【正文】 求鐵路、公路、航空、水運(yùn)與管道運(yùn)輸統(tǒng)稱為五大運(yùn)輸業(yè)。由于管道運(yùn)輸?shù)挠行?，管道不僅用來輸送石油和天然氣， 目前，它還作為煤、礦漿和其它固體物質(zhì)的重要輸送手段。由于管線運(yùn)輸 具有運(yùn)量大、距離長、成本低、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，因此，管道運(yùn)輸業(yè)在國 際上得到迅速的發(fā)展。從最初的工業(yè)管道至今，油氣管線建設(shè)經(jīng)歷了一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展。如 今新發(fā)現(xiàn)的油田大都在邊遠(yuǎn)地區(qū)或地理?xiàng)l件惡劣的地帶，如美國的普魯?shù)?霍灣、歐洲的北海油田、俄羅斯的西伯利亞以及我國的西部油田等。 目前管道工程的發(fā)展趨勢有如下特點(diǎn)：1．1．1大口徑、長距離、高壓輸送由建立在流體力學(xué)基礎(chǔ)上的設(shè)計(jì)計(jì)算可知，原油管道單位時(shí)間輸送量 與輸送壓力梯度的平方根成正比，與略大于管道直徑的平方成正比。高壓輸送 和采用高鋼級鋼管，可使管道建設(shè)成本大大降低。根據(jù)加拿大的統(tǒng)計(jì)分析，每提高一個(gè)級別， 就可減少建設(shè)成本7％。而壁厚和鋼的強(qiáng)天津大學(xué)工程碩士學(xué)位論文度級別的增大，管線鋼出現(xiàn)斷裂的機(jī)率增加。1．1．2高寒和腐蝕的服役環(huán)境由于全世界對能源的需求不斷增加，人們正在偏遠(yuǎn)地區(qū)尋找和開發(fā)新 的油田。如美國橫穿阿拉斯加的管道，途經(jīng)凍土地區(qū)，氣溫低 達(dá)70℃。我國建設(shè)的西氣東輸管線，沿途要經(jīng)過大 片沙漠、戈壁高原、堿灘和沼澤地、地震活動斷層和大落差地帶。夏季地表最高溫度 可達(dá)7080℃，這些嚴(yán)酷的地域、氣候條件不但給長輸管線的施工造成困 難，而且對管線鋼的性能，尤其是管線鋼的低溫韌性和韌脆轉(zhuǎn)變特性提出了更高的要求。海底管線 與陸地管線的服役條件有很大差異。為了適應(yīng)管道工程的發(fā)展趨勢，保證管線建設(shè)和運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全 性，對管道和管線鋼的質(zhì)量參數(shù)提出了更高的要求。因此，管線鋼的發(fā)展歷程實(shí)際上反映了微合金控軋技術(shù)的 發(fā)展歷程。早在二十 世紀(jì)20年代中期就有人發(fā)現(xiàn)，通過降低最終熱加工的變形溫度可天津大學(xué)工程碩士學(xué)位論文使Q晶粒細(xì)化，從而提高軋制產(chǎn)品的力學(xué)性能。40年代之前，管線用鋼只是普通的碳鋼。到了50年代采用控軋工藝生產(chǎn)出的352MPa級別的CMn鋼是世界上首次采用形變熱處理工藝進(jìn)行的商 業(yè)生產(chǎn)。管線鋼的開發(fā)研制得到突破性進(jìn)展是在60年代中期以后。60年代中期，西歐尤其是英國鋼鐵協(xié)會對在鋼中加入Nb、V 等元素以提高鋼的強(qiáng)度，改善其韌性和焊接性，以及對奧氏體再結(jié) 晶狀態(tài)的影響展開了一系列的研究工作。這些工作都為微合盒控軋理論提供了新的內(nèi)容。