn)鋼。</p><p><b>　?、墼嚇又苽?</b></p><p>　

102、　根據(jù)本試驗(yàn)所采用的熱模擬設(shè)備的夾具，從15.36mm壁厚的X120管線(xiàn)鋼上截取20個(gè)50mmx50mmx20mm(試樣尺寸)試樣，試樣表面精度士0.05nun。在Gleeble－2000熱模擬試驗(yàn)機(jī)上模擬焊接熱影響區(qū)的粗晶區(qū)。試驗(yàn)中加熱的峰值溫度固定為1300℃，加熱時(shí)間為5秒鐘，對(duì)應(yīng)不同的線(xiàn)能量，在其它條件相同的情況下，模擬不同熱輸入對(duì)粗晶區(qū)組織和性能的影響。對(duì)經(jīng)歷不同熱循環(huán)后的試樣在光學(xué)顯微鏡上觀(guān)察其顯微組織。沖擊韌度試驗(yàn)按照國(guó)標(biāo)

103、GB4159－84《金屬低溫夏比(形缺口)沖擊試驗(yàn)方法進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)備為JB3OO沖擊試驗(yàn)機(jī)，試樣尺寸50mmx50mmx20mm。試驗(yàn)溫度為－20℃。沖擊試樣V 型缺口的位置在中間焊熱電偶處。經(jīng)過(guò)分析找出能達(dá)到要求的線(xiàn)能量。</p><p>　　由于實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有這些實(shí)驗(yàn)儀器及X120管線(xiàn)鋼等條件，未能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)故而不進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果分析。</p><p>　　7 輸氣管道的現(xiàn)場(chǎng)組焊工藝設(shè)計(jì)<

104、/p><p>　　7.1鋼材的選用技術(shù)分析</p><p>　　7.1.1 X120 鋼級(jí)管線(xiàn)鋼板的性能</p><p><b>　?、?化學(xué)成分</b></p><p>　　寶鋼生產(chǎn)的X120鋼級(jí)管線(xiàn)鋼板的主要化學(xué)成分見(jiàn)表7-1。</p><p>　　表7-1 X120管線(xiàn)鋼的化學(xué)成份（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

105、[9]</p><p>　?、?力學(xué)性能 [10]</p><p><b>　　橫向拉伸試驗(yàn)</b></p><p>　　1）鋼板的橫向拉伸試驗(yàn)結(jié)果及性能分析見(jiàn)表7-2。根據(jù)ISO 3183[2]之規(guī)定, 高于X90鋼級(jí)鋼管的屈服強(qiáng)度應(yīng)采用RP0.2。由表4 可以看出,RP0.2 略大于Rt0.5, 圓棒比橫向矩形拉伸試樣的屈服強(qiáng)度RP0.2

106、低30 MPa; 伸長(zhǎng)率低10%; 屈強(qiáng)比高2%; 抗拉強(qiáng)度Rm 低15 MPa, 變化不大。</p><p>　　表7-2 X120鋼級(jí)鋼板的橫向拉伸試驗(yàn)結(jié)果</p><p>　　表7-3 寶鋼X120鋼級(jí)鋼板的橫向拉伸性能分析</p><p>　　2）鋼板的DWTT 試驗(yàn)溫度為- 30 ℃, 剪切面積最小為90%, 平均為95%。</p><

107、p><b>　　3）夏比沖擊試驗(yàn)</b></p><p>　　表7-4 鋼板的夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5</p><p><b>　　4）硬度</b></p><p>　　鋼板的硬度HV10 最小值為255, 最大值為285。</p><p><b>　　5）晶粒度</b>&

108、lt;/p><p>　　鋼板的晶粒度優(yōu)于12 級(jí)。</p><p><b>　　7.2焊接工藝</b></p><p>　　7.2.1碳當(dāng)量分析</p><p>　　X120管線(xiàn)鋼的碳當(dāng)量與其他強(qiáng)度級(jí)別較低的管線(xiàn)鋼相比，如X80管線(xiàn)鋼、X90管線(xiàn)鋼和X100管線(xiàn)鋼，X120管線(xiàn)鋼含碳量明顯下降，碳當(dāng)量可以粗略的反映鋼材的淬硬

