螺旋埋弧焊管

螺旋埋弧焊管（共4篇）

螺旋埋弧焊管 篇1

摘要：针对西气东输二线用大口径高钢级螺旋埋弧焊管,采用两种试样进行拉伸试验。综合分析影响螺旋焊管强度测试的因素,如试样形式、试验方法等。研究结果表明:不同形式试样测定的螺旋焊管管体横向屈服强度值是包辛格效应、形变强化效应及组织等因素综合作用的结果;包辛格效应是影响其屈服强度测试结果的主要因素;测定屈服强度时采用的总伸长量应根据胀环试验测定的管体实际屈服强度值确定。

关键词：X80螺旋缝埋弧焊管,拉伸试验,包辛格效应,形变强化,胀环试验

在中国,石油天然气特别是作为洁净能源的天然气的需求正在迅猛增长,为了提高管道输送能力,降低管道建设成本和运行成本,迫切需要大规模采用高强度管线钢。

“西气东输”工程和陕京二线工程使用了X70钢级的管线钢管,使我国跟上了国外的发展水平;中油集团实施的“X80管线钢应用工程”,首次将国产大口径X80螺旋缝埋弧焊管应用于西气东输冀宁联络线上,进一步缩短了同国际先进水平的差距。目前正在建设的西气东输二线管道工程是世界上最长的X80输气管道,管输量高达300亿立方米/年。不论长度、钢级、管径、壁厚还是输送压力和天然气组分,西气东输二线工程都堪称世界之最。

拉伸性能是管线钢管最基础和最重要的性能指标,它是管道设计和安全评定的基础。对于低强度管线钢及螺旋焊管,国内一直用展平的板状试样来测试其强度。但是,在用这种试样测试高强度管线钢管,如国产大口径X80螺旋焊管的强度时,却遇到了有关试样形式、试验方法等方面的问题。关于高强度钢管的强度测试问题,国际上有关研究机构如EPRG, Trans Canada, EUROPIPE等进行了一些研究[1,2,3],但其数据来源主要是UOE焊管,涉及高强度SAWH焊管的较少。本工作对在国产高钢级螺旋焊管强度测试过程中存在的问题进行初步的分析和研究。

1 管线钢强度测试存在的问题

1.1 试样形状

API Spec 5L[4]规定,拉伸试样可以是全截面试样、板状试样或圆棒试样。管体横向板状试样应在室温下展平,厚度为全壁厚,对于外径大于168.3mm的钢管,试样标距内宽度为38.1mm。管体横向圆棒试样应从未压平的管段上截取,可采用套取的办法进行加工,根据管径和壁厚的不同,试样标距内直径可为12.7,8.9,6.4mm。

对于X70及以下钢级的螺旋钢管,拉伸试验通常采用板状试样。在X80螺旋焊管的研制和试生产评价过程中,采用板状试样进行拉伸试验,常出现屈服强度偏低的情况,有时甚至低于标准规定的下限值(552MPa)。对于高钢级管材屈服强度测试时应该采用的试样类型,有关的研究表明,传统展平试样对屈服强度较低的钢管而言是适用的,但对高强度钢管已不再适宜[2]。这一结论对高强度螺旋焊管是否适用,本研究进行了一些比对试验。

1.2 试验方法

API Spec 5L第43版6.2.1规定,管线钢和钢管的屈服强度应为试样标距长度内产生0.5%总伸长(用引伸计测定)时所需的拉伸应力,即采用负载下的总伸长法测出的Rt0.5。

API Spec 5L第43版9.10.2.1规定,拉伸试验方法应符合ASTM A370《钢产品力学试验方法及定义》[5]的要求。而ASTM A370的13.1.3采用的负载下的总伸长法的注6中规定:在采用负载下的总伸长法确定材料的屈服强度时,如果屈服点不超过80,000 psi(550MPa),则总伸长量应为标距长度的0.005,即0.5%;但是如果屈服点超过了80,000 psi,除非将负载下的总伸长量增加,否则这种方法无效。

这样在X80级别管线钢出现以后,API Spec 5L6.2.1与ASTM A370 13.1.3的注6出现了矛盾:若按6.2.1的规定进行试验,测得的是Rt0.5,但按ASTM A370 13.1.3的注6,此结果是无效的,而应该将负载下的总伸长量增加,但增加多少并没有明确规定,因此目前还是测定Rt0.5。

1.3 试样制备过程

从直缝焊管管体上切取的横向板状试样是弯曲的,而对于螺旋焊管,由于成型方式的缘故,从管体上切取的横向试样不仅存在弯曲,还存在翘曲,试样展平比较困难。如果试样平直度不够,则可能会导致测试值低于实际值[6]。采用圆棒试样可减少试样平直度的影响,但却去除了母材的表面部分。

2 试样准备及试验过程

2.1 试样准备

试验用钢管均为螺旋缝埋弧焊管,钢级为X60和X80。X80钢管有两种管径,一种为1016mm,另一种为1219mm;X60钢管管径为1219mm。样品钢管的壁厚为10.3～18.4mm。样品情况如表1所示。

2.2 试验过程

在距焊缝90°的母材位置取横向拉伸试样,试样形式有板状试样和圆棒试样两种。板状试样在室温下进行了展平,试样标距内宽度为38.1mm,厚度为钢管原壁厚,标距长度为50mm。由于钢管壁厚和引伸计标距长度的限制,所取圆棒试样直径为6.4mm,标距为25mm,加工时未进行展平。

