1、第22卷第10期 油气储运X80钢管帕焊握熊林玉。 杜则裕 陶勇寅 董丽红(天津大学材料学院)熊林玉杜则裕等：X80钢管的焊接，油气储运，2003，22(10)5356。摘要 基于天然气增长的需求，管道材料的研究正朝着高强度、高韧性以及优良的现场焊接性能等多方面发展。日前，高强度、长距离、大口径管道已成为输气管道的发展方向。从焊接方法、焊接材料等方面介绍了X80钢管的环缝焊接，并分析了X80管道钢的焊接性能。列举了国外些x80管道建设的工程实例。主题词 管道 钢管 焊接 性能1981年世界能源会议预测，到2020年能源需求将增加3倍，在能源需求中，石油及天然气将保持在50蹦以上“1。对天然气增
2、长的需求，使输气管道朝着高强度、大口径的方向发展。据统计，钢管费用占管道建设总投资的13左右。在同样的输量下，提高钢管强度就能降低壁厚，节约成本。据Europipe公司介绍，在同样输量下，由X70管道钢改为X80管道钢可以降低材料成本7左右。1。一、X80钢管的环缝焊接1、焊接方法XS0钢管的环缝焊接主要采用焊条电弧焊(SMAW)和气体保护熔化极自动电弧焊(CMAW)。气体保护熔化极自动电弧焊系统有两种类型，两种类型的区别在于根焊的焊接，一种用内焊机在管道内部根焊，一种在外部完成所有焊缝的焊接。，1989年CRC Evans将其控制熔滴过渡脉冲电源(CDT)直用到实际中，建立了脉冲气体保护熔化
3、极自动电弧焊工艺。脉冲气体保护熔化极自动电弧焊采用CDT协调器控制脉冲参数，如脉冲峰值电流、脉冲频率、基值电流、平均电压等。CDT协调器能存储12种不同焊接程序，每一种焊接程序对应特定的焊丝类型、直径和保护气体。CDT采用硒控整流二次开关电路优化脉冲形状，减小能量损耗“。气体保护熔化极自动电弧焊效率*300072，灭津市南开区f电话(022)27890441。高，且易于与自动超声波检测系统配合，因此在X80管道主干线焊接中通常采用气体保护熔化极自动电弧焊或脉冲气体保护熔化极自动电弧焊。但焊条电弧焊由于灵活、适应性强等特点在焊接连头、返修等工作中仍具有不可替代的作用。2、焊接材料进行焊条电弧焊时
4、，根焊和热焊采用纤维素下向型焊条，填充焊和盖面焊采用低氢下向焊条。焊丝根据焊接特点和熔敷金属的力学性能选择。表1给出了几种焊丝类型及成分。其中CMn Ni Ti的夏氏V形缺口冲击韧性最好，其次是DM”Tt，c Mn和C-MnMoTi的缺口韧性较低。C-Mn-NiTi的工艺性能比CMnTi差，前者熔池金属流动性好，焊缝成形不如后者。由于添加了台金元素，所以C_MnNiTi要比C-MnTi昂贵“。使用高台金焊丝能使焊缝强度升高，但韧性会有所降低，而且要严格控制焊接过程(预热、层间温度、热输入等)。为了得到期望的焊缝金属显微组织和力学性能，必须谨慎控制合金元素的添加量。有的学者认为，在焊接高强度管道
5、时，可用强度稍低、但塑性优良的填充材料进行根焊，采用强度稍高的焊接材料进行其余焊道的焊接。3、保护气体采用气体保护熔化极自动电弧焊焊接时，CRCEvans系统规定标准保护气体为100二氧化碳，而采用脉冲气体保护熔化极自动电弧焊焊接时，万方数据油气储运则需要采用二氧化碳和惰性气体的混合气体进行保护。惰性气体的应用提高了焊缝金属的缺口韧性和断裂韧性，同时减小了焊接飞溅，电弧更加稳定。当采用脉冲气体保护熔化极自动电弧焊焊接时，CRCEvans标准保护气体为825Ar、1 25CO：和jHe混合气，但在实际工程中保护气体的组成仍需要根据具体施工情况确定“1。表1几种焊丝类型及成分4、焊接性能(1)热影
6、响区软化X80管道钢晶粒细小在焊接热循环作用下会发生晶粒长大或第二相溶解等现象，睫热影响区硬度下降，产生软化。研究表明，硬嚏是冷裂敏感指数和热输入的函数，硬度随冷裂敏感指数增大而增大：“即热输入越大，热影响区硬度就越低，软化现象就越严重。用气体保护熔化极自动电弧焊焊接时，软化区宽度小于焊条电弧焊。直缝焊时，由于埋弧焊热输人比较大，软化现象较明显。拉伸强度和软化区相对宽度H。t。(H。为软化区宽度，t。为试样壁厚)有很大关系，当H。t。03时，焊接接头的拉伸强度低于母材强度的95”3。(2)焊缝金属与母材的匹配 现有的研究结果认为，焊接高强度管道钢如果采用低匹配，焊缝会产生应变，因而需要焊缝具有
7、更高的韧性以防止在缺陷处产生裂纹，所以宜采用高匹配”3。高!：!三配时缺陷容限大于低匹配。这一限度随屈服强度与拉伸强度比率增加而降低。在强度匹配方面气体保护熔化极自动电弧焊比焊条电弧焊更具优势。(3)焊接裂纹X80钢焊接时，由于采用高匹配，可能导致焊缝金属强度过高，韧性变差，氢致开裂的可能性较大。澳大利亚的研究人员发现，将温度从800。C冷却到looC所用的时间(At。，)是影响氢裂敏感性的一个重要因素。延长。，。能使更多的氢从焊缝逸出。增大热输入也能延长冷却时间，但是当热输入在04o75 kJram范围内时，冷却时间不会有显著变化“3。如果管道在含较多腐蚀性气体介质(如H。s)中使用，所产生
