西气东输二线干线管道冬季焊接技术.pdf

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1、西气东输二线干线管道冬季焊接技术 曾惠林 r ， 隋永莉 ， 王俊红 ( 1 天津大学 材料学院， 天津3 0 0 0 7 2 ； 2 中国石油天然气管道科学研究院， 河北 廊坊0 6 5 0 0 1) 摘 要： 西气东输二线工程干线管道采用 X 8 0钢管， 受工期限制， 不可避免地要在冬季进行焊接施 工。结合管道冬季焊接施工所面临的难点， 讨论分析了国内外管道建设标准及经验， X 8 0钢焊接冷 裂敏感性和 一 3 0 c c环境条件下焊接的X 8 0钢管环焊接头性能试验结果， 给 出了X 8 0钢管低温环境 下焊接施工的可行性结论。还结合工程特点介绍了X 8 0钢管低温环境焊接施工技术方

2、案。采用 该方案， 西气东输二线工程西段于 2 0 0 8年 1 1月至2 0 0 9年 3月期间， 在新疆、 甘肃地 区开展 了X 8 0 钢管冬季焊接施工， 焊接质量得到 了保证。 关键词： X 8 0钢管； 西气东输二线； 冬季施工； 裂纹敏感性 中图分类号： T E 8 3 2 ； T E 9 7 3 3 文献标识码： B 文章编号： 1 0 0 1 - 4 8 3 7 ( 2 0 0 9 1 o 6 0 0 4 6 0 4 d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 4 8 3 7 2 0 0 9 0 6 0 0 1 1 Hp e l i n e P

3、r o j e c t I I ZENG Hu i l i n ， S UI Yo n gl i ， W ANG J u nh o n g ( 1 S c h o o l o f M a t e ri a l S c i a e n i d E n g T i a n j i n u n i v e r s i t y ， T i a n j i n 3 0 0 0 7 2 ， C h i n a ； 2 P i p e l i n e R e s e a r c h I n s t i t u t e o f C N P C L a n g f a n g 0 6 5 0 0 1 ， C h

4、 i n a ) Ab s t r a c t ： T h e X S 0 s t e e l p i p e h a s b e e n a p p l i e d i n t h e ma i n l i n e o f We s t E a s t P i p e l i n e P r o j e c t I I I t i s i n 。 e v i t a b l e t h a t we l d i n g c o n s t r u c t i o n i n t he wi n t e r s h a l 1 b e e x e c u t e d f o r t he c

5、o n s t r u c t i o n t i me 1 i mi t a t i o n Ba s e d o n t h e a c t ua l d i f fic u l t y o f p i pe l i n e we l d i n g c o n s t ruc t i o n i n wi n t e r ，t h i s a r t i c l e i s d i s c u s s i n g a n d a n a - l y z i n g t h e d o me s t i c a n d f o r e i g n p i p e l i n e c o n

6、 s t ru c t i o n s t a n d a r ds a n d e x p e rie n c e s，a s we l l a s t he X8 0 s t e e l w e l d i n g c o l d c r a c k i n g s e n s i t i v i t y a n d t h e c i r c u m f e r e n t i a l j o i n t p e r f o r m a n c e t e s t r e s u l t o f X 8 0 s t e e l p i p e u n d e r t h e 一 3 0

7、o C e n v i r o n me n t a l c o n d i t i o n，ma ki n g t h e we l d i n g f e a s i b l e c o n c l us i o n o f X8 0 s t e e l p i p e u n d e r l o w e n v i r o n me n t t e mp e r a t u r e，a n d a l s o i n t r o d u c i n g t h e X8 0 s t e e l p i p e we l d i n g c o n s t r u c t i o n t

8、e c hn i q u e p l a n u n d e r l o w e n v i r o n me n t t e mp e r a t u r e u n i fi e d w i t h t h e p r o j e c t a c t u a l c h a r a c t e ri s t i c U s i n g t h i s p l a n ， i n w e s t e r n s e c t i o n o f We s t E a s t P i p e l i n e P r o j e c t I I ，t h e X 8 0 s t e e l p i

9、 p e w i n t e r w e l d i n g c o n s t ruc t i o n h a s b e e n c a r r i e d o n i n X i n j i a n g ， G a n s u t e r r i t o r y d u ri n g N o v e m b e r ， 2 0 0 8 t o M a r c h ， 2 0 0 9 ， t h e w e l d i n g q u a l i t y h a s b e e n e n s u r e d K e y wo r d s ： X 8 0 s t e e l p i p e