3 试验结果及分析

3.1 试样形状对强度测试的影响

3.1.1 对抗拉强度的影响

将采用板状试样和圆棒试样测得的抗拉强度值示于图1。由图1可以看出,数据点基本上分布在对角线的两侧,接近对角线,说明两种形式的试样测得的抗拉强度值基本一致。

抗拉强度表征了塑性金属材料的光滑试样承受单向拉伸载荷时的实际承载能力,它代表金属材料的最大均匀塑变抗力。对于同一种材料,无论试样形式如何,承受单向拉伸载荷时,其承载能力相同,因此,板状试样与圆棒试样测得的抗拉强度基本相同。对于高钢级大壁厚钢管,由于冷却速度和变形量的不同,造成近表面组织与心部组织有所差异,而且钢级越高、壁厚越大,差异也越大。近表面组织较为细小,板条状和粒状贝氏体的体积分数明显多于心部,且MA岛的分布更为均匀、细小。而在心部由于冷却速度较慢,多边形和块状铁素体的体积分数明显增多,MA岛也较为粗大(如图2所示)。圆棒试样去除了表面部分,因此其抗拉强度可能低于板状试样。

为了进一步了解试样形式对抗拉强度测试结果的影响,对西气东输二线用X80螺旋缝埋弧焊管采用不同形式拉伸试样进行了大量的拉伸试验,其抗拉强度测试结果如图3所示。由图3可见,数据点基本上分布在对角线的两侧较窄的范围内,说明板状试样与圆棒试样的测试结果基本相同,与以上的分析基本吻合。

3.1.2 对屈服强度的影响

根据测试结果,将采用板状试样和圆棒试样测得的屈服强度值示于图4。可以看出,当强度较低时(X60),板状试样的屈服强度低于圆棒试样;当强度高时(X80),数据点分布在对角线的两侧,但比较散乱,距对角线的距离差异较大,即板状试样屈服强度的测试值,有的比圆棒试样低,有的比圆棒试样高,而且相差值亦不太稳定。通过分析螺旋缝埋弧焊管的成型及取样过程,造成这种现象的原因是多方面的。

3.1.2.1 包辛格效应

通常,金属材料经过预先加载产生少量塑性变形,而后再同向加载,屈服强度升高;反向加载,屈服强度降低的现象,称为包辛格效应(Bauschinger effect)。管线钢在制管过程中和随后的拉伸试样的制备和试验过程中,要经受拉压反复应变。具体地说,就是螺旋焊管在制造过程中首先要拆卷,然后成型;板状试样在加工时要进行冷展平,这一过程中材料的变形方向与成型时的变形方向相反,这就导致了板状试样拉伸试验的测试结果必然包含了包辛格效应的影响,即包辛格效应会引起板状试样屈服强度的降低。而圆棒试样在加工时不允许冷压平,可以认为没有产生包辛格效应。从这个角度看,板状试样的屈服强度测试值要低于圆棒试样。

3.1.2.2 试样的弯曲度

API Spec 5L标准只是要求板状试样在加工时要进行冷展平,但对展平的程度并没有做出明确规定。实际上,试样的弯曲度对板状试样的屈服强度测试值影响很大。图5表示了西气东输二线用螺旋焊管取样进行拉伸试验,板状试样具有不同弯曲度时,屈服强度的测试结果。文献[4]对拉伸试样弯曲度对屈服强度测试值影响的原因进行了较为详细的分析,这里不再赘述。因此,在加工板状试样时,必须严格控制试样的弯曲度。

3.1.2.3 加工硬化

从另一方面来说,从螺旋缝埋弧焊管截取的管体横向拉伸试样,除了沿周向的弧形弯曲外,由于成型方式的缘故,还存在程度不同的翘曲。因此,螺旋焊管的管体横向拉伸试样比UOE焊管的管体横向试样更加难以展平,而且强度愈高愈难展平,往往需要多次压平。这样就会由于冷变形使试样产生加工硬化,引起屈服强度升高。加工硬化决定于材料的应力-应变曲线,其是否存在屈服平台和屈服伸长的程度对管线钢的形变硬化有重要影响[7]。图6为拉伸试验时测得的6号(X60)和87号(X80)试样的应力-应变曲线。可见,X60等强度较低的管线钢由于应力-应变曲线存在屈服平台,形变硬化现象不明显;X80等高强度管线钢具有连续的屈服行为,形变硬化现象较为明显。因此,从X80钢管上截取的横向板状拉伸试样在冷压平后,由于形变强化效应,屈服强度会有所升高。

3.1.2.4 组织差异

综上所述,螺旋焊管母材近表面组织中粒状贝氏体等强度较高的组织含量较多,且MA多弥散分布,而心部一般块状和多边形铁素体量较大,屈服强度较低。这种心部和表面的组织差异,随着壁厚的增大而增大。板状拉伸试样的厚度为钢管的原壁厚,既包含心部组织,也包含近表面组织。圆棒试样在加工时,去除了母材表面部分。这样,板状试样的屈服强度就要高于圆棒试样,而且钢级越高、壁厚越厚,近表面和心部组织差异越大,板状试样和圆棒试样屈服强度的差异也越大。

图4所得的试验结果是上述多种因素综合作用的结果:包辛格效应较大或试样的弯曲度较大时,板状试样的屈服强度会低于圆棒试样;当后两个因素作用较为明显时,其屈服强度会高于圆棒试样。

图7表示了采用不同形式拉伸试样对西气东输二线用X80螺旋缝埋弧焊管进行拉伸试验的屈服强度测试结果。从图7可以看出,大部分圆棒试样的屈服强度测试值高于板状试样。这说明对于西气东输二线用X80 1219mm×18.4mm螺旋缝埋弧焊管,进行拉伸试验时,在上述各因素中,包辛格效应(还有板状试样弯曲度)的影响较为明显。