109、傾向和焊接加工的難易，應(yīng)當(dāng)對(duì)碳當(dāng)量進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂啤?lt;/p><p>　　碳當(dāng)量計(jì)算式： 7-1</p><p>　　冷裂紋敏感系數(shù)： 7-2</p><p>　　把表7-1中X120的成份代入上式計(jì)算即得到X120的碳當(dāng)量CE=0.20，Pcm=0.2根據(jù)國(guó)際慣例一般認(rèn)為碳當(dāng)量>0.45%時(shí)，焊接性比較差。由于X120管線(xiàn)

110、鋼碳含量低淬硬傾向較小焊后一般不需要熱處理及其它保溫措施。但是在焊后也可能會(huì)出現(xiàn)冷裂紋，所以，我們對(duì)該鋼種進(jìn)行焊接性試驗(yàn)研究，以便找出最佳的焊接規(guī)范參數(shù)。</p><p>　　7.2.2 X120鋼的焊接性[11]</p><p>　　發(fā)展高強(qiáng)度管線(xiàn)鋼的一個(gè)困難問(wèn)題是焊接接頭的“軟化”問(wèn)題。焊接金屬(熔敷材料)是鑄造組織, 其強(qiáng)/韌性配比受到一定的限制。對(duì)于X100級(jí)以下的管線(xiàn)鋼,焊接熔敷

111、材料獲得針狀鐵素體顯微組織就可以保證得到良好的強(qiáng)/韌性配比的焊接接頭,其中,當(dāng)管線(xiàn)鋼強(qiáng)度在X70 級(jí)以下時(shí)(拉伸強(qiáng)度≤650MPa) ,比較容易得到高強(qiáng)匹配的焊接接頭,見(jiàn)圖7-1。</p><p>　　圖7-1 管線(xiàn)鋼焊接熔敷金屬?gòu)?qiáng)韌性配比示意圖</p><p>　　由圖7-5可見(jiàn),對(duì)于X120 級(jí)管線(xiàn)鋼,焊接熔敷金屬為針狀鐵素體組織的,強(qiáng)度就達(dá)不到要求(拉伸強(qiáng)度≥950MPa) ,只有馬

112、氏體和貝氏體組織才能達(dá)到要求的強(qiáng)度。但是焊接熔敷金屬為馬氏體或貝氏體組織的,韌性很低又不能滿(mǎn)足要求。因此發(fā)展了既有馬氏體和貝氏體的強(qiáng)度又有高韌性的新型焊接熔敷材料(見(jiàn)圖16) ,其化學(xué)成分見(jiàn)表7。這種焊接熔敷金屬中含有微量的鋯,在焊接熔化過(guò)程中,鋯被氧化呈彌散分布的氧化鋯,并成為熔敷金屬冷卻過(guò)程中針狀鐵素體的核心。這種熔敷金屬存在著兩種截然不同的相,一種是軟的針狀鐵素體相(AF) ,一種是硬的板條馬氏體(LM)和蛻化上貝氏體相(DUB)

113、 。這種顯微組織叫作針狀鐵素體介入馬氏體(AF IM) ,即針狀鐵素體將原始奧氏體晶內(nèi)的組織分割成具有大于l5°的大角度晶界的亞結(jié)構(gòu),從而在保證熔敷金屬具有高強(qiáng)度的前提下改善焊接熔敷金屬的韌性,見(jiàn)圖7-2。</p><p>　　圖7-2 X120級(jí)管線(xiàn)鋼研制的新型焊接熔敷材料圖解</p><p><b>　　7.2.4焊接工藝</b></p>

114、<p><b>　?、?母材</b></p><p>　　寶鋼生產(chǎn)的管徑為φ1016mm，壁厚為15.36mm的螺旋埋弧焊X120焊管。</p><p>　?、?焊接材料選擇為如下表7-5化學(xué)成分的焊絲：</p><p>　　表7-5 根焊、填充焊和蓋面焊都采用此種焊材[12]</p><p>　　注：其中w（

115、s）為0.004%，w（V）≦0.001%，w（P）為0.0048%，w（B）≦0.0004%，w（Al）為0.008%，w（N）為0.0031%，w（Mo）為0.057%～0.61%，w（O）為0.003%，w（Nb）≦0.001%。</p><p>　　③ 焊接方法及坡口：經(jīng)分析決定采用藥芯焊絲半自動(dòng)焊工藝，其焊接工藝形式為：自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)填充、蓋面焊。根焊采用陡降外特性直流電源，填充、蓋面焊采用平處特