8、的氢致裂纹和应力腐蚀裂纹的可能性将大大增加。二、国外XSO管道工程实例1、NOVA Express East管道工程f加拿大，199017NOVA Express East管道全长26 km，管径为1 219 mm，壁厚106 mm和1 69 mnl。采用短路体保护熔化极自动电弧焊进行根焊，脉冲体保护熔化极自动电弧焊进行热焊、填充焊和盖面焊。坡口形式如图1所示，具体焊接参数和连头的焊接参数见表2、表3。图1坡口形状及尺寸2、 WerneSchl6chtern输气管道(德国。1992)8该管道全长260 km，管径1 219 mm，壁厚184tllm。在管材的力学性能方面，德国标准规定拉伸强度与
9、屈服强度比为125。焊接时主要采用气体保护熔化极自动电孤焊，有一小段采用焊条电弧焊，具体焊接参数见表4、表5。3、Eastern Alberta System管道工程(加拿大1994)”这条管道全长33 km，管径为l 219 tllnl，壁厚为1 2 mm，焊接时采用了气体保护熔化极自动电弧焊，焊接步骤与焊X70钢管相同。焊接效率为每天llO个接头，返修率为6。连头采用纤维素焊条E55010G进行根焊和热焊，预热温度为100其余焊道采用自保护药芯焊丝焊接。气体保护熔化极自动电弧焊焊缝的返修，采用低氢下向焊条E69018G万方数据第22卷第10期进行。熊林玉等：X80钢管的焊接表2加拿大NOV
10、A Express East管道工程焊接参数电弧速度(cmndn) 进丝速度(crnmin) 电压(V) 电流(A)焊道 壁厚 壁厚 壁厚 壁厚 壁厚 甓厚 壁厚 壁厚106 mm 169 mm 10 6 nlm j6 9 mm 10 6 mm 16 9 mm 10 6 mm 16 9表3加拿大NOVA Express East管道工程连头焊接参数焊条 焊条焊道直径 类型 怒 篙 (。m焊速rni。) 焊道 直径 类型 慧 篙 (。0烹。)(mm)根焊4 0 E48010一G 1101 60 2130 200365 填充焊45 F62018G 1 70270 2434 215 500热焊4 0
11、 E48010 G 120180 2436 25045o 盖面焊 45 E62018 G 1 80260 2234 1 70430表4德国Werne-Schliichtern输气管道气体保护熔化极自动电弧焊焊接参数万方数据油气储运 2003年表5德国Werne-Schliichtern输气管遒焊条电弧焊参数焊条 焊条焊道 类型 直径瑟瑟篙慧 焊道 类型 直径 篱 篱 (。爹熹。)(ram) (ram)根焊E7010A1 40 140180 24 2530 填充焊E10018-G 45 190-230 20 1824热焊E7010一A1 4 0 1404160 24 2530 盖面焊E10018
12、-G 40 180200 20 1720填充焊E10018一G 4 0 1904220 20 18224、Central Albert System管道工程(加拿大1997)”这条管道全长9l km，管径为1 219 mitt，管道壁厚为12 mm和16 mm，焊接过程与1994年的Eastern Alberta System相同，只是壁厚为16 mm比壁厚为1 2 mm的钢管多增加了一道填充焊。焊接效率为每天1 30个接头，返修率为7。连头和返修与1994年的方法相同。三、结论(1)X80长输管道主要采用气体保护熔化极自动电弧焊和脉冲气体保护熔化极自动电弧焊进行焊接连头和返修采用焊条电弧焊进
13、行。考虑到经济效益，对于短距离X80管道可以采用焊条电弧焊焊接。(2)X80钢焊接时，由于HAz软化，应谨慎控制热输入。根据所举工程实例，建议采用焊条电弧焊时，热输入范围为713 1-2era；采用气体保护熔化极自动电弧焊时，热输入范围为39 kJcm。(3)X80钢焊接时，采用高匹配。考虑到高甄配会使韧性下降，氢致裂纹的可能性变大，可以采用强度稍低，但塑性优良的填充材料进行根焊，采用强度高的焊接材料进行其余焊道的焊接。(四)继续进行管道焊接方法、焊接设备、焊接材料等方面的研究，以解决目前存在的问题。我国管道建设的主管部门、设计、施工单位以及有关研究部门，应及时追踪国外管道建设及研究的发展动态，为今后我国的管道建设做好充分的准备。(收稿日期：2003 02 10)编辑：陈桂明参考文献 l发行部陈聪玲联系办理邮购。l，潘家华：管道输送钢管的发展趋势，焊管，】994-10(2)。 l2， 黄志潜；国外输气管道技术的发展现状和几点建议，焊管，Z000 +。8+”。料8+。+幸+。黼+。带+雾黧器焉慧囊薹蒌一黧蠹豢万方数据