部分板状试样的屈服强度高于圆棒试样,这主要是因为组织因素的影响较为明显。其典型组织如图8所示。可见,其壁厚中心的块状铁素体及珠光体含量明显多于近表面处,故圆棒试样测得的屈服强度较低。

3.2 实验方法对强度测试的影响

对于板状试样,在试验过程中测定了Rt0.5,Rt0.6和Rt0.7,对于圆棒试样,测定了Rp0.2,Rt0.5和Rt0.6。结果示于图9和图10。

从图9可以看出,对于板状试样,X60钢级试样的Rt0.5,Rt0.6和Rt0.7的测试值基本相同;X80钢级的几组试样,Rt0.6比Rt0.5大约高出20MPa,Rt0.7比Rt0.6高出12～22MPa。这一结果是由X60,X80钢的应力-应变曲线的特点决定的(见图6),X60钢的应力-应变曲线有屈服平台,而X80钢具有连续的屈服行为。

图10的测试结果显示,无论X60或X80焊管,圆棒试样的Rp0.2与Rt0.5的测试值基本相同,Rt0.5与Rt0.6的测试结果亦表现出与板状试样相同的规律,只是部分试样Rt0.5与Rt0.6的差值较小,最小为5MPa。

屈服强度测试时,应用胀环试验对焊管管体的实际屈服强度进行测试,选取Rt0.5,Rt0.6,Rt0.7中与之最接近的一个作为屈服强度的测试指标,以便解决API Spec 5L6.2.1[4]与ASTM A370 13.1.3[6]的矛盾。

4 结论

(1)螺旋焊管管体横向拉伸试样的试样形式对抗拉强度的测定影响不大。

(2)不同形式试样测定的螺旋焊管管体横向屈服强度值是包辛格效应、试样弯曲度、形变强化效应及组织等因素综合作用的结果。

(3)对螺旋焊管不同形式试样的Rp0.2,Rt0.5,Rt0.6及Rt0.7进行了比对,建议测定屈服强度时采用的总伸长量应根据胀环试验测定的管体实际屈服强度值进行确定。

参考文献

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[2]GLOVER A.Research and application of X100 and X120[A].The International Symposium Proceedings on X80 Steel GradePipelines[C].Beijing:Department of Science&Technology,Chi-na National Petroleum Corporation,2004.164-165.

[3]KNAUF G.Pipeline safety full scale behavior of high strengthsteels[A].The International Symposium Proceedings on X80Steel Grade Pipelines[C].Beijing:Department of Science&Technology,China National Petroleum Corporation,2004.237-238.

[4]API SPECIFICATION 5L,Forty-Third Edition-2004,Specifica-tion for line pipe[S].

[5]ASTM A 370-07a-2007,Standard test methods and definitions formechanical testing of steel products[S].

[6]熊庆人,霍春勇,申善颖.拉伸试样弯曲度对屈服强度测试值的影响[J].理化检验—物理分册,1998,1:16-17.

[7]高惠临.管线钢-组织性能焊接行为[M].西安:陕西科学技术出版社,1995.

高钢级大口径直缝埋弧焊管的研制 篇2

关键词：高钢级,大口径,直缝埋弧焊管

引言

管道输送是油气资源最经济、最合理的运输方式[1]。在油、气输送管线建设中, 采用高钢级管线钢管可以提高输送压力, 减少钢管壁厚, 能够显著减少钢材使用量, 降低工程建设及维护成本, 有着显著的经济效益和社会效益;采用更高钢级管线钢管是油、气输送管线建设发展的必然趋势[2]。中国近年来已陆续推动应用X80钢级管线钢管, 但X90钢级管线钢管尚未大量应用, 因此, X80, X90仍然是未来较长时间内油、气输送管线市场的重要产品, 掌握X80, X90高钢级大口径直缝埋弧焊管成套制造工艺, 是拓展研制X100、X120超高钢级管线钢管及其他新产品的基础。

1 生产线简介

番禺珠江钢管有限公司 (以下简称“珠江钢管”) 是国内较早建成JCOE直缝埋弧焊管生产线及掌握JCOE直缝埋弧焊管制管工艺的企业[3]。2015年, 珠江钢管在连云港公司建成一条较先进的JCOE直缝埋弧焊管生产线, 其制管工艺流程如图1所示。该生产线配备了浮动感应式铣边机、大压力折弯成型机、数字化焊接电源、焊缝自动跟踪系统、双驱动推压式机械扩径机[4]等先进装备, 为获得良好的焊接性能及管型提供了保障。生产线还配备了钢板超声波探伤、水压前超声波探伤、水压前X射线工业电视、水压实验机、水压后超声波探伤、水压后X射线工业电视、X射线管端拍片、称重测长等自动化、智能化的检验设备。性能检测方面, 珠江钢管拥有全套理化检测设备, 检测中心已通过CNAS国家实验室认可, 充分保障产品检测数据准确、可靠。

