輸油管道的加工工藝流程及焊接工藝設計

1、專業(yè)課程設計（論文）題 目：輸油管道的加工工藝流程及焊接工藝設計 學生姓名： 院 （系）： 材料科學與工程學院 專業(yè)班級： 焊接 指導教師： 完成時間： 摘要輸油管線主要由輸油站和管線兩大部分組成。管道的起點是一個輸油站通稱首站，油品或原油在首戰(zhàn)被收集后，經過計量后，在由首站提供動力向下游管線輸送。首站一般布設有儲油罐，輸油泵和油品計量裝置，若所屬油品因粘度高需要加熱，則亦設有加熱裝置，輸油泵提供動力使得油品可以沿管線向終點或下一級輸油站運動，一般情況下，由于距離長，油品在運輸過程中能量損失明顯，需要多級輸油站提供動力，直至將油品輸送至終點。終點輸油站稱為末站，主要負責收集上游管線輸送而來的物

2、料，因此多配有儲罐和計量系統(tǒng)。關鍵詞：輸油管線、X80鋼、半自動焊接技術。目錄1 綜述11.1輸油管道概況11.2輸油管道分類1按距離分1按油品分1按材料分21.3輸油管道常用的焊接方法2手工電弧焊2鎢極氬弧焊2半自動焊3全自動焊31.4輸油管道連接分類和法蘭41.5焊接材料的選擇42 工藝說明62.1管線材料的選擇62.2焊接方法的選擇62.3坡口形式的設計制造及清根方法72.4焊縫層數及焊接順序設計8焊接層數的選擇8焊接順序的設計82.5焊后熱處理工藝說明82.6焊接工藝參數的選擇82.7焊接質量檢測83 總結104 參考文獻115 焊接工藝卡121 綜述1.1輸油管道概況輸油管道（也稱管

3、線、管路）是由油管及其附件所組成，并按照工藝流程的需要，配備相應的油泵機組，設計安裝成一個完整的管道系統(tǒng)，用以完成油料接卸及輸轉任務。輸油管道系統(tǒng)，即用于運送石油及石油產品的管道系統(tǒng)，主要由輸油管線、輸油站及其他輔助相關設備組成，是石油儲運行業(yè)的主要設備之一，也是原油和石油產品最主要的輸送設備，與同屬于陸上運輸方式的鐵路和公路輸油相比，管道輸油具有運量大、密閉性好、成本低和安全系數高等特點。輸油管道的管材一般為鋼管，使用焊接和法蘭等連接裝置連接成長距離管道，并使用閥門進行開閉控制和流量調節(jié)。輸油管道主要有等溫輸送、加熱輸送和順序輸送等輸送工藝。管道的腐蝕和如何防腐是管道養(yǎng)護的重要環(huán)節(jié)之一。目前

4、輸油管道已經成為石油的主要輸送工具之一，且在未來依舊具有相當的發(fā)展?jié)摿Α?.2輸油管道分類按距離分 1.企業(yè)內部的輸油管道企業(yè)內部輸油管道主要是指油田內部連接油井與計量站、聯合站的集輸管道，煉油廠及油庫內部的管道等，其長度一般較短，不是獨立的經營系統(tǒng)。 2.長距離輸油管道長距離輸送原油或成品油的管道。輸送距離可達數百、數千公里，單管年輸油量在數百萬噸到數千萬噸之間，個別有達1億噸的,管徑多在200mm以上，現今最大的為1220mm。其起點與終點分別與油田、煉油廠等其他石油企業(yè)相連。由輸油站(包括首站、末站、中間泵站及加熱站等)和管道線路兩大部分組成。后者包括干線管道部分，及經過河流、峽谷、海底

5、等自然障礙時的穿跨越工程，為防止管道腐蝕而設的陰極保護系統(tǒng)，為巡線、維修而建的沿線簡易公路和線路截斷閥室。輸油企業(yè)大多還有一套聯系全線的獨立的通信系統(tǒng)，包括通信線路和中繼站。按油品分 1、原油輸油管道原油管道主要是指輸送原油產品的管道，它和成品油管道是有區(qū)別的。如今在我國運行的主要原油輸油管道是中俄原油輸油管道和中亞原油輸油管道。 2、成品油輸油管道成品油輸油管道是長距離輸送成品油的管道，如今在我國有多條成品油輸油管道已經在運營中或在建中，主要有：蘭成渝成品油輸油管道、蘭鄭長成品油輸送管道以及港棗成品油輸送管道等。按材料分 1、碳素鋼管固定的輸油管線多用碳素鋼管，碳素鋼管按其制造方法可分為無縫