10、 ； E a s t We s t G a s P i p e l i n e P r o j e c t I I ； w e l d i n g c o n s t ruc t i o n i n w i n t e r ； c r a c k s e n s i t i v i t y 基金项 目： 国家科技支撑项 目( 2 0 0 8 B A B 3 0 13 0 2 ， 2 0 0 8 B A B 3 O B 0 4 ) 4 6 第 2 6卷第 6期 压 力 容 器 总第 1 9 9 期 1 前言 西气东输二线工 程干线 管道全长近 5 0 0 0 k m， 采用钢管为 A P I 5

11、 L X 8 0 ， 管径 0 1 2 1 9 m m， 壁厚范围 1 5 32 6 4 mm。途经 地区有沙漠 、 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。受工期限制 ， 本工程不可避免地要在冬季 进行焊接施工。管线通过的新疆 、 甘肃地 区的历史 极限低温达 一 4 2 ， 如何保证低温环境条件下 的焊 接质量 ， 是制约工程建设质量和效率 的重要环节之 。一 。 环境温度较低 时， X 8 0钢管环焊缝焊接存 在的 主要问题 ： ( 1 ) 焊缝冷却速度加快 ， 出现淬硬组织 ， 硬度增加 ， 冷裂纹敏感性相应增加 ； ( 2 ) 拘

12、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。文 中针对 X 8 0钢管冬季施工 焊接技术进行研究。 2 X 8 0钢管低温环境下焊接的可行性 2 1 国内外管道建设标准和经验 对于管道冬 季焊接 施工 的规定 ， J B T 4 7 0 9 2 0 0 0规定初始焊件温度不应低于 一 2 0， 俄罗斯干 线管道建设标准

13、 C HHF I I I I 一 4 28 0规定焊接环境 温度不低于 一5 0时允许进行焊接施工作业。而 A P I 1 1 0 4 、 S Y T 4 1 0 3 、 S Y T 4 0 7 1和 G B 5 0 3 6 9等油 气管道建设标准规定焊接环境温度不应低于焊接工 艺规程的规定温度 。我国以往 的管道建设 ， 施焊环 境温度按 一 5控制。当环境温度低于 一5时严 禁施焊 ， 当环境温度在 一 5 5之间时通常将预热 温度提高 2 0 3 0， 焊后用石棉被覆盖焊道等。 从国内外管道工程的施工经验可以看 出， 在施 工人员能够耐受 的低温环境条件下进行焊接施工 ， 是能够保证施工

14、质量的。如前苏联的乌连戈依一 中 央输气管道系统经过永冻土 区的施工、 美国阿拉斯 加管道工程经过北极圈内的永冻土区施工 、 加拿大 阿尔伯塔省北部地区北极 圈内， 施工的环境温度达 一4 6 2 2 低温环境下焊接冷裂纹敏感性 图 1所示 为 X 8 0钢管 的连续冷却转 变 ( S H C C T ) 曲线。可 以看 出， 当冷 却速率 在 0 56 0 s 之间时 ， 得到的焊接热影响区( HA Z) 组织为贝 氏体和铁素体的混合组织 ， 且随着冷却速度的增加 ， 贝氏体所 占比例逐 渐增大。当冷却速度低 于 0 5 s 时， 组织 中除了铁素体和贝 氏体之外， 还发生 了珠光体转变 ，

15、 且随着冷却速度的变慢珠光体所 占 比例逐渐增大。从硬度来看， 随着冷却时间t 的减 小 ， H A Z的硬度呈逐步上升 的趋势 ， 但最大硬度 为 2 1 9 H V 1 0 。S HC C T曲线表 明， 加快冷 却速度 时 X 8 0钢管的 H A Z出现马氏体等淬硬组织 的倾向很 小 ， 因组织淬硬引起焊接冷裂纹的倾向较小。 ； 3 ； 。 鑫 0 ! 一 图 1 X 8 0钢管的 S HC C T曲线 针对 X 8 0钢和工程用根焊方法进行了斜 Y型 坡 口焊接 裂纹试 验， 根焊 用焊 接材料 分别 为规格 3 2 mm的A WS A 5 1 E 7 0 1 6低氢焊条和 1 2

16、m m 的 A WS A 5 1 8 E R 7 0 SG实心焊丝 ， 试验结果如表 1 所示 。可以看 出， 工程用根焊方法均为低氢型 焊接方法 ， 扩散氢含量低， 抗冷裂纹性能良好。 2 3 3 0环境下焊接的环焊缝性能分析 在 一3 O的环境温度下进行 X 8 0钢管环焊缝 的焊接。母 材 A P I s p e c 5 L X 8 0钢管 ， 规格 0 1 2 1 9 m m1 8 4 mm。根焊材料为 A wS A 5 1 8 E R 7 0 SG 实心焊丝 ， 规格 1 2 m m， 熔敷金属扩散氢含量 2 2 mL 1 0 0 g 。填 充 焊 和盖 面焊 材料 为 A WS A