2 研制计划及实施

结合前期研发经验, 珠江钢管制订相关试制计划, 确定研制Φ1219 mm×33.0 mm×12000 mm/X80M和Φ1219 mm×16.3 mm×12000 mm/X90M直缝埋弧焊管。参照《石油天然气工业管线输送系统用钢管GB/T9711-2011》、《管线钢管规范API Spec 5L45th》标准制订了《MTS-热轧钢板采购技术条件》, 从国内知名厂家订购钢板等原材料;制订了《MPS-直缝埋弧焊管制造工艺规范》、《ITP-直缝埋弧焊管检验和试验计划》以及内部《技术标准》、《工艺卡》, 用于规范化管理整个试制过程。最终成功研制出Φ1219mm×33.0mm×12000mm/X80M和Φ1219 mm×16.3 mm×12000 mm/X90M直缝埋弧焊管样管, 经公司内部检测, 以及委托第三方 (国家石油管材质量监督检验中心, 帕博检测技术服务有限公司) 检测, 产品各项性能指标均符合《石油天然气工业管线输送系统用钢管GB/T9711-2011》标准要求, 标志着珠江钢管掌握了X80, X90高钢级大口径直缝埋弧焊管成套制造工艺, 新建JCOE生产线具备制造X80, X90高钢级大口径直缝埋弧焊管的能力。

3 试验结果及分析

3.1 主要化学成分

试制钢板均按照制订的《MTS-热轧钢板采购技术条件》从国内知名厂家购置, 其化学成分符合GB/T9711-2011标准要求 (如表1所示) 。

3.2 力学性能试验

3.2.1 拉伸试验

本项目分别从距焊缝180°管体和焊接接头处取样进行拉伸试验, 其结果 (如表2所示) 符合GB/T9711-2011标准要求。

3.2.2 导向弯曲试验

本项目从焊接接头取样2件, 分别进行面弯和背弯180°试验, 试样未出现裂纹, 其试验结果符合GB/T9711-2011标准要求。

3.2.3 夏比冲击试验

本项目分别从距焊缝90°管体、焊缝和热影响区进行取样, 试样尺寸:10mm×10mm×55mm、V型缺口, 实验温度:-10℃, 进行夏比冲击试验, 其结果 (如表3所示) 符合GB/T9711-2011标准要求。

注:CEpcm=w (C) +w (Si) /30+ (w (Mn) +w (Cu) +w (Cr) ) /20+w (Ni) /60+w (Mo) /15+w (V) /10+5 w (B)

3.2.4 落锤撕裂试验

本项目从距焊缝90°管体取样2件, 压制缺口, 试验温度:0℃, 进行落锤撕裂试验, 其结果 (如表4所示) 符合GB/T9711-2011标准要求。

3.2.5 维氏硬度试验

本项目从焊接接头取样, 按照图2所示位置进行维氏硬度试验, 其结果 (如表5所示) 符合GB/T9711-2011标准要求。

3.2.6 金相组织

X80和X90显微组织照片如图3所示。产品管体组织为典型的针状铁素体组织, 这种组织保证了高钢级管线钢钢种具有高强度和高韧性的良好综合性能, 而产品焊缝组织主要是IAF (晶内成核针状铁素体) +B粒+PF (多边铁素体) , 细晶区主要是PF+MA (马氏体奥氏体) , 也均为典型的焊接显微组织, 上述良好的焊缝力学性能即为佐证。

3.3 其他试验

(1) 本项目对钢板、钢管水压 (机械扩径) 前后的拉伸变化情况进行了内部跟踪比对, 发现管体屈服强度和抗拉强度呈增大趋势, 包辛格效应明显, 为下一步批量生产积累了经验。

(2) 本项目对焊缝中心、热影响区进行了-20, -30, -40, -60℃温度下的内部夏比冲击温度转变曲线试验, 为进一步研制低温服役管线钢管提供借鉴。

(3) 本项目挑取了1支Φ1219mm×33.0mm×12000mm/X80M直缝埋弧焊管样管进行水压爆破试验, 实际爆破压力值:36.38 MPa, 高于理论计算最小值 (33.84 MPa) , 爆破断口呈明显的韧性断裂特征 (如图4所示) , 为进一步研制其他管线钢管新产品提供借鉴。

3.4 无损检测

按照试制计划, 本项目对试验钢板进行了100%超声波检测, 水压前对每支钢管焊缝全长进行100%UT及100%RT检测, 水压后对每支钢管焊缝全长进行100%UT及100%RT检测, 对管端至少300mm长度的焊缝进行了X射线拍片检测, 对管端50mm区域超声波分层检测, 对管端进行剩磁法探伤检测。经以上无损检测, 未发现超标缺陷, 其结果符合GB/T9711-2011标准要求。

3.5 产品外观尺寸

按照试制计划, 本项目组织对产品长度、直线度、管端椭圆度、管端外周长、管体外周长、壁厚、坡口角、钝边、切斜度、焊缝余高、错边、表面质量进行了检测, 未发现超标缺陷, 其检测结果 (如表6所示) 符合GB/T9711-2011标准要求。

4 结论

(1) 上述各项检测结果表明, 本项目产品各项性能参数均满足相应标准要求, 且部分性能参数高于标准要求, 研制获得成功, 标志着我公司掌握了X80, X90高钢级大口径直缝埋弧焊管成套制造工艺, 新建JCOE生产线具备制造X80, X90高钢级大口径直缝埋弧焊管的能力。

(2) 本项目通过跟踪比对钢板、钢管水压 (机械扩径) 前、后的性能及外观尺寸变化情况, 为后期批量生产积累了经验。

(3) 本项目附加进行的诸如低温冲击试验、爆破试验等检测项目, 为下一步拓展研制X100, X120超高钢级管线钢管, 低温服役、酸性服役管线钢管等新产品奠定了基础。

参考文献

[1]彭在美.石油天然气输送用钢管的生产技术及发展方向[J].钢管, 2004, 33 (2) :1—5.