6、鋼管和焊接鋼管，無縫鋼管又分為熱軋和冷拔兩種，通常的碳素鋼管都是采用沸騰鋼制造，溫度適用范圍為0300，低溫時容易脆化，采用優(yōu)質碳素鋼制造的鋼管，溫度適用范圍則為-40450，采用x80鋼，溫度適用范圍低溫為-40，高溫則可達475。2、耐油膠管耐油膠管是主要用于臨時裝卸輸轉油設施上或管線卸接的活動部位的輸油管。耐油膠管有耐油夾布膠管，耐油螺旋膠管和輸油鋼絲編織膠管之種，都是由丁腈橡膠制成。并分壓力、吸入和排吸三種不同情況用途，正壓輸送應選用耐壓膠管，負壓輸送則選用吸入膠管，有可能出現正負壓力時則需選用排吸膠管。1.3輸油管道常用的焊接方法手工電弧焊手工電弧焊是用手工操作焊條進行焊接的電弧焊方

7、法。1.手工電弧焊具有以下的優(yōu)點： 工藝靈活：適合各種結構形狀、各種位置的焊接并且對焊接接頭裝置精 度要求不高； 適應性強：適用于不同厚度的許多金屬材料焊接； 易于通過工藝調整（如對稱焊等）來控制工件的變形，改善應力狀態(tài)； 與氣焊和埋弧焊相比，金相組織較細，熱影響區(qū)較??； 設備簡單，操作和維修方便，可以在廠房內及施工作業(yè)的不同環(huán)境下施焊。 2.手工電弧焊的不足：生產效率底，勞動強度較大，對于焊工的操作技術要求較高。3.手工電弧焊可焊焊件厚度在1.5mm以上，適合于碳鋼、低合金鋼、不銹 鋼、耐熱鋼、低溫用鋼、銅及銅合金材料的焊接以及鑄鐵補焊和各種材料堆焊。鎢極氬弧焊鎢極氬弧焊時常被稱為TIG焊，

8、是一種在非消耗性電極和工作物之間產生熱量的電弧焊接方式；電極棒、溶池、電弧和工作物臨近受熱區(qū)域都是由氣體狀態(tài)的保護隔絕大氣混入，此保護是由氣體或混合氣體流供應，必須是能提供全保護，因為甚至很微量的空氣混入也會污染焊道。鎢極氬弧焊是用鎢棒作為電極加上氬氣進行保護的焊接方法，其方法構成如圖所示。焊接時氬氣從焊槍的噴嘴中連續(xù)噴出，在電弧周圍形成保護層隔絕空氣，以防止其對鎢極、熔池及鄰近熱影響區(qū)的氧化，從而獲得優(yōu)質的焊縫。焊接過程中根據工件的具體要求可以加或者不加填充焊絲。這種焊接方法由于電弧是在氬氣中進行燃燒，因此具有以下優(yōu)缺點：1） 氬氣具有極好的保護作用，能有效的隔絕周圍空氣；它本身既不與金屬起

9、化學反應，也不溶于金屬，使得焊接過程中的冶金反應簡單易控制，因此獲得較高質量的焊縫提供良好條件。 2）鎢極電弧非常穩(wěn)定，即使在很小電流情況下（<10A）仍可穩(wěn)定燃燒，特別適用于薄板材料焊接。3）熱源和填充焊絲可分別控制，因而熱輸入容易調整所以這種焊接方法可進行全方位焊接，也是實現單面焊雙面成型的理想方法。4）由于填充焊絲不通過電流，故不產生飛濺，焊縫成型美觀。5)交流氬弧焊在焊接過程中能夠自動清除焊件表面的氧化膜作用，因此，可成功地焊接一些化學活潑性強的有色金屬，如鋁、鎂及合金。6）鎢極承載電流能力較差，過大的電流會引起鎢極的熔化和蒸發(fā)，其微粒有可能進入熔池而引起夾鎢。因此，熔敷速度小、

