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我國大口徑X70輸氣鋼管焊接技術和質量現狀

作者:AM8亚美来源:[AM8亚美公司]访问:150时间:2019-12-01

西氣東輸工程是新世紀開始我國一項大的重點工程。管道全長約4000km,初期輸氣量為每年120億立方米,終究輸氣量每年200億立方米。設計壓力14MPa,運行壓力10MPa,鋼管用量約160多萬噸。她將西部的自然氣資本輸送到經濟發達但能源短缺的東南沿海地區,將大大地促進中國的經濟發展,且推動了我國石油自然氣輸送管製管技術的進步。 X70是國外70年代初發展起來的一種微合金高強度管線鋼,采用控軋控冷工藝,得到以針狀鐵素體為主的組織,強度、韌性和焊接性等性能非常好,已在工程中大量使用 ,技術已很成熟 。我國管線鋼的利用研究起步較晚,然而發展很快,80年代之前一向采用A3F、16Mn一類的鋼材,直至80年代中後期才開始少量采用X60鋼管,且多為進口鋼材。80年代初開始,國內鋼鐵企業、製管廠和科研單位經過多年的努力,研製出X60、X65管線鋼。為了國家西氣東輸工程建設的需要,於2001年又研製出了X70高強度管線鋼。[1][4] 油氣輸送鋼管的焊接,是製管廠的關鍵技術環節之一,焊接質量的好壞關係到管線運行的安全,可以衡量一個國家管線鋼焊接技術水平。在研製大口徑X70鋼管的過程中,攻關單位付出了很大努力,攻克了很多技術難關,把握了X70管線鋼焊接技術,相繼於2001年和2002年開發出了大口徑(OD.1016mm)X70螺旋埋弧焊管(SSAW)和直縫埋弧焊管(LSAW),約80萬噸的國產X70焊管用於國家的西氣東輸工程建設,生產焊管合格率達到97%以上。本文通過大量的調研 、統計,分析研究了我國目前X70管線鋼製管的焊接技術和質量現狀 。 1 焊接工藝 西氣東輸工程用鋼管的外徑均為1016mm,而鋼管厚度根據使用地區種別的不同從14.6到26.2mm。該工程用鋼管分為直縫和螺旋縫埋弧焊鋼管兩種,由於曆史的啟事,我國的鋼管生產線大多為螺旋鋼管生產線,參與西氣東輸工程鋼管生產的螺旋鋼管廠有6家,均為在線焊接。為了西氣東輸工程的需要,其中的一家管廠新建了一條直縫埋弧焊管生產線 ,成型方式為JCOE。 建造鋼管的焊接方法均采用雙麵埋弧焊,焊接設備為美國Lincoln或德國Messer公司的生產焊機。根據材料厚度的不同,鋼管內外焊一般采用2-4絲焊接,也有個別廠家內焊道采用單絲焊。螺旋埋弧焊管采用在線焊接,由於受到成型機組行進速度的限製,焊接速度不高,而直縫焊管的焊速較高。國內生產φ1016mm X70埋弧焊管的焊接工藝見表1,通過控製焊接線能量來保證鋼管焊接接頭的性能。

表1 X70埋弧焊管首要焊接工藝參數

2 焊接材料 建造鋼管焊接材料包括埋弧焊絲和焊劑。目前使用的焊絲首要是H08C,這是國家“八五”計劃期間有關單位研製的高強度高韌性管線鋼專用焊絲,屬於Mo-B-Ti型合金係,是一種低碳、低硫磷、低氣體含量和雜質含量的優良焊絲 。通過采用微合金化和細晶粒強韌化機理設計焊絲,使焊縫得到了以針狀F為主的組織,同時滿足高強度和高韌性的要求。其典型的化學成分和力學性能見表2、表3。采用該焊絲生產鋼管焊縫的典型金相組織見圖1 。也有的製管廠采用JW-9牌號的焊絲,它與H08C焊絲具有相近的化學成分和力學性能。[2]

表2 H08C焊絲的典型化學成分


使用的焊劑有2種,牌號分別為SJ101和SJ101G,均為國內生產 。SJ101焊劑屬於氟堿型燒結焊劑,堿度值為1.8擺布,粒度10~60目,焊劑成分為Ti-Al2O3-MgO係統。該焊劑具有良好的抗吸潮性,焊接過程電弧燃燒穩定、脫渣輕易,所焊焊縫金屬的低溫衝擊韌性較高。SJ101G焊劑也屬於氟堿型燒結焊劑,堿度值為1.6~2.0,為氟堿型渣係特征,焊渣成分:CaO+MgO+MnO+CaF2≥50%、SiO2≤20%、CaF2≥15%,通過配合H08C焊絲得到高韌性焊縫。[3]

表3 H08C焊絲熔敷金屬的典型力學性能

圖1 鋼管焊縫的典型金相組織

3 焊接質量 3.1 焊縫外觀焊縫的外觀質量包括焊縫的餘高、錯邊、焊縫與母材的過渡、焊縫外形 、寬窄均勻性等等。圖2為一組典型的螺旋縫與直縫埋弧焊管焊縫外觀質量對比。與直縫埋弧焊管焊縫外觀質量相比,螺旋埋弧焊管由於是在線焊接,焊接工藝受成型機組的影響而不能調節到最好狀況,焊縫的外觀質量普遍不好,表現在焊縫與母材過渡不油滑 、焊縫馬鞍形、餘高過高等,這對焊接接頭的承載有較大影響,這是國產螺旋焊管需要努力改進的方麵之一。