[2]苏志, 张志明, 孙爱玢.X90直缝埋弧焊管的研制[J].焊管, 2012, 35 (3) :66—70.

[3]彭在美, 沈发楚, 嵇绍伟.我国UOE/JCOE直缝埋弧焊管机组的现状及发展趋势[J].钢管, 2013, 42 (2) :1—5.

[4]陈昌, 黄克坚, 王利树, 冯钊棠, 黄杰生.双驱动推压式钢管扩径装置及扩径工艺[P].中国专利ZL200910126899.0, 2011-09-14.

[5]GB/T9711-2011.石油天然气工业管线输送系统用钢管[S].北京:国家质量监督检验检总局, 2012.

螺旋埋弧焊管 篇3

输油气用焊接钢管的制造是一项大规模的焊接工程,焊接质量的好坏将决定着管道的使用性能和使用寿命。目前,我国的管道建设正向着一大(管道直径大)、二长(输送距离,泵站间距长)、三高(输送压力高、管材钢级高、焊缝质量高)的方向发展,对输油气用焊接钢管的质量、性能和安全可靠性要求也愈来愈严。除严格执行国际先进标准外,不同的工程还提出了工程(自身)必须执行的技术规范,如(Q/SYXQ 14)《西气东输工程用螺旋埋弧焊管技术条件》等。许多国外先进制管厂家为了适应对高质量焊管的需要,都提高了对焊管标准的要求,并把焊缝形状控制作为内控标准,如“土耳其曼内斯曼-波鲁钢管公司的焊缝形状控制规范”等[1]。国际先进标准、工程技术条件、企业内控规范都反映了一种趋势,即对焊缝形状的控制愈来愈全面,愈来愈严格。本文在焊缝形状描述的基础上,重点论述了埋弧焊管焊缝形状评价体系建立的准则与方法。

焊接接头的质量与焊缝形状控制

焊接接头的质量集中反映了焊接工程质量,反映了焊接技术水平和焊接工艺参数选取的合理性。焊接接头可简称“接头”(joint)。在GB/T 3375-94《焊接术语》中被定义为“由二个或二个以上零件要焊接或已经焊合的接点。检验接头性能应考虑焊缝、熔合区、热影响区甚至母材等不同部位的相互影响。”焊接的目的就是获取优质的焊接接头。优质焊接接头应具备以下3个方面的条件。

1 焊接接头沿焊道方向的完整性

管道的完整性,在一定程度上是由焊缝的完整性来保证的。因为焊接是一个存在物理和化学反应的复杂冶金过程。在接头的小范围内进行冶金反应,完全避免缺欠是不可能的,但应借助于无损检测探伤检测手段,以剔除超出标准允许的各种缺陷,如裂纹、气孔、夹渣、咬边、未熔合、未焊透等,以保证焊缝在物质上的连续性和功能的完整性。

2 焊接接头的各种部位应有相同或近似的力学性能

焊接接头由焊缝区、熔合区、热影响区和母材组成。如果接头的任何一个区域的力学性能下降,都将影响着管道的使用功能,因此应该保证接头各部位应有相同或相近的强度、韧性和硬度等力学性能,特别要注意焊接接头中薄弱环节,如热影响区的粗晶区韧性下降,焊缝与母材过渡部分的应力集中,以及焊接接头韧性断裂等问题。

3焊缝形状的几何形状参数控制在合理的范围

在描述焊缝几何形状或检测接头各部位性能时,可用截取焊道横断面,经打磨、抛光和腐蚀后的试样进行研究。图1既是对截取的试样进行的(焊缝)几何参数描述,包括内外焊缝的余高、母材与焊缝的过渡角、内外焊熔合度及内外焊中心偏移量(焊偏量)等。控制焊缝形状参数主要依赖于焊接材料和焊接工艺参数的合理选择。焊接材料主要指焊丝和焊剂,焊剂的物理性能(高温粘度、表面张力等)和化学成分对焊缝形状的影响很大。焊接工艺参数主要指焊接规范(焊接电流、焊接电压、焊接速度等),工艺因素(焊点位置、焊丝倾角、焊丝伸出长度等)和结构因素(坡口的形状尺寸)等等。所以优质焊接接头的焊缝形状也反映了焊接材料和工艺参数选择的合理性。

在优质焊接接头所具备的3个条件中,人们对前两个条件的研究远比对焊缝形状控制的研究重视得多,时间也长久得多。我国焊管业把焊缝形状控制提到议事日程是从本世纪初,由中国石油物资装备总公司黄志潜总工程师领团欧洲考察后开始的。欧洲一些先进焊管厂家把焊缝形状控制指标列入内控标准,可以写入订货合同,并利用计算机软件对焊缝形状进行优化和预测。对焊缝形状控制的重视基于以下3点考虑:①焊缝形状的好坏是与焊接接头的连续性和完整性相联系的;②焊缝形状的好坏将影响焊管的承载能力和焊接接头的力学性能;③焊缝形状好环关系到焊管防腐成本和防腐质量。因此加强对焊缝形状控制的研究势在必行。

制定焊缝形状控制标准和建立焊缝形状评价体系

控制好埋弧焊管焊缝形状有两个途径。从技术上讲是选择好焊接材料和焊接工艺参数;从技术管理上讲,一是制定焊缝形状质量参数的控制标准,二是建立焊缝形状的评价体系。本文重点讨论的是焊缝形状的技术管理问题。