目前，管線鋼控軋工藝分為三種類型，即再結(jié)晶型、非再結(jié)晶型和(y+Q) 兩相區(qū)控軋。目的就是通過控制軋制參數(shù)，使鋼材形成具有發(fā)達(dá)亞結(jié)構(gòu)的細(xì)晶組織，獲得 高強(qiáng)度、高韌性以及優(yōu)良的焊接性能。軋制工藝的優(yōu)化，煉 鋼工藝的改進(jìn)以及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)都大大提高了管線鋼的綜合性 能，生產(chǎn)出了X70級管線鋼。加速冷 卻可以降低y—a的轉(zhuǎn)變溫度，增加Q的形核率，同時(shí)阻止或延緩 碳、氮化合物的過早析出，從而生成彌散的析出物，細(xì)化晶粒，改 善鋼的強(qiáng)韌性。采用控軋及軋后加速冷卻技術(shù)生產(chǎn)出了X80、X100級的管線鋼。由于該島狀 組織細(xì)小、分布均勻，所以對韌性沒有不良的影響。在冶金工藝中采用降低終軋溫度，即可使奧氏體在形變過程 中所產(chǎn)生的大量位錯(cuò)，保留了下來。采用降低熱軋板卷的卷 取溫度，可以得到更為細(xì)小的、均勻的針狀鐵素體組織，使細(xì)晶強(qiáng) 化的效果更好。X100顯微組織由粒狀鐵素體、貝氏體和馬氏體 組成，是通過化學(xué)成分設(shè)計(jì)以及采取控軋、控冷得到的。管線鋼經(jīng)過幾十年的發(fā)展，顯微組織由“鐵素體+珠光體、針 狀鐵素體、超低碳貝氏體等幾個(gè)階段。目前，日本、歐美等國在管線鋼的研究、開發(fā)及生產(chǎn) 上均處于領(lǐng)先地位，現(xiàn)已有X80，．X1 00級的管線鋼及管材成批出 售。由于焊接作為一種主要生產(chǎn)工藝被引入，焊接性成為對管線鋼的最基 本要求。實(shí)際生產(chǎn)中，管線鋼的含碳量 遠(yuǎn)低于API標(biāo)準(zhǔn)所要求的最大含碳量的規(guī)定，通常采用O．1％或更低含碳 量的鋼來控制，甚至保持在0．01％0。微合金化和控軋 控冷等技術(shù)的發(fā)展，使得管線鋼在碳含量降低的同時(shí)保持高的強(qiáng)韌性。(2)錳 減少鋼中的含碳量使屈服強(qiáng)度下降可以很容易地通過其它強(qiáng)化機(jī)制的應(yīng)用予以補(bǔ)償。目前Mn作 為管線鋼中的主要元素而被采用，這是因?yàn)殄i的加入引起固溶強(qiáng)化。研究表明，添加1O％一1．5％的Mn使yct相變溫度下降50C，其結(jié)果使鐵素體晶粒尺寸細(xì)化，保持多邊天津大學(xué)工程碩士學(xué)位論文形鐵素體基體。錳在提高強(qiáng)度的同時(shí)，還提高鋼的韌性，降低 鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。(3)硅 硅是鋼中的的有益元素，硅溶于鐵素體后有很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用，顯著提高鋼的強(qiáng)度和韌性，經(jīng)常與錳一起提高鋼的強(qiáng)度和韌性，但含量較高 時(shí)，將是鋼的塑性和韌性下降，但過低時(shí)同樣對韌性不利，一般硅含量在0．10％0．25％，錳在0．8％1．0％時(shí)，沖擊韌性最佳。(4)微合金化元素j般而言，在鋼中質(zhì)量百分比為0．1％左右而對鋼的微觀組織和性能 有顯著或特殊影響的合金元素，．稱為微合金元素。微合金元素Nb、V、Ti在管線鋼中 的作用與這些元素的碳化物、氮化物和這些碳、氮化物的溶解和析出行為 有關(guān)。