查看完整版本: [-- 西气东输管道工程的焊接技术特点 --]

中华焊接动力网旗下焊接社区 -> 航空航天 -> 西气东输管道工程的焊接技术特点 [打印本页] 登录 -> 注册 -> 回复主题 -> 发表主题

焊花闪闪 2009-08-06 08:29

西气东输管道工程的焊接技术特点

编者按:西气东输二线工程干线管道采用X80钢管,其综合技术代表了目前世界管道建设的最高水平。本文分析总结了干线管道X80钢管焊接施工所面临的难点,并结合X80钢的焊接性介绍了工程采用的低氢型根焊方法、小填充量坡口型式、多样性的焊接工艺等焊接技术特点,还介绍了穿越地震断裂带的管道焊接施工要求和焊接工艺,以及冬季低温环境下高强管线钢焊接问题和焊接施工方案。本工程在一定程度和范围内检验了我国的钢铁工业水平和综合施工能力,同时也为管道焊接技术的发展提供了千载难逢的机会,把我国的管道焊接技术推进到了一个新的阶段。
  前言
  西气东输二线管道工程包括1条干线和8条支干线,全长近9000km。按照规划,干线全长近5000km,从新疆霍尔果斯口岸开始,经独山子、乌鲁木齐、红柳、酒泉、山丹、武威、中卫、西安、南昌、赣州,到达广州。支干线全长约4000km,包括轮南-吐鲁番、中卫靖边、洛阳-徐州、南昌-上海、樟树-湘潭、翁源-深圳、广州-南宁、肇庆-湛江。该项工程于2008年2月15日开工,预计2010年开始输气,2012年输气量达到300亿m3。途经地区的地形地貌有沙漠、戈壁、黄土高原、山区、平原、水网、地震断裂带、采空区和熔岩塌陷区等。
  本工程支干线用钢管的强度等级为API 5L X70,外径?1016mm,壁厚范围14.6~
26.4mm,设计压力10MPa,采用与西气东输一线管道工程一样的焊接技术。
  干线用钢管的强度等级为API 5L
X80,外径?1219mm,其中西段壁厚范围18.4~33mm,设计压力12MPa;东段壁厚范围15.3~26.4mm,设计压力10MPa。
  1 X80管线管的焊接施工难点
  要完成这样一条大口径、厚壁、高压输气管线的主体建设任务,焊接技术是制约着工程建设质量和效率的重要环节之一。西气东输二线管道工程焊接施工的难点主要体现在以下几个方面:
  (1)X80管线钢管焊接性分析与评价。X80管线钢管的大规模应用在我国管道建设史中尚属首次,工程供管由国内外的多家钢厂和管厂共同完成。因此,对于X80钢管的冷裂敏感性分析,及不同供货商的X80钢管焊接性差异评价是保证工程质量的关键环节之一。
  (2)根焊工艺的选择。管道焊接施工采用流水作业的方式,即前一道焊口完成根焊后,立即进行下一道焊口的根部焊接,其余填充层和盖面层焊缝分别由另外的焊工完成。因此,根焊的焊接速度是决定管道施工效率的关键环节。
  (3)焊接工艺评定。为适应不同的人文环境、地形地貌、气候环境及承包商的施工技术能力,管道施工的焊接工艺是多种多样的,涉及的焊接材料更是种类繁多。焊接工艺评定不仅难度高,而且工作量相当大。
  (4)焊接接头坡口设计。随着管径和壁厚的增大,焊接材料消耗量和焊工的劳动强度大大地增加。针对厚壁钢管设计适用窄坡口,可显著提高管道施工经济性。
  (5)地震断裂带地区的焊接技术。干线管道将穿越20余处地震烈度8级及以上断裂带。在这些地区引入了应变设计理念,即在管道设计过程中考虑管道承受内压的同时也考虑管道承受土壤移动引起的变形破坏。这一方面要求采用特殊的抗大变形X80钢管,另一方面要求焊接接头韧性好且强度高于母材,从而使管道在承受土壤移动时由钢管而不是焊缝来抵抗变形。这对焊接材料选择和焊接工艺提出了更高的要求。