制定焊缝形状控制标准和建立焊缝形状评价体系的目的是一致的,但思路和方法不同,前者重视的是控制结果,而后者更加关注控制过程。

在我国现行的几个焊管标准中(GB 9711,ISO8183,API 5L等),对个别形状参数指标有所要求,如焊缝余高(c1,c2),错边量(I)等,但要求都比较宽泛,而且项目偏少,因此许多输油气管道工程都对这些指标提高了要求,并增添了一些项目,见表1。

从国外焊缝形状控制的发展趋势看,控制的形状参数指标越来越多,也越来越严。如土耳其曼内斯曼-波鲁钢管公司焊缝形状控制了6个指标,见图1[1];比利时Fabricom弯管厂、法国Joeuf制管厂都对焊缝过渡角提出要求;日本的螺旋管厂对熔宽比和熔深比也提出了相应的要求[2]。本评价体系以产品的实测结果为基础,其过渡角最小为120°。

利用制定标准控制焊缝形状的方法是有效的。但随着控制参数的增加,通过调整焊接工艺参数来达到各项参数的高标准的难度增大,其作用是有限的。原因之一是因为焊接过程是一个高度非线性、多变量、强耦合,同时又有大量随机不确定因素的复杂过程。控制的因素越多,工艺参数越难调整。用内控标准控制焊缝形状,要么把控制标准放得很宽,要么增加不合格产品的数量。原因之二是形状参数与工艺参数之间的交互作用,使得某些形状参数质量提高之后,可能引起另一些形状参数的质量降低。例如,为了严格控制焊缝的余高,在其主要工艺参数不变的情况下,就需要降低焊接电流,其结果可能使熔深降低,内外焊缝重合度不够。为了全面地,合理地,综合控制焊缝形状,最好建立焊缝形状评价体系。

建立焊缝形状体系,就是把焊接接头的形状用若干技术参数来描述,如余高、过渡角、内外焊重合度,内外焊中心偏移量,熔宽比和熔深比等。利用“打分”的方法,把每个参数所达到的质量水平用不同的分数段来表示。每个参数在焊缝形状中重要程度反映在不同的“权重”上。最后以综合评分的方法,反映出该焊缝形状好坏的全面情况。表2为螺旋埋弧焊管焊缝形状评价体系表(部分),可做生产实际的参考。利用该评价体系,对实际生产中的焊接接头的质量进行评价结果见图2。从对比分析中可看出,不同的分数,反映的焊缝形状质量也是不一样的。

建立焊缝形状评价体系的意义和作用还在于:

(1)保证焊缝形状参数控制指标的实现,同时不影响焊缝形状的整体质量。因为焊缝形状的控制是一个完整地体系,在为实现某项控制指标而调整工艺参数的时候,也顾及了其他形状参数指标不受负面影响,避免了形状参数之间的顾此失彼。

(2)为实现焊接工艺参数的优化和预测奠定基础,为了充分发挥焊缝形状评价体系的作用,利用计算机技术,在建立焊缝形状参数数据库及其所对应的焊接工艺参数的基础上,逐步实现焊接工艺参数的优化及预测。

(3)及时发现生产过程中的形状缺陷和问题,迅速提供调整工艺参数的方案,通过焊缝形状分析的制度化,可利用生产过程的酸洗样,制做焊缝形状分析样,及时取得焊缝形状分析信息,发现问题,利用已建立的数据库,提出改进措施,不断提高焊缝形状质量,对于新材料、新工艺、新规格焊管的试制,还可以缩短试验时间和试制成本。

建立焊缝形状评价体系的准则与方法

建立焊缝形状评价体系对于实现焊接工艺参数的数字化管理是必要的和可行的。但在建立焊缝形状评价体系,尤其是确定评分标准时,人为的因素是存在的。要科学地、合理地、客观地反映焊缝形状的好坏,在建立焊缝形状的评价体系时,应遵循如下准则和方法:

1以现行标准或规范为依据

如前所述,控制焊缝形状最简单方法是规定焊缝形状某些质量参数指标,但这些指标的控制不可能太严格,过于严格会增加产品的不合格率,同时还可能引起其他参数的下降。焊缝形状评价体系是分段评分的,可反映出形状参数好坏程度。因此,可以把标准(规范)的形状参数指标作为评分标准的基本要求,即把达到或稍高于标准(规范)的指标定为“及格”。高于及格的可分为好的和比较好的,低于及格的可分为1~2档次。例如焊缝外焊余高,GB/T9711-1999标准要求,在厚度t≤15mm时,c1≤3.0mm;t>15mm时,c1≤4.0mm;西气东输Q/SYXQ14要求c1≤2.5mm。为了有效地控制焊缝余高,在评价体系中,t≤15mm时c1≤2.5mm;在t>15mm时,c1≤2.8mm定为“及格”,其他分数段以此类推(详见表2)。确定分数段的基本原则是:通过生产实践的数据统计,能够把焊缝形状的好坏区分开来。如果分数段确定不合理就达不到评价的目的。