17、 5 2 9 E 8 1 T 8自保护药芯焊丝 ， 规格 0 2 0 mm， 熔敷金属扩 散氢含量 6 8 m L 1 0 0 g 。根焊 ： 峰值 电流 3 8 0 A， 基 值 电流 6 0 A， 电弧电压 1 5 5 V， 送 丝速度 5 1 m ra i n ， 焊接速度 2 0 c m m i n 。填充 和盖面焊参数 ： 电 流 2 2 0 A， 电弧电压 1 9 V， 送丝速度 2 3 m m i n ， 焊接 速度 1 8 c m m i n ， 焊丝伸出长度 1 9 m m。所有焊层的 焊接极性均为直流反极性接法 ( D C E N) 。 4 7 西气东输二线干线管道冬季焊接

18、技术 V o 12 6 N 0 6 2 O o 9 表面裂纹长度 表面裂纹率 断面裂纹长度 断面裂纹率 根焊方法 ( m m) ( ) t 4 s ( m m) ( ) E 7 0 1 6低氢焊条， 无预热 O 0 0+ 0+ 0+ 0+ 0 0 E 7 0 1 6低 氢焊条 ， 1 0 0预热 0 0 0+ 0+ 0+ 0+ 0 0 E 7 0 1 6低氢焊条， 1 5 0预热 O 0 0+ O+ 0+ 0+ 0 0 E R T O S G实心焊丝 ， 无预热 O 0 0+ 0+ 04 - 0+ 0 0 E R 7 0 S G实心焊丝 ， 1 0 0预热 0 O 0+ 0+ 0+ O+ 0

19、O E R 7 0 S G实心焊丝， 1 5 0预热 0 0 0+ 0+ 0+ 0+ 0 0 截取环焊接头进行 冲击韧性、 硬度试验和微观 组织分析。冲击试验设备为 J B一 5 0 0型冲击试验机 和低温槽 ， 试样尺寸为 5 5 m m X 1 0 m m X 1 0 m m， 试 验温度为 一1 0。金相检验设备为 X J G一 0 5光学 显微镜 ， 观察焊接接头根焊 、 填充和盖面焊层的焊缝 金属和 H A Z显微 组织。硬 度试验设 备为 HV S一 1 0 Z C型数字式硬度计 ， 测定焊接接头根焊层和盖面 层的硬度 ， 载荷 1 0 k g 。 冲击韧性试验结果如表 2所示 ，

20、 硬度试验结果 见表 3 。不同焊层包含 H A Z和焊缝金属的显微组 织见图 2 ， 左上角是焊缝金属 ， 右下角是 H A Z 。 表 2 1 0冲击韧性试验结果 焊接环境温度 焊缝 H A Z 一3 0 1 3 4， l 4 0， 1 1 2 2 1 2， 2 4 4， 2 3 8 表 3 焊接接头 H V I O硬 度试验结果 焊层 母材 H A Z 焊缝 H A Z 母材 盖面 2 5 1 2 1 6 ， 2 1 5 2 4 0 ， 2 6 0 2 7 0 ， 2 4 7 2 7 0 根焊 2 4 7 2 5 1 ， 2 4 3 1 9 5 ， 1 9 9 2 3 3 ， 2 3 3

21、 2 4 3 从表 2 ， 3可以看出， 环焊接头 的低温冲击韧性 和硬度试 验结 果均 满足西 气东输 二线 工 程 的要 求 。 从图 2可以看到， 根焊层焊缝金属的组织为均 匀分布的细小针 、 块状铁素体 ， H A Z组织为细小的 块状铁素体。填充层焊缝金属组织为针、 块状铁素 体， 沿结晶方向呈带状取 向， H A Z组织为块状、 板条 状铁素体 ， 晶粒长大明显。盖面层焊缝金属组织是 由先共析铁素体晶界和晶内细小的针状铁素体构成 的柱状晶， H A Z组织为块状 、 板条状铁素体。微观 组织分析表明， 一 3 O c I = 环境温度焊接得到的 X 8 0钢 管环焊缝的接头中没有马

22、氏体等淬硬组织出现。 48 ( a ) 根焊层 H A Z显微组织 ( b ) 填充层 H A Z显微组织 ( c ) 盖面层 H A Z显微组织 图 2 根焊层 、 填充层 和盖面层的 H A Z组织 第2 6卷第6期 压 力 容 器 第 1 9 9期 综上所述 ， X 8 0钢管在 一 3 O的低温环境下进 行焊接施工时 ， 环焊接头冲击韧性 、 硬度和显微组织 均满足文献 3 要求 。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 。 3 X 8 0钢管低温环境焊接施工技术方案 工程施工过程中， 采取正确的管口组对、 钢管支 撑和流水作业等方式能够

