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1、压力管道焊接,上海市特种设备监督检验技术研究院 顾福明 工学博士 教授级高工,国家高级安全评价师,AWS焊接检验师,国际焊接工程师 电话:13524522468 EMAIL:,内容,1、国内外压力管道的发展过程 2、压力管道用钢及制管 3、压力管道焊接施工 4、焊接应力和变形 5、焊接工艺评定 6、焊接质量控制 7、管道的在线焊接及修复,管道,与公路、水道、铁路以及航空运输相比，管道运输成本最低。 系统化 网络化 人类离不开管道 人体内的管道和容器、生活、交流,1、国内外压力管道的发展过程,1.1 国外压力管道的发展历史 1.2 我国早期的输油管道和输气管道 1.3 我国已经建成和将要建设的管
2、道工程,1.1 国外压力管道的发展历史,1865年在美国宾夕法尼亚州建立了第一条输油管道，直径50mm，全长9km，材质是丝扣连接的铸铁管。1874年该州又建立了一条直径100mm，长度96km的管道，开始了与铁路的竞争。 在第一次世界大战前，机械接头也由焊接取代。第二次世界大战期间，美国政府资助建立了一条直径630mm，全长2240km的成品油管道。 美国1977年建成投产的横贯阿拉斯加的原油管道，全长1276.8km，管径1220mm，是世界上第一条进入北极地区的原油管道，其中615km采用高架铺设。,原苏联1964年建设的第一条“友谊”输油管道，第一次采用1020mm管径的钢管，全长55
3、00km。1977年又修建了第二条“友谊”输油管道，全长4412km，管径1220mm。 1983年乌连戈伊-波马雷-乌连戈罗德干线投入使用，这条管道第一次把苏联的天然气送到了西欧。该管道长达4450km，直径1420mm，工作压力7.5MPa。经过水域、河流、森林、永冻土区，施工难度，管径，里程，泵站数量，输量均堪称世界之最。这条管道充分显示了原苏联在管道设计和建造方面的实力。在西伯利亚、北极区的管道铺设得益于闪光对焊技术的应用。,1983年投产的沙特阿拉伯的东西原油管道，引起各国注意。这条管道自东向西横贯沙特阿拉伯中部地区，全长1202km，管径1220mm，穿越了浩瀚的沙漠地区。 随着英
4、国北海油田的开发，兴建了一批海洋原油管道，总长度达4000余公里，在深100多米的海底铺设。 这些管道的成功建设，标志着管道已可以通过极为复杂的地质、地理条件与气候恶劣的地区。,1.2 我国早期的输油管道,我国的第一条长输管道是1957年建设的克拉玛依到独山子的输油管道，管径150mm，全长147km。 1965年胜利油田开始建设由东营至辛店炼油厂的输油管道，管径426mm，全长约80km，是我国第一次在盐碱腐蚀地带建设的原油管道。 1970年8月3日，国家批准在东北地区兴建著名的“八三管道工程”，干线全长593km，管径720mm。,解放后铺设的第一条输气管道，是1958年建成的四川省永川黄
5、瓜山气田至永川化工厂的原料天然气管道，全长20km，管径159mm。随着四川天然气工业的迅速发展，从1963年至1984年陆续建设形成了四川地区输气干、支线延展总长度达3525km，可与54个气田相连接，承担着向川、滇、黔3省13个地区600多个用户的供气任务。 70年代后，随着油田天然气的开发，大庆、辽河、华北、胜利、大港、中原等油田，都相应建成了一批向城市供气的长距离输气管道。,我国早期的输气管道,西气东输工程，近3900公里。 涩宁兰输气管道工程，全长950公里。 忠县至武汉输气管道工程，全长760公里。 邯郸至石家庄至涿州输气管道工程，全长362公里。 陕京输气工程复线，全长近900公