Nb、Ti可明顯抑制y晶粒長大，V的作用較弱。控軋過程中 應(yīng)變誘導(dǎo)沉淀析出的微合金碳、氮化物可通過質(zhì)點(diǎn)釘扎晶界的作用而顯著 地阻止形變Y的再結(jié)晶，從而通過由未再結(jié)晶Y發(fā)生的相變而獲得細(xì)小的 相變組織。微合金元素Nb、V、Ti除了上述細(xì)化晶粒的作用外，在SL鋁,J及軋后 連續(xù)冷卻過程中，還可通過正確地控制微合金碳氮化物在0【中的沉淀析出 過程來達(dá)到沉淀強(qiáng)化的目的。西氣東輸工程沿途要經(jīng)過大片 沙漠、戈壁高原、堿灘和沼澤地、地震活動斷層、大落差地帶和江南水網(wǎng) 地帶等。西氣東輸管道工程主干管道全 長3900km左右，輸氣規(guī)模設(shè)計(jì)為年輸商品氣120X 108m3，設(shè)計(jì)壓力為10．0MPa，管徑為①1016mm，全線采用X70級的管道輸送鋼管，是我國距 離最長、口徑最大、站場最多、高壓力、多級加壓、采用先進(jìn)鋼材并橫跨 長江下游寬闊江面的現(xiàn)代化、世界級的天然氣干線管道。技術(shù)路線是通過 對管材、焊材的研究優(yōu)選符合管道焊接要求的焊材；通過焊接性試驗(yàn)，重 點(diǎn)研究管材的冷裂敏感性以及對預(yù)熱的要求，環(huán)焊接頭抗HIC(CLR≤15％、 CTR≤3％、CSR≤1．5％)性能；依據(jù)API 110BS4515標(biāo)準(zhǔn)對匹配的工藝進(jìn) 行評定，制定合適的焊接工藝，適應(yīng)西氣東輸特殊的地理環(huán)境和惡劣的氣 候環(huán)境，同時(shí)使環(huán)焊接頭滿足有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各項(xiàng)性能指標(biāo)。X70鋼的化學(xué)成分特點(diǎn)是采用非常低的碳含量、超低硫和Nb、V、Ti 等微合金化成分設(shè)計(jì)；煉鋼采用了低碳、超低硫、嚴(yán)格控制夾雜物的純凈 煉鋼技術(shù)，通過控制軋制進(jìn)行組織控制，得到了針狀鐵素體(即低碳貝氏 體)+少量珠光體的顯微組織。針狀鐵素體的解理斷裂小裂面與貝氏體鐵素體束的大小相對應(yīng)， 控制針狀鐵素體強(qiáng)韌性的“有效晶?！本褪秦愂象w鐵素體束，其大小不但 可以借降低再熱溫度、形變量和終軋溫度等控軋參數(shù)來獲得，而且可以通 過改變冷卻速度等控冷參數(shù)來進(jìn)行獲得。本次研究使用的管材基本性能均符合hPI 5L標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于X70鋼的有關(guān) 規(guī)定。氬弧焊焊接質(zhì)量優(yōu)異，但由于其焊接速度慢，抗風(fēng)能力差，不適 宜在大口徑的長輸管道建設(shè)中應(yīng)用，而適宜在固定場所的站場建設(shè)中使用20世紀(jì)80年代初，管道局引進(jìn)了歐美的手工下向焊工藝，并逐 步推廣到大部分施工企業(yè)。該工藝的特點(diǎn)有較大的熔透能力和優(yōu)異的填充間隙性能，對管子的 對口間隙要求不很嚴(yán)格，焊縫背面成形好，氣孔敏感性小，容易獲得高質(zhì) 量的焊縫。是目前主線路中主要根焊方法。藥芯焊絲半自動焊90年代初，管道局從美國引進(jìn)了自保護(hù)半 自動焊設(shè)備和工藝。其焊接合格率按焊縫口統(tǒng)計(jì)，可以達(dá)到95％以上。