23、很好地避免或降低环焊缝 的应力集中。此外 ， 为保证质量 ， 焊接过程 中还应采 取一些必要 的措施来 避免焊后冷却过快 ， 如保证预 热温度和层 间温度、 焊后缓冷等。 3 1 钢管支撑应稳定可靠 管道支撑高度以满足焊接施工为宜 ， 不应过高。 应保证所有的支撑点都承受管道 重量 ， 避免 因冰雪 融化造成的管道悬空。 3 2清除管腔 内积雪和坚冰 冬季施工时 ， 管腔内的积雪和坚冰会影响管 口 组对质量 。应在管端加装盲板 ， 避免管 内和管端积 雪 、 结冰。如果管 内有积雪 ， 应在焊前清扫干净 ， 管 端的坚冰可用火焰加热方法去除。 3 3 禁止 强力组对 布管前宜根据钢管的周长进行

24、级配 ， 减小 由于 管径差异造成的错边 。管 口错边应均匀分布在整个 焊 口， 禁止强力组对。 3 4 焊接应在防风棚 内进行 在防风棚内焊接可减小风雪 的影响 ， 有利于保 证焊接环境温度和层间温度 。 3 5采用 小流 水作 业方式 有利于保证层间温度 ， 同时可避免未完成焊 口 在低温环境下较长时间的放置。 3 6 增加预热宽度或提 高预热温度 为达到满意的预热效果 ， 宜增加预热宽度或提 高预热温度。当环境温度低 于 一1 5时 ， 火焰加热 的效果变差。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。 3 7 保证施工机具的可靠性 吊管机、 推土机 、 挖

25、掘机 、 对 口器 、 坡 口机 、 焊接 工程车 、 焊机等机具和设备 ， 在 一2 0 c I = 以下的环境 下将会出现发动机启动困难或不能启动 ， 传动 、 液压 和电器系统不能正常工作等 问题 ， 应提前做好 防护 措施。如采用燃油加热器或电加热器对设备的发动 机 、 燃油箱 、 燃油管路 、 液压油箱及管路进行启动前 的预热 ； 进入冬季前更换低温用润滑油 、 液压油、 柴 油和冷却液 ； 对 口器在空压机出 口处加装空气干燥 器或酒精罐 ， 防止供气回路结冰， 影响使用等。 3 8 加 强施 工人 员的 劳动保护 寒冷环境 中， 焊工受劳动防护品保暖性 和轻便 性及人体耐受能力的

26、影响， 会使焊接过程更易出现 操作失误。因此 ， 应加强健康、 安全和环境管理体系 ( H S E) 管理， 做好人员取暖、 保暖工作。 4结 论 ( 1 ) 国内外管道建设标准和经验表明 ， 在施工 人员能够耐受 的低温环境条件下进行焊接施工 ， 是 能够保证施工质量的。 ( 2 ) X 8 0钢管根焊采用 了低氢型焊接方法 ， 且 焊缝冷却速度过快不会出现淬硬组织， 焊接冷裂纹 敏感性较低。 ( 3 ) X 8 0钢管在 一 3 0的低温环境下进行焊接 施工时 ， 环焊接头冲击韧性 、 硬度和显微组织均满足 相关标准要求。 ( 4 ) 确定西气东输二线工程冬季焊接施工的最 低温度为 一2

27、5 c I = ， 并规 定 了冬季焊 接施工技术方 案。采用该方案 ， 西气东输二线工程西段于 2 0 0 8年 1 1 月至 2 0 0 9年 3月期间 ， 在新疆 、 甘肃地 区开展了 X 8 0钢管冬季焊接施工 ， 焊接质量得到了保证。 参考文献 ： 1 隋永莉 X 8 0钢管焊接工艺研究 Z 中国石油天然气 集 团公 司科研项 目， 2 0 0 8 ， 1 2 2 隋永莉 国产 X 8 0管 线钢 焊接技 术研 究 D 天 津大 学博士论文， 2 0 0 8 ， 5 3 中国石油天然气股份公司管道建设项 目经理部 西气 东输二 线 管 道 工程 线 路 焊 接 技 术 规 范 ( Q S Y G J X 0 l 1 0 _ 2 0 o 7 ) Z 收稿 日期 ： 2 0 0 9 0 4 2 4 作者简介： 曾惠林( 1 9 6 5一) ， 男， 主任， 主要从事石油天然气 长输管道和储罐施工机具的研究 ， 发表论文 l O余篇， 通讯地 址： 0 6 5 0 0 1河北省廊坊市金源东道 6号中国石油天然气管 道科 学研 究特种施 工机具所 。 49