6、里 济宁联络线，全长1000多公里,1.3 我国近几年建设和将要建设的输气管道,2 压力管道用钢及制管,2.1 钢材的力学性能 2.2 管线钢的发展历史 2.3 管线钢按组织分类 2.4 相关标准中钢号的含义 2.5 管道工业的发展方向 2.6 焊管的生产 2.7 西气东输工程用钢管情况 2.8 压力管道用其它钢管,2.1 钢材的力学性能,钢材在一定的温度条件和外力作用下抵抗变形和断裂的能力，称为力学性能。 常规力学性能，如强度、塑性、硬度和韧性等。 高温性能，如抗蠕变性能、持久强度、瞬时强度和热疲劳性等。 低温性能，如低温冲击韧性、脆性转变温度等。,常规力学性能指标,屈服强度：s N/mm2
7、或KN/mm2 抗拉强度：b N/mm2或KN/mm2 延伸率：5或10 % 断面收缩率： % 硬度：HB HR HV HL 冲击韧性：ak J,2.2 管线钢的发展历史,C、Mn、Si型普通碳素钢 早期的管线钢一直采用C、Mn、Si型的普通碳素钢，在冶金上侧重于性能，对化学成分没有严格的规定，钢的屈服强度一般为295360MPa。,低合金高强钢（HSLA） 自60年代开始，随着输油、气管道输送压力和管径的增大，开始采用低合金高强钢（HSLA），主要以热轧及正火状态供货。这类钢的化学成分：C0.2%，合金元素35%。,API 5L X56、X60、X65微合金控轧钢 随着管线钢的进一步发展，到
8、60年代末70年代初，美国石油组织在API 5LX和API 5LS标准中提出了微合金控轧钢X56、X60、X65三种钢，屈服强度提高到392457MPa。这种钢突破了传统钢的观念，碳含量为0.1-0.14%，在钢中加入0.2%的Nb、V、Ti等合金元素，并通过控轧工艺使钢的力学性能得到显著改善。,多元微合金化控轧控冷钢 到1973年和1985年，API标准又相继增加了X70（屈服强度达482MPa）和X80钢，而后又开发了X100管线钢，碳含量降到0.01-0.04%，碳当量相应地降到0.35以下，屈服强度达551.2689MPa，真正出现了现代意义上的多元微合金化控轧控冷钢。,2.3 管线钢
9、按组织分类,铁素体珠光体钢：基本成分是C-Mn，采用热轧正火生产工艺。 少珠光体钢：基本成分是Mn-Nb、Mn-V、Mn-Nb-V等。为微合金控轧钢，通过晶粒细化和Nb、V第二相的沉淀强化可获得较好的强韧配合。 针状铁素体钢：典型成分为C-Mn-Nb-Mo。通过微合金化和控制轧制，综合利用晶粒细化、微合金化元素的析出相和位错亚结构的强化效应来提高屈服强度和冲击韧性。,超低碳贝氏体钢：典型成分为Mn-Nb-Mo-B-Ti。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含量和进一步控轧与控冷工艺显著提高屈服强度（700-800MPa）。代表钢种X80钢。 低碳索氏体钢是未来管线钢的发
10、展方向，具有更高的强韧性，通过淬火+回火的热处理工艺形成低碳索氏体，以满足厚壁、高强度和足够韧性的综合要求。,2.4 API 5L标准中钢号的含义,美国石油学会标准API Spec 5L管线管规范 X70：强度等级为70,000磅/平方英寸 A、B、X,GB9711.2标准中钢号的含义,石油天然气工业输送钢管交货技术条件 第2部分：B级钢管 GB9711与ISO3183等效采用。 L485：屈服强度等级为485MPa。 L360NB,A:相当于API 5L（1）规定的基本的质量要求。 B:不同于基本质量要求或除基本质量要求之外的其他要求，如韧性、无损检测方面的内容。 C:某些特殊用途，对钢管的
11、质量和试验有着非常严格的要求。,N:交货状态为形变正火状态。即最终形变在一定温度范围内完成，使材料状态与正火处理后的性能相当。即使再经正火处理，力学性能的规定值保持不变。 M:交货状态为形变热处理。即最终形变在一定温度范围内完成，使材料具有单独采用热处理无法达到或重复的某些性能。若随后加热至580以上会降低强度值。 Q:交货状态为淬火加回火。即先奥氏体化，然后进行冷却，得到马氏体或贝氏体，再进行一次或多次加热、保温，适当的速度冷却，以达到规定的性能。,GB9711与API 5L（1）部分钢级对照表,2.5 管道工业的发展方向,在一定条件下提高输送压力。 扩大管道直径可以增加经济效益。 在保证可