是目前管道焊接施工的主要方法STT根焊，STT焊機(jī)是通過表面張力控制熔滴短路過渡的STT焊 接工藝以柔和的電弧、極小的飛濺、良好的焊縫背面成形、焊后不用清渣 及使用純C02氣體和實(shí)心焊絲為主要特點(diǎn)，是根焊的優(yōu)良焊接方法。C02氣體保護(hù)短路過渡焊以其小電流、低電壓、細(xì)直徑實(shí)心 焊絲、短路過渡為主要特點(diǎn)，下向焊時(shí)熔池體積小、可實(shí)現(xiàn)全位置焊接， 可分為：1)E6010根焊+外焊機(jī)方法2)STT+外焊機(jī)方法3)內(nèi)焊機(jī)+外焊機(jī)方法 由于對間隙、鈍邊及錯(cuò)邊量等對口條件較高，適宜在平原使用。在克拉斯諾達(dá)爾輸油管道中應(yīng)用該技術(shù)，大大減少了現(xiàn)場工作量， 在管道局承擔(dān)的蘇丹管道工程中曾嘗試應(yīng)用。 刊2．2．2西氣東輸選擇的焊接方法天津大學(xué)工程碩士學(xué)位論文X70鋼在西氣東輸中大量使用，在國內(nèi)是第一次，為了保證焊接質(zhì) 量，管道局進(jìn)行了大量研究工作，做出幾十種焊接工藝評定，滿足各種施 工需要。卜E801E9018填充蓋面焊接。STT焊接+藥芯焊絲半自動焊方法： 采用JM58焊絲根焊+E7lT8N訂焊絲填充、蓋面焊接。自動焊(STT+b焊機(jī))方法： 采用JM58焊絲根焊+JM68焊絲使用PAW2000外焊機(jī)進(jìn)行填充、蓋面焊接。2．2．3本研究選擇的焊接方法作為西氣東輸焊接研究的一部分，本研究主要使用的焊接方法是纖維 素焊條根焊、STT根焊以及半自動藥芯焊絲填充蓋面和自動焊填充蓋面。焊條電弧焊+藥芯焊絲半自動焊組合焊接方法是目前管道建設(shè)的主要 焊接方法，尤其是對于大口徑輸氣管線，根焊選用纖維素焊條，其藥皮中 含30％左右的纖維素或其他有機(jī)物，加入其他合金，以鈉水玻璃作粘結(jié)劑。焊條藥皮外徑較 細(xì)，重量系數(shù)小，烘干溫度低，焊接時(shí)電流小，下向焊纖維素焊條易于操 作，具有較高的操作速度(約為堿性焊條的2倍)，是目前管道施工中根 焊主要應(yīng)用的焊條。主要是把斷續(xù)的焊接過程變?yōu)檫B天津大學(xué)工程碩士學(xué)位論文續(xù)的生產(chǎn)方式，從而減少了接頭的數(shù)目提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了能源。藥芯焊絲與焊條比較其優(yōu)勢見下表2—3。焊條因斷續(xù)工作，每根需去掉2030mm的焊條頭， 造成焊材的浪費(fèi)同時(shí)焊機(jī)的空載損耗大浪費(fèi)了電力和時(shí)間。表23藥芯焊絲與焊條的對比項(xiàng)目 藥芯焊絲 手工焊條 焊縫成形 極性 好工 飛濺 較小(≤3％) 較小(≤3％) 藝 脫渣性 良好 良好性能 電弧穩(wěn)定性 極佳，無喘息，斷弧現(xiàn)象 好；偶有喘息，斷弧現(xiàn)象全位置性 良好，操作靈活 良好，操作靈活力學(xué) 熔敷金屬 性能高，可用于重要結(jié)構(gòu) 性能高，可用于重要結(jié)構(gòu) 性能 焊縫質(zhì)量 接頭數(shù)少，焊縫質(zhì)量高 接頭數(shù)多，易產(chǎn)生缺陷耗電量 耗電小，較手工焊條節(jié)電30 耗電多，空載損耗大 填充金屬 ％ 熔深小，需使用大角度坡熔深大，坡口角度小，較手工 口其 熔敷效率 焊條節(jié)省40％它 熔敷速度 90％ 60％對焊工技術(shù)要求 1409／min 409／min擴(kuò)散氫含量 較低 較高 各類焊絲均為低氫材料 堿性焊條為低氫焊材對于直徑大于609ram、壁厚較大的長輸管線在埋弧焊使用條件受到限 制的情況下，為獲得施工的高效率和高質(zhì)量，往往首先考慮熔化極氣體保 護(hù)焊、氣體保護(hù)焊可以是自動的．