圖2 螺旋縫與直縫埋弧焊管焊縫外觀對比

3.2 焊縫內在質量焊縫的內在質量指焊縫完好性,即焊縫的無缺陷性。焊縫一次探傷合格率可以衡量這一質量水平。本工程國產鋼管焊縫一次探傷合格率,螺旋縫埋弧焊管一般約75%,直縫埋弧焊管一般約85%。焊縫的缺陷首要為未焊透、夾渣、錯邊 。可見,焊縫一次探傷合格率不高,相當量的鋼管需要通過焊接修補來滿足技術條件要求,補焊成為製管廠首要工作之一 。對國內管廠生產鋼管分歧格的啟事進行分析統計 ,結果顯示因焊接缺陷釀成的分歧格螺旋縫埋弧焊管占50~60%,直縫埋弧焊管占月45%。可見,焊接內在質量題目是造成鋼管分歧格的首要啟事,這是國產焊管質量需要改進的另一個方麵。 3.3 焊縫的力學性能X70鋼管焊縫的力學性能可以通過是拉伸、夏比衝擊、硬度等試驗數據來衡量。表4列出了國內幾個首要鋼管廠為西氣東輸工程生產的X70鋼管焊接接頭的首要性能,為了對比,同時列出了日本某鋼管廠某一時期為該工程生產的X70鋼管焊接接頭的首要性能。國產鋼管焊接接頭的抗拉強度滿足技術條件要求(≥570MPa),均勻值比進口鋼管明顯高。國產鋼管焊縫和熱影響區的硬度滿足技術條件要求(Hv10≤270),均勻值適中。


鋼管韌性是高鋼級高壓輸氣管線一個非常首要的指標,國產鋼管焊縫和熱影響區的衝擊功與進口鋼管相比在同等水平,均勻值很高,但存在很少量鋼管焊縫的衝擊功低於技術條件要求(-20℃夏比衝擊功三個試樣均勻值不小於90J,單個試樣最低值不小於60J)的現象。圖3是國產合格鋼管焊縫夏比衝擊功(-20℃)的幾率分布圖,可以看出,除了17.5mm LSAW鋼管外(120J以上鋼管的幾率約80%) ,90%以上鋼管的夏比衝擊功在120J以上。係列溫度衝擊試驗數據也表明,焊縫金屬具有良好的低溫改變特性。可見國產鋼管焊縫具有良好的衝擊性能,但是鋼管焊縫韌性的穩定性需要進一步進步。

a) 14.6mm SSAW管 b) 17.5和21.0mm LSAW管 圖3 -20℃鋼管焊縫夏比衝擊功幾率分布

3.4 焊接殘餘應力盡人皆知,殘餘應力對結構的承載能力有很大影響,傳統的殘餘應力測試方法很複雜,在實際工程中實施起來比較困難,特別對管線鋼管大批量生產更是如此。西氣東輸工程技術條件規定 ,在鋼管上切取長度大於100mm的管段,距焊縫100mm處沿軸向切開,通過丈量切口軸向張開量來間接判定焊管的殘餘應力。殘餘應力的大小可通過建立的經驗公式來估算。這是一種簡單、易行 、又比較直觀的焊管殘餘應力測試方法。丈量值是焊接和成型質量的綜合反映,已在工程中大量使用。[5]總的來說 ,直縫埋弧焊管由於焊後進行了擴徑處理,殘餘應力很小,螺旋縫埋弧焊管殘餘應力較大。但螺旋埋弧焊管經過成型和焊接工藝改進、壓力試驗等措施,可使其殘餘應力大幅度降低。本工程用直縫埋弧焊管的切口張開量一般在50mm以下,大多數在20mm擺布,螺旋埋弧焊管環切張開量基本保證在技術條件規定的80mm範圍。可見,螺旋埋弧焊管的整體殘餘應力水平相對較高 ,這是螺旋埋弧焊管需要改進的另一方麵。圖4為一組螺旋埋弧焊管的切環試樣的照片 。

圖4 SSAW焊管殘餘應力測試切環試樣照片

4 結語通過西氣東輸工程的推動,我國成功地開發了大口徑X70高鋼級螺旋埋弧焊鋼管和直縫埋弧焊鋼管。經過大批量生產,各製管廠已基本把握了其焊接技術,鋼管焊接接頭的性能,特別是焊縫的低溫衝擊韌性達到了國外先進水平。但是,在某些方麵,如焊縫外觀質量、內在質量、殘餘應力水同等方麵有待進一步改進進步。 參考文獻 [1]高惠臨,管線鋼—組織、性能、焊接行為[M],陝西科技出版社 1995 :1~5. [2]彭雲等,陳武柱,許祖澤,管線鋼大電流雙麵高速埋弧焊接用焊絲研製[J],焊接學報,2001,22(2):62~64. [3]孟潤全,任林,王誌強等,管線鋼管焊接專用SJ101-G燒結焊劑的研製[J],焊管,2001,24(5):17~19. [4]Huo Chunyong, Ma Qiurong, Ma Yingli et al, DEVELOPMENT OF LARGE DIAMETER X70 HIGH TOUGHNESS HSAW LINEPIPE FOR GAS TRANSMMISION[C], 4th In1頁

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