12、焊性和冲击韧性的前提下，管材的强度有了很大提高。 长距离大动脉,目前国外建设的一些大口径管道多采用高强钢，如阿拉斯加输油、输气管道，北海油田的输油管道均采用X65级钢。原苏联及加拿大的输气管道均采用X70级钢。 我国管线钢的应用和起步较晚，过去已铺设的油、气管线大部分采用Q235和16Mn钢。“六五”期间，我国开始按照API标准研制X60、X65管线钢，并成功地与进口钢管一起用于管线敷设。90年代初宝钢、武钢又相继开发了高强高韧性的X70管线钢，并在西气东输工程、陕京二线工程中得到成功应用。 国外已经有X80钢试验段。目前应用到的最高强度级别为X120,在加拿大北部有2公里试验段。,2.6 焊
13、管的生产,a.螺旋缝埋弧焊（SSAW） b.直缝埋弧焊（LSAW） c.高频直缝电阻焊（ERW） d.直缝双面埋弧焊管（UOE）,焊管生产过程,2.7 西气东输线路工程用钢管,西气东输管道工程用钢管为X70等级管线钢，规格为1016mm14.626.2mm。 X70管线钢除了含Nb、V、Ti外，还加入了少量的Ni、Cr、Cu和Mo，其本质为针状铁素体型的高强、高韧性管线钢。,西气东输工程X70管线钢化学成分,西气东输工程X70管线钢力学性能,2.8 其它钢材,碳钢及低合金钢：20#,16Mn，15MnNbR, A105，Gr.B 调质钢：WHPY70，WHPY65，WHPY60,A694 F6
14、5 热强钢：16MnR, 12CrMo，P355NH,P460NH 低温钢：16MnD，16MnDR，15MnNiDR A350 LF2, A333 Gr.6 不锈钢：0Cr18Ni9Ti AISI 316,3 压力管道焊接施工,3.1 压力管道焊接施工的特点和发展 3.2 主要应用的焊接工艺和焊接材料 3.3 常用的焊接设备 3.4 焊接施工工序,3.1 压力管道焊接施工的特点,复杂的气候条件； 不稳定的固定条件； 全位置的操作条件； 焊接工艺的多样化和适应性。,我国钢质管道环缝焊接技术经历了几次大的变革：七十年代采用传统焊接方法，低氢型焊条手工电弧焊上向焊技术；八十年代推广手工电弧焊下向焊
15、技术，为纤维素焊条和低氢型焊条下向焊；九十年代应用自保护药芯焊丝半自动焊技术；今天开始全面推广全位置机械化焊接技术。,压力管道焊接施工的发展,焊条电弧焊上向焊（手工焊） 焊条电弧焊下向焊（手工焊） 自保护药芯焊丝电弧焊下向焊（半自动焊） 熔化极气体保护电弧焊下向焊 （半自动焊、机械化焊接） 自动化焊接,3.2 主要应用的焊接工艺和焊接材料,这种焊接方法是我国20世纪70年代以前管道焊接施工中采用的传统的方法（即低氢型焊条上向焊技术）。目前，这种焊接方法主要用于返修焊接、连头焊接，站场焊接以及特殊地段、特殊焊缝的焊接。 这种焊接工艺方法使用的焊接材料主要为国产的低氢型焊条，如E5015，E501
16、6等。,上向焊,下向焊 焊条电弧焊下向焊是八十年代从美欧引进的焊接技术，其特点为采用薄层、多道、快速焊的方法完成操作，合格率高，特别适合于大机组流水作业 主要使用的焊接材料为纤维素型和低氢型下向焊条。目前压力管道建设中，下向焊工艺使用的焊条主要依靠进口。如奥地利BOHLER，美国LINCOLN等。 国内对于纤维素型焊条的开发工作已经有了很大的进展，初步具备了现场应用的条件。如洛阳725所，四川大西洋等的产品。而低氢型下向焊条基本上还是空白。,E6010纤维素型焊条电弧吹力大，操作性能好，特别适合于单面焊双面成型的根部焊接，是目前管道焊接施工中主要的根焊方法。 低氢型焊条下向填充、盖面焊接技术操作灵活，适应性好。但对于大口径、厚壁钢管来说，劳动强度大，焊接效率低，另外对焊工的操作水平要求较高，目前只应用在部分连头焊接和返修焊接中。,下向焊,1.全纤维素型焊条下向焊 对于条件如区域性的长输管道建设工程及一些水网地带，自动或半自动焊接机具和设备因环境限制，不易进入的地区等情况多采用这