也可以是半自動的。在 加拿大、歐洲、中東等國家和地區(qū)受到普遍重視。由 于這種焊接方法含氫量低．加上焊絲的成分和制造要求比較嚴(yán)格、如果韌 性要求高或管線用于輸送酸性介質(zhì)，以這種方法焊接高級別的鋼管可獲得 穩(wěn)定的焊接質(zhì)量。焊條電弧焊+藥芯焊絲半自動焊組合焊接方法是西氣東輸建設(shè)主要焊 接方法，同時(shí)有大量經(jīng)過培訓(xùn)合格的焊接人員和進(jìn)口半自動焊設(shè)備；STT 根焊+外焊機(jī)填蓋組合焊接方法是熔化極氣體保護(hù)焊，STT根焊是半自動， 外焊機(jī)填蓋是自動的，非常適宜在平原、沙漠地帶施工，尤其在西北地區(qū) 和中部平原，效率高、質(zhì)量好。2．3焊接材料2．3．1焊接材料的選擇 本研究采用不同的焊接材料對X70管線鋼管進(jìn)行環(huán)縫焊接。因此，選擇焊接材料時(shí)必須考慮到兩方面的問題：一要焊縫 不易產(chǎn)生缺陷；二要滿足使用性能的要求。根據(jù)對微合金控軋鋼的焊接性分析， 這類鋼的焊縫金屬的熱裂及冷裂傾向在正常情況下是不大的。根焊焊條根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選用BOHLER公司生產(chǎn)的纖維素焊條 E6010，其強(qiáng)度低于管材強(qiáng)度，不承擔(dān)主要應(yīng)力的作用，主要是在 焊接過程中保證根部的焊接質(zhì)量，提高施工速度，；主要承擔(dān)應(yīng)力天津大學(xué)工程碩士學(xué)位論文的是填蓋的金屬，并且根據(jù)管材的力學(xué)性能按等強(qiáng)匹配的選擇及國 內(nèi)外相關(guān)資料選擇自保護(hù)焊絲E71T8．Nil。根焊焊絲選用AWS A5．18ER70S．G焊絲，填蓋選用錦泰AWS A5．28 ER80S．G焊絲。方案二為STT進(jìn)行根焊，PAW2000自動外焊機(jī)進(jìn)行填充焊和 蓋面焊。2．3．2焊接材料各項(xiàng)指標(biāo)復(fù)驗(yàn)按照AWS的標(biāo)準(zhǔn)，對焊材進(jìn)行了復(fù)驗(yàn)。表2—4 焊接材料的化學(xué)成分(wt％)直徑牌號 C Mn Si P S Ti Cr Ni V Mo Cu(ram)E60100．20 1．20 1．00 0．20 O．30 O．08 O．30標(biāo)準(zhǔn)值BOHLER4．0 0．08 0．47 O．13 O．01 O．Oll O．02 0．07 O．0lE6010E7lT8．NilO．12 1．50 O．80 O．03 O．03 0．15 O．8．1．O 0．35標(biāo)準(zhǔn)值HOBART2．0 0．04 O．87 O．06 0．012 0．004 0．04 O．88 O．01 0．0281N1ER70S．G 標(biāo)準(zhǔn)不做要求JM．58 1．2 O．08 1．63 O．69 0．014 0．002 O．15 0．1 3ER80S．G 標(biāo)準(zhǔn)不做要求JM．68 1．O O．08 】．62 0．72 0．0l