10、熔深淺、生產率低。7）采用氬氣較貴，熔敷率低，且氬弧焊機有較復雜，和其他焊接方法（如焊條電弧焊、埋弧焊、CO2&shy;氣體保護焊）比較，生產成本較高。8）氬弧周圍受氣流影響較大，不易室外工作。1.3.3半自動焊通常指帶送絲機的手工電弧焊，就是用焊絲來焊接的，焊絲的送進靠自動送出，但焊槍沿焊縫移動靠手工移動，常見的MIG、MIG、CO2都是半自動焊。全自動焊自動化采用具有自動控制，能自動調節(jié)、檢測、加工的機器設備、儀表，按規(guī)定的程序或指令自動進行作業(yè)的技術措施。其目的在于增加產量、提高質量、降低成本和勞動強度、保障生產安全等。自動化程度已成為衡量現代國家科學技術和經濟發(fā)展水平的重要標志

11、之一。現代自動化技術主要依靠計算機控制技術來實現。焊接生產自動化是焊接結構生產技術發(fā)展的方向?，F代焊接自動化技術將在高性能的微機波控焊接電源基礎上發(fā)展智能化焊接設備，在現有的焊接機器人基礎上發(fā)展柔性焊接工作站和焊接生產線，最終實現焊接計算機集成制造系統(tǒng)CIMS。在焊接設備中發(fā)展應用微機自動化控制技術，如數控焊接電源、智能焊機、全自動專用焊機和柔性焊接機器人工作站。微機控制系統(tǒng)在各種自動焊接與切割設備中的作用不僅是控制各項焊接參數，而且必須能夠自動協調成套焊接設備各組成部分的動作，實現無人操作，即實現焊接生產數控化、自動化與智能化。微機控制焊接電源已成為自動化專用焊機的主體和智能焊接設備的基礎。

12、如微機控制的晶閘管弧焊電源、晶體管弧焊電源、逆變弧焊電源、多功能弧焊電源、脈沖弧焊電源等。微機控制的IGBT式逆變焊接電源，是實現智能化控制的理想設備1.4輸油管道連接分類和法蘭輸油管道必須使用一定的連接方式才能構成一個完整的系統(tǒng)。管道的連接方式主要有絲扣、焊接和法蘭三類。壓力不高管徑不大的管路可以采用絲扣的方法連接，因為絲扣這種連接方法較為方便，也比較簡單一些，但由于多數主干輸油管線管徑一般都較大，因此多采用焊接和法蘭這兩種連接方法。DN大于等于50的管路基本采用焊接的方法連接，一般直管或者彎路上不需要拆卸的部位都可采用焊接的方法連接。管道和閥門或者其他設備連接處以及管道需要拆卸的地方都采用

13、法蘭連接，但法蘭連接處不嚴密，所以為保證法蘭連接處的嚴密性，也在法蘭兩側都需要使用相對質軟的法蘭墊圈進行輔助，這樣使用輔助的法蘭墊圈可以使法蘭連接處更加嚴密。1.5焊接材料的選擇 焊接材料包括焊條、焊絲、焊劑和保護氣體。1.焊條：輸油管道焊接用焊條目前多采用全位置下向焊焊條和傳統(tǒng)的低氫型焊條，其執(zhí)行標準為GB/T5117-1995、GB/T5118-1995、AWSA5.1-91和AWS5.5-96，全位置下向焊焊條分為兩類：一類是高纖維素型，這種焊條焊接工藝性能好，熔渣量少，并且吹力大，防止了熔渣和鐵水的下淌。另一類是鐵粉低氫型下向焊條，該焊條凝固速度快，鐵水流動性和浸潤性好，全位置焊時不易

14、下淌，焊后焊縫金屬韌性好，抗裂性好，適用于各層的下向焊接。2.焊絲：輸油管道的焊絲分為實心焊絲和藥芯焊絲兩種。 實心焊絲主要分為兩類，一類用于埋弧焊，另一類用于熔化極活性氣體保護焊。埋弧焊用實心焊絲執(zhí)行標準GB/T5293-1999，有低錳焊絲如H08A，中錳焊絲如H08MnA、H10MnSi，高錳焊絲如H08Mn2Si、H08Mn2SiA用于管線鋼焊接?；钚詺怏w保護焊用實心焊絲執(zhí)行標準有GB/T14947-1994、GB/T8110-1995.當焊接強度級別較高的鋼種時，則應選擇含Mo的焊絲，國產H10MnSiMo焊絲。藥芯焊絲 近年來，隨著輸油管線向著高強度、大口徑、厚壁化方向發(fā)展，傳統(tǒng)的