  (6)低温环境条件下焊接施工。由于工期要求,本工程不可避免地要在冬季进行焊接施工,涉及保证低温环境条件下焊接质量的问题。
  2 X80管线管的焊接技术特点
  2.1 根部焊接采用低氢型焊接材料
  X80钢是微合金化、超纯净冶炼和控轧控冷的细晶粒钢,具有高强度和高韧性。其含碳量低,洁净度高,组织均匀性好,具有良好的焊接性。但由于应用的钢管管径和壁厚较大、输送距离长,强度等级高,在焊接施工过程中不可避免地会受到装配应力、焊接材料扩散氢含量及预热温度等因素的影响,从而引发冷裂纹。
  因此,针对X80钢进行了理化性能分析、焊接热模拟试验、斜Y型坡口焊接裂纹试验和插销冷裂纹试验等,评价其根焊的抗冷裂性。试验结果表明,为避免根焊过程中产生冷裂纹,采用纤维素型进行根焊的预热温度应不低于150℃,采用低氢型焊条和实心焊丝进行根焊的预热温度应不低于100℃。
  自上世纪八十年代以来,纤维素焊条根焊一直是我国管道建设中广泛采用的焊接方法。然而,150℃以上的预热将极大地影响野外焊接施工的工效。因此,针对X80钢管的根焊规定应采用低氢型焊接材料(包括低氢型焊条,实心焊丝,金属粉芯焊丝),预热温度不低于100℃,不允许采用纤维素焊条。
  这一规定得到了项目部和承包商的支持。通过积极的焊工培训,承包商逐渐适应了低氢型焊接材料根焊的方法。在西气东输二线管道的建设过程中,实心焊丝STT和金属粉芯焊丝RMD这两种半自动焊方法由于熔敷效率高,被用作主要的根焊方法。低氢型焊条根焊的效率低,只是在连头和全壁厚返修的根焊中应用。工程开工8个月后,项目部组织进行了部分钢管下沟后的水压试验,试验结果满足要求。
  2.2 采用填充量较小的复合型坡口形式
  西气东输二线用X80钢管有15.3mm、18.4mm、22mm、26.2mm和33mm五种壁厚,相对较厚。为提高焊接效率,针对不同的焊接方法采用了不同的窄坡口,使体积减小,减少焊接材料填充量,降低劳动强度。这种坡口可以在钢管厂预制,也可以在施工现场用坡口机加工。
  2.3 多种多样的焊接工艺
  为适应多种多样的地理环境、气候条件和人文特点,西二线焊接选择了熔化极气体保护焊(焊接材料有实心焊丝,气保护药芯焊丝,自保护药芯焊丝),焊条电弧焊和埋弧焊等多种焊接工艺。其中,气保护实心焊丝电弧焊、气保护药芯焊丝电弧焊和埋弧焊为自动焊,气保护实心焊丝(金属粉芯焊丝)根焊和自保护药芯焊丝电弧焊为半自动焊,焊条电弧焊为手工操作。
  由于现有的管道自动焊设备有国内、国外,单矩、双炬,角摆、平摆,及新购置设备、改造设备等多种类型,加之招标采购要求不同类型的焊接材料应至少选择三家以上的供应商,针对X80钢管分别根据焊接组合、壁厚、焊接位置,按相关工程标准的要求进行焊接工艺评定101项,同时进行了低温环境焊接施工可行性试验与分析,断裂带焊接缺陷容限分析研究。所有试验按预定目标完成,研究成果成为西气东输二线焊接施工的有力支持。
  目前,国外已建设X80钢管道2000余公里。数据统计显示,焊接施工主要采用熔化极气保护自动焊(GMAW)和焊条电弧焊(SMAW),半自动焊方法的使用比例最大为10%。我国2005年曾在西气东输冀宁支线管道工程中建设了7.917km
X80钢管道,采用的焊接工艺为实心焊丝气保护自动焊和焊条电弧焊,没有使用半自动焊。考虑到自保护药芯焊丝半自动焊是目前我国管道建设普遍使用的焊接工艺,工程筹备前期与国内外的药芯焊丝生产企业进行了广泛的合作与交流,经过2年多的工艺研究最终确定了满足X80钢管环焊缝焊接要求的自保护药芯焊丝。半自动焊工艺首次在X80钢管环焊缝的焊接中得到成功应用。