2 以管道技术实验研究成果为参考

在焊接材料已定的条件下,焊管的焊缝形状参数是由焊接工艺参数决定的。为了正确选择焊接工艺参数,需要做大量的工艺实验和生产试验,找出焊接工艺参数、焊缝形状质量与接头性能三者之间的关系,其试验研究成果可作为确定焊缝形状评价体系分数段的重要参考。例如,在焊接领域往往用焊缝宽度B和深度H的比值,即焊缝成形系数来表是焊缝形状。焊缝成形系数(φ=B/H)由焊接工艺参数决定,对焊接接头的性能产生较大的影响。φ值过小时,焊缝的形状窄而深,熔池冷却结晶时容易使低熔点共晶物、杂质等被挤向焊缝中心,集中在树枝状结晶的对接部位,使得该部位抵抗拉应力的能力特别弱,故在焊缝中心易产生热裂纹。同时在中心处也易造成夹渣、气孔等缺陷,降低了焊接接头的承载能力。φ值过大时,使熔宽大,熔深浅,虽然降低了焊缝产生热裂纹的可能性,但低熔点共晶物与杂质等容易聚集在焊缝的上部,同样降低焊接接头的承载能力,同时造成焊接材料和能源的浪费。因此,必须把焊缝成形系数控制在合理的数值内,使得焊缝熔宽与熔深尺寸之间有恰当的比例关系。如埋弧自动焊时,焊缝的成形系数φ值控制在1.3~2之间时,对熔池中气体的逸出以及防止夹渣或裂纹等缺陷都是有利的[3]。由于焊缝形状系数控制的范围太大,加之用焊缝形状系数来表示形状也比较抽象。日本焊管业用焊缝宽度B与母材厚度t之比,即熔宽比(B/t)和焊缝深度H与母材厚度之比,即熔深比(H/t)表示焊缝形状,并研究了熔宽比和熔深比与焊缝质量之间的关系,研究结果表明:螺旋埋弧焊管在焊接时,若不开坡口,内外焊的焊缝熔深比控制在60%左右,熔宽比控制在1~1.1左右,焊接缺陷的发生率是较少的,见图3[2]。根据试验结果和生产实践,对上述参数作以调整,作为该参数的评分标准。

3 以产品的实测结果为基础

注:因篇幅有限,本表删去了所有的内焊缝和厚度大于12.7mm等项目的有关指标。

在建立焊缝评价体系时一定要坚持高标准、严要求,否则形状质量就不会有大的提高。但形状参数分数段的确定不能太理想化,应该对现有产品的实际水平进行测算,在实测结果的基础上,订出通过努力而能达到的指标。比如焊缝过渡角,土耳其曼内斯曼-波鲁钢管公司的控制指标是大于140°(外焊)。如果我国焊管企业生产的螺旋埋弧焊管把它作为最低要求显然是偏高的。对于螺旋埋弧焊管熔宽比为1.1的要求也存在类似的问题。因此,根据产品实测结果,对于评价体系的分数段的设置作适当的调整是必要的。但一经专家研究制定评价体系后,分数段的调正整不应太频繁。当对试样评价结果积累到一定程度时,可参照全面质量管理的统计方法,对焊缝质量情况和各形状参数分布情况进行统计分析,对评价体系中分数段不合理的部分进行修改。

4 以焊缝形状参数的协调组合为目标

如前所述,焊缝形状参数与焊接工艺参数之间的交互作用是显著的。为了某个形状参数的提高,在调正整工艺参数时,可能会引起其它一个或者几个参数的下降。因此要使各个形状参数都达到最好是很困难的。焊缝形状评价作为一个体系,应该以体系中的各项参数的协调组合为目标,不能因为追求某个或某几个参数的提高,而损害焊缝形状的整体水平。为了把重要的形状参数或需要严格控制的参数突出出来,可以用加权系数的办法来体现(见表2),从而使焊缝形状的各项指标都能达到好的或比较好的水平。

结束语

焊管的焊缝形状是焊接参数合理性的反映,同时影响着焊接接头的性能。加强对焊缝形状控制的研究,建立合理的焊缝形状评价体系,坚持对产品的形状参数进行分析,对提高焊缝形状的质量至关重要。在建立焊缝形状评价体系时,既要对形状参数的各项指标坚持高标准、严要求,又要从生产实际和生产水平出发;既要突出需要控制的主要指标,又要注意形状参数各项指标的协调组合;既要重视焊缝形状控制工艺的研究,又要重视焊缝形状控制的技术管理;不断完善焊缝形状评价体系;把我国埋弧焊管焊缝形状控制技术提高到一个新水平。

参考文献

[1]黄志潜.石油天然气管道输送技术、材料与装备[M].西安:陕西科学技术出版社,2006:304-305.

[2]辛希贤.管线钢的焊接[M].西安:陕西科学技术出版社,1997:118-119.

螺旋埋弧焊管 篇4

关键词：大直径双层埋弧焊管,无损检测,UT

随着我国石油、天然气生产量的不断增加, 我国在油气输送管道方面的技术也得到了进一步的发展。油气的输送是一个大规模的工程, 利用管道运输相对经济、安全。油气输送管道主要采用的是直缝埋弧焊管, 与螺旋埋弧焊管比起来, 这种输送管道更具优势, 但随着对管道安全性的要求, 直缝埋弧焊管的厚度不断增加, 生产技术难度增大, 由于受到管线钢板厚度的限制, 大直径埋弧焊管在油气输送时质量稳定性差, 成材率低, 成本高。

人们对油气运输中经济效益和运行安全性越来越高的要求, 使运输管道在生产上仅靠增加厚度和强度是远远不够的, 因而需要新的生产技术来生产出相对更经济、更安全的运输管道。

大直径双层埋弧焊管的设计, 是受到了多层超高压容器和双金属复合管结构的启发, 将大直径双层埋弧焊管应用在油气运输中, 能提高了管道的输送能力, 使油气运输的安全性和经济效益得到提高, 但在其应用中, 还有技术问题需要解决。