15、手工焊焊接方法已經逐漸被斑自動焊和自動焊焊接方法取代，其中以半自動焊應用發(fā)展最為迅速，與之而來的藥芯焊絲得以迅速發(fā)展。藥芯焊絲熔敷速度快、焊接生產效率高，與實心焊絲相比，它電弧軟、飛濺小，焊接工藝性能好，熔深大，成型美觀，綜合成本低。3.保護氣體：輸油管道的自動焊多采用二氧化碳氣體保護焊和氧化性混合氣體保護焊，即所用氣體為CO2、CO2+Ar或CO2+Ar+O2。4. 焊劑：選擇焊劑時主要考慮焊劑的類型、焊劑與焊絲的匹配特性、焊劑的冶金性能和工藝性能。此外焊劑的粒度、含水量、機械夾雜物、硫磷含量也應該考慮。從焊縫金屬的人性考慮，應選擇高堿度的焊劑。但應注意，當堿度超過某一臨界值時，再提高堿度會

16、焊縫韌性下降。2 工藝說明2.1管線材料的選擇 隨著石油、天然氣工業(yè)的發(fā)展，對管線鋼的需求量在不斷增加，高性能管線鋼以低碳或者超低碳針狀鐵素體組織為特征，具有強度高，韌性高，包申格效應低和焊接性能良好的特點；屈強比升高意味著材料的星標你強化幅度相對減小，形變強化指數也相對減小，這對于管線安全是有影響的，因此，用戶在管材的選擇上嚴格限制了屈強比的范圍。目前，國內外對這一指標均有較高要求，如API SPEC 5L對屈強比要求是：X60，X65，X70,和X80鋼級擴徑管屈強比=0.93。但在實際生產中，屈強比偏高的問題在高鋼級管線鋼中普遍存在，特別是薄規(guī)格的管線鋼，這就對管線鋼管的使用安全性能提出

17、了挑戰(zhàn)，對于長距離輸油管線鋼的化學成分如表2-1所示。 表2-1 X80管線鋼的化學成分CSiMnCaMoNNiS0.060.181.790.280.220.0040.0980.0013PTiNbVCu(Nb+Ti+vV)PCMFe%0.0150.0130.0790.0230.220.1150.18972.2焊接方法的選擇 根據焊接管道接口形式正確選擇合適的焊接方法，焊接管道接口形式如圖2-1所示。圖2-1 輸油管道接口X80管線鋼焊接選用半自動焊的焊接方法，由于藥芯焊絲半自動焊技術自身具有良好的焊接特性，在輸油管線野外施工中，這種焊接方法已經被普遍應用于管線建設中。大多采用E6010焊條電弧

18、焊下向焊打底自保護藥芯焊絲半自動焊填充、蓋面。2.3坡口形式的設計制造及清根方法 對于管道坡口形式設計，我們應該采用如圖2-2所示焊接坡口設計形式。圖2-2 輸油管道焊接坡口形式坡口設計應注意的問題：正確地選擇焊接坡口形式，尺寸是一項重要的焊接工藝內容，是保證焊接接頭質量的重要工藝措施，設計和選擇坡口時主要考慮以下幾個問題：設計或選擇不同形式坡口主要目的是保證焊接接頭全焊透；設計或選擇坡口首先要考慮的是被焊材料的厚度；要注意坡口加工方法，如V形X形等坡口可以利用氣割，等離子切割加工，而U形雙V形坡口則需要用刨邊機加工；在相同條件下，不同形式的坡口，其焊接變形是不同的；焊接坡口的設計或選擇要注意

19、施焊時的可焊透性；要注意焊接材料的消耗量，應使焊縫的填沖金屬盡量少。對接接頭：對手工電弧焊來說，當構件厚度在6mm以下；對埋弧焊來說，當構件厚度在14mm以下時都可以不開坡口，直接施焊。V形坡口加工方便，但對于同樣厚度的焊件，采用V形坡口比X形坡口多耗資近一倍的焊條或焊絲，管子對接一般用V形坡口。X形坡口加工較V形復雜，需從雙面施焊，焊后角變形較小，焊條消耗量較小。U形坡口與V形及X形相比較，加工復雜，在較重要構件中采用。對于筒體縱縫要在母材上開V形坡口，對于人孔接管與法蘭的角接焊縫可開單邊V形坡口，為了保證焊縫的質量，坡口的制備顯的十分重要。坡口形式由焊接工藝決定，而坡口的尺寸精度取決于加工