  此外,西气东输二线工程还首次在国内使用了双炬自动焊和气保护药芯焊丝自动焊工艺,以及金属粉芯焊丝根焊工艺。并且首次使用了国产的自保护药芯焊丝和实心焊丝进行X80钢管环焊缝的焊接。
  2.4 地震断裂带的高强匹配焊接工艺
  X80大变形钢管是具有足够强度和变形能力的管线钢管,要求纵向屈服强度和抗拉强度。其纵向屈强比优于X80钢。为实现X80大变形钢管环焊接头的高强匹配,收集了更高强度级别的焊接材料。试验过程中发现,焊接接头拉伸主要断裂在热影响区位置。
  分析认为,焊接热过程中由于焊后冷却速度低于轧制冷却期间的冷却速度,热影响区的晶粒长大,微合金元素形成的第二相质点溶解,使得HAZ出现软化现象,强度降低。因此,采用补强覆盖焊接法,通过增加盖面焊缝的宽度和余高来改变HAZ软化带的形状和方向,并通过适当的补强,保证了焊接接头拉伸试样全部断裂在母材位置。
  2.5 低温环境焊接施工技术
  受工期限制,西气东输二线工程冬季施工不可避免。新疆、甘肃地区的历史极限低温达-51.5℃,寒冷程度仅次于黑龙江省漠河。对于管道的冬季焊接施工问题,容规JB/T
4709-2000规定焊件温度不应低于-20℃,俄罗斯干线管道建设标准СНИП
III-42-80则规定焊接环境温度不低于-50℃时允许进行焊接施工作业。而API 1104、SY/T 4103、SY/T 4071和GB
50369等油气管道建设标准规定焊接施工环境温度不应低于焊接工艺规程的规定温度。国内以往管道建设中,施焊环境温度按-5℃控制。
  焊接环境温度低时,X80钢管环焊缝焊接存在的主要问题有:①焊缝冷却速度增加,出现淬硬组织,硬度增加,冷裂纹敏感性也相应增加;②在拘束度很大时,焊缝冷却速度过快,易增加焊缝一次结晶的区域偏析,在较大的拉应力场作用下焊缝中心发生结晶裂纹;③低温环境下预热效果变差,保持焊缝层间温度相对困难;④严寒、冰雪天气使施工机具、焊接设备的可靠性降低;⑤焊工对寒冷的耐受力直接影响焊接合格率。
  从管线钢的制造工艺及焊接热模拟试验结果来看,焊缝冷却速度过快不会出现淬硬组织,冷裂纹和热裂纹的产生都与焊接应力密不可分。根据低温环境焊接施工可行性试验与分析的研究结果,确定西气东输二线工程冬季焊接施工的最低温度为-25℃,并规定了冬季施工技术方案。如焊接应在防风棚内进行,保证焊接环境温度;钢管支撑应稳定可靠,禁止强力组对;宜采用中频感应加热和火焰加热配合的预热措施,保证预热温度和层间温度;采取加热保温设施、更换低温用润滑油和燃料来保证施工机具传动、液压和电器系统正常工作;加强施工人员的劳动保护和HSE管理等等。
  3 结论
  西气东输二线干线管道工程的钢管强度等级、管径、壁厚、设计压力、输量、输送长度和施工周期等综合技术代表了目前世界管道建设的最高水平。本工程在一定程度和范围内检验了我国的钢铁工业水平和综合施工能力,同时也为管道焊接技术的发展提供了千载难逢的机会,把我国的管道焊接技术推进到了一个新的阶段。

春暖花开 2009-08-06 19:44
管道焊接的技术要求,不论焊工或焊接工程师,都比较高。

xushijun 2009-10-17 22:12
一个字:强

f0rget 2012-04-18 10:47
学习~

永不遗焊 2012-05-05 11:33
好东西,最近毕业设计很有帮助~thanks

米加尼克12 2012-06-07 20:53
西气东输用的好多焊接材料都是国的呢

福尼斯焊机 2012-06-17 18:23
好东西

游手好闲 2012-10-01 19:38
增长知识,受益匪浅.


查看完整版本: [-- 西气东输管道工程的焊接技术特点 --] [-- top --]


中华焊接动力网社区——全球最大焊接社区 ©2005-2011