1 大直径双层埋弧焊管的结构

大直径双层埋弧焊管是在大直径埋弧焊管的基础上设计完成的, 采用的仍是埋弧焊技术, 但其管道是由内管和外管组成, 内、外管的材料使用的是直缝双面埋弧焊钢管。比起一般的双金属复合管, 大直径双面埋弧焊管内、外管的直径更大, 管壁也更厚, 内管的外径比外管的内径小2至5毫米, 厚度均在8至25毫米之间, 比一般内管厚度在1至3毫米的一般双金属复合管的耐压能力要强得多。而内外管同时承受内压, 也使运输管道的抗压能力更高, 更加安全。

比起一般的单层直缝埋弧焊管, 大直径双层埋弧焊管仅仅只是增加了内管外焊缝清理、外管内焊缝和穿管的工序, 在生产技术上并不会造成太大的难度。

2 大直径双层埋弧焊管在应用中的优点

大直径双层埋弧焊管在油气运输应用中的优点可以用一个简单的例子来解释, 如大型起吊机上的钢丝, 一根钢丝承受的重量是十分有限的, 但很多钢丝拧在一起形成的起吊机上的钢丝就能承受重得多的重量。

通过以上的例子不难看出, 如果将两个15毫米厚的单层钢管复合成一个30毫米厚的双层钢管, 其抗压能力就会提高, 而生成技术也不会因为钢管的厚度而造成困难, 既能使钢板的质量稳定性、性能水平和合格率、生产率得到提高, 还能降低生产技术难度, 并降低成本。

3 大直径双层埋弧焊管在应用中的技术问题

大直径双层埋弧焊管应用到工程中, 能给油气运输的技术带来革新, 但要将其用到工程中, 还有包括钢管检测在内的一些技术问题需要探讨解决。

3.1 钢管检验和验收标准

UT (Ultrasonic Testing) , 即超声波检测, 是工业中无损检测中的一种, 主要是利用超声波来对试件进行宏观缺陷、几何特性、组织结构和力学性能变化的检测, 通过研究超声波对试件的反射、透射和散射波, 对试件的特定应用性进行评价。

我国现有的油气输送埋弧焊管标准有GB/T9711、ISO3183《石油天然气工业输送钢管交货技术条件管线钢管》、API SPEC5L《管线管规范》和一些具体的工程技术条件, 大直径双层埋弧焊管的内外管复合后, UT检测需要确定内外管的间隙和扩径率。内外管之间的间隙太小会给穿管造成困难, 而间隙太大又会在使用过程中由于承压问题引起管道变形, 影响油气运输的安全性。

由于油气管道在输送天然气时, 输送的是高压缩比的可燃性天然气, 一旦管道出现裂缝, 就会很快造成长距离的扩展, 从而造成极大的损失。对于传统的单层埋弧焊管, 经过试验和分析, 已经提出了对钢管断裂韧性的指标要求, 但由于双层埋弧焊管的结构不同, 管道的止裂能力也会不同, 因此UT检测需要对大直径双层埋弧焊管的止裂韧性进行检测研究, 解决钢管的止裂韧性指标的确定这一技术难题。

油气运输是一个长距离、大规模的工程, 不同地区的不同地质、环境条件都影响着管道的设计, 在一些地震、滑坡、泥石流多发的地区, 管线都采用了“基于应变设计法”的概念, 这就需要使用抗大变形的钢管, 以使钢管达到更高的抗压缩和拉伸应变性能。目前, 抗大变形管基本上使用的都是单层直缝埋弧焊管, 对其变形能力已经有了很多的研究和计算, 建立了很多的分析方法, 但还没有对双层埋弧焊管的变形能力进行专门的研究。

3.2 制造技术

大直径双层埋弧焊管的制造工艺比单层埋弧焊管多出的是穿管和扩径的工序, 要使穿管顺利, 就需要将内管的外焊缝和外管的内焊缝余高打磨掉, 这个工序虽然看似简单, 但需要很大的工作量, 因此也成为双层埋弧焊管制造中的技术难题之一。

而内外管之间的间隙大小和扩径率则要求内外管的尺寸必须精确, 同时, 还需要考虑到内管和外观的变形量, 使内外管既能顺利完成穿管工序, 又能紧密贴合。

3.3 管道环焊缝焊接

一般单层埋弧焊管的环形焊缝只要将两根钢管无缝连接好就可以了, 但双层埋弧焊管在进行环焊缝时, 要将两根钢管连接起来时, 中间的母材是分开的, 但焊缝是一体的, 这必然会给焊接带来难题。

在焊接过程中, 内外管之间可能存在的任何污物都会影响到焊缝的质量, 而在管道运行中, 内外管分界面和环焊缝交界处的不连续也可能会引起焊缝处的开裂。

4 总结

采用双层埋弧焊管的结构来制造尤其输送管道, 不仅能减少生产技术上的难度, 降低成本, 还能根据不同的情况, 发挥不同材料的性能特点, 满足在特殊情况下的输送要求, 而作为一种新型的管道结构, 双层埋弧焊管在应用时还存在着不少技术问题。但是, 虽然还存在着一些问题, 我们仍应相信, 通过不懈的研究和努力, 这些问题终会被解决, 从而使大直径双层埋弧焊管结构更好地应用在油气输送管道中, 促进输送管道制造技术的发展。

参考文献

[1]王晓香.建设大孔径直缝埋弧焊管生产线可行性研究的几点说明[J].焊管, 1998, 21 (4) :52-54[1]王晓香.建设大孔径直缝埋弧焊管生产线可行性研究的几点说明[J].焊管, 1998, 21 (4) :52-54

[2]李鹤林.油气输送钢管的发展动向与展望[J].焊管, 2004, 27 (6) :1-11[2]李鹤林.油气输送钢管的发展动向与展望[J].焊管, 2004, 27 (6) :1-11