20、方法。對于筒體縱縫和人孔接管與法蘭的角接焊縫通?？刹扇∨龠?、銑邊、車削加工、氣割等工藝手段來制備，通過打磨，刮削和噴砂等方法，清理金屬表面氧化膜，機械清理后，用丙酮或酒精檫洗，以去除殘留于坡口面的臟物和油污。2.4焊縫層數及焊接順序設計焊接層數的選擇厚大焊件，易過熱的材料焊接時，通常需開坡口，進行多層焊時，每層厚度一般不大于4mm，中厚鋼板手工電弧焊時，采用多層焊，對同一厚度的鋼材其他條件不變時，焊接層數增加，有利于提高焊接接頭的塑性和韌性。焊接層數是根據實踐經驗決定的，大約是鋼材厚度與焊條直徑的比值。因此，層數n=/b（其中表示工件厚度，b表示焊條直徑），經驗認為：每層的厚度等于焊條直徑的0

21、.81.2倍。對于筒體縱縫的焊接選用不同直徑的焊條采用五層焊接，對于人孔接管和法蘭角接的焊接，可采用局部焊透的T形接頭，只需焊接一層焊縫即可。焊接順序的設計從坡口內側進行焊接，在內側焊接四層后進行清根，然后直到焊滿整個坡口，為坡口焊接結束。2.5焊后熱處理工藝說明當環(huán)境溫度低于5度時，應采用焊后保溫措施，防止焊道急劇降溫。焊后先不打掉藥皮，這樣可起到焊道緩冷，待焊道冷卻后再敲掉藥皮，把焊道清理干凈。焊道完成后立即采用保溫材料實施緩冷措施，保溫材料可用毛氈和石棉被以及其他保溫材料。2.6焊接工藝參數的選擇所謂焊接工藝參數是指在焊接時，為了保證焊接質量而選定的諸多物理量的總數，對于11號和12號焊

22、縫因此我們選擇如表2-2的焊接參數。表2-2 半自動焊焊接工藝參數序號焊道焊材型號直徑（mm）極性焊接方向焊接電流A電壓V焊接速度cm/min送絲速度cm/min1根焊E60103.2直流反接向下280-32019-2510-302填充E71T8-Ni1J2.0直流反接向下200-25017-2110-1875-903蓋面E71T8-Ni1J2.0直流反接向下200-25017-2110-1875-902.7焊接質量檢測管道對焊縫應進行完全外觀檢查，用目視法或焊接檢測尺檢查焊縫表面成型質量。有以下規(guī)定: （1）焊縫焊渣及周圍飛濺物應清除干凈，不得存在電弧燒傷母材的缺陷。焊縫表面應整齊均勻，不得

23、有裂紋、未熔合、氣孔、夾渣、凹陷等缺陷。焊縫余高、寬度、錯邊量、咬邊深度應執(zhí)行焊接工藝規(guī)程和相關技術規(guī)范規(guī)定。 （2）外觀檢查合格后，方可進行無損檢測。 （3）焊口由第三方檢測單位進行100無損檢測。無損檢測X80管道焊接焊縫一般使用超聲波檢查方法進行無損檢測。焊縫質量直接決定設備的使用壽命。因此在工業(yè)制造中焊縫質量顯得尤為重要，因此需要選擇一種簡單高效經濟的無損檢測技術。無損檢測技術有超聲波探傷，射線探傷，磁粉探傷，渦流探傷和聲發(fā)射探傷等技術。其中超聲波探傷和射線探傷是焊縫檢測中兩個重要的手段。超聲波檢測的探傷距離大，探傷裝置體積小，重量輕便于攜帶，檢測速度快，探傷費用低，在設備制造過程中得

24、到更廣泛的應用。由于管線焊接工作環(huán)境差，所以選擇超聲波探傷這一無損檢測技術。對于超聲波無損檢測技術在焊接中的使用，我們采用如表2-3所示缺陷等級，這次課設焊接工藝流程如圖2-3所示，管道施工順序如圖2-4所示。 表2-3缺陷等級分類評定等級開口缺陷非開口缺陷1不允許不允許20.04L最大為120.04L最大為2530.08L最大為250.08L最大為504超過三級者超過三級者焊后質量檢測焊后清理及熱處理焊接操作焊前準備設計焊接工藝圖2-3 焊接流程如上準備工作焊接保溫焊接預熱對口圖2-4 管道的焊接施工工序3 總結這次課程設計中，在查閱大量資料之后，得到輸油管線焊接工藝中所使用的的材料是X80鋼，焊接方法為藥芯自保護半自動焊，焊接參數：板厚為12.19mm，焊接電壓為17-25V，焊接電流為，焊接速度為10-30cm/s，送絲速度為75-90cm/min，焊接前要經過焊前處理的工序，在焊后也