输油管道的加工工艺流程及焊接工艺设计

专业课程设计（论文）题 目：输油管道的加工工艺流程及焊接工艺设计 学生姓名： 院 （系）： 材料科学与工程学院 专业班级： 焊接 指导教师： 完成时间： 摘要输油管线主要由输油站和管线两大部分组成。管道的起点是一个输油站通称首站，油品或原油在首战被收集后，经过计量后，在由首站提供动力向下游管线输送。首站一般布设有储油罐，输油泵和油品计量装置，若所属油品因粘度高需要加热，则亦设有加热装置，输油泵提供动力使得油品可以沿管线向终点或下一级输油站运动，一般情况下，由于距离长，油品在运输过程中能量损失明显，需要多级输油站提供动力，直至将油品输送至终点。终点输油站称为末站，主要负责收集上游管线输送而来的物料，因此多配有储罐和计量系统。关键词：输油管线、X80钢、半自动焊接技术。目录1 综述11.1输油管道概况11.2输油管道分类11.2.1按距离分11.2.2按油品分11.2.3按材料分21.3输油管道常用的焊接方法21.3.1手工电弧焊21.3.2钨极氩弧焊21.3.3半自动焊31.3.4全自动焊31.4输油管道连接分类和法兰41.5焊接材料的选择42 工艺说明62.1管线材料的选择62.2焊接方法的选择62.3坡口形式的设计制造及清根方法72.4焊缝层数及焊接顺序设计82.4.1焊接层数的选择82.4.2焊接顺序的设计82.5焊后热处理工艺说明82.6焊接工艺参数的选择82.7焊接质量检测83 总结104 参考文献115 焊接工艺卡121 综述1.1输油管道概况输油管道（也称管线、管路）是由油管及其附件所组成，并按照工艺流程的需要，配备相应的油泵机组，设计安装成一个完整的管道系统，用以完成油料接卸及输转任务。输油管道系统，即用于运送石油及石油产品的管道系统，主要由输油管线、输油站及其他辅助相关设备组成，是石油储运行业的主要设备之一，也是原油和石油产品最主要的输送设备，与同属于陆上运输方式的铁路和公路输油相比，管道输油具有运量大、密闭性好、成本低和安全系数高等特点。输油管道的管材一般为钢管，使用焊接和法兰等连接装置连接成长距离管道，并使用阀门进行开闭控制和流量调节。输油管道主要有等温输送、加热输送和顺序输送等输送工艺。管道的腐蚀和如何防腐是管道养护的重要环节之一。目前输油管道已经成为石油的主要输送工具之一，且在未来依旧具有相当的发展潜力。1.2输油管道分类1.2.1按距离分 1.企业内部的输油管道企业内部输油管道主要是指油田内部连接油井与计量站、联合站的集输管道，炼油厂及油库内部的管道等，其长度一般较短，不是独立的经营系统。 2.长距离输油管道长距离输送原油或成品油的管道。输送距离可达数百、数千公里，单管年输油量在数百万吨到数千万吨之间，个别有达1亿吨的,管径多在200mm以上，现今最大的为1220mm。其起点与终点分别与油田、炼油厂等其他石油企业相连。由输油站(包括首站、末站、中间泵站及加热站等)和管道线路两大部分组成。后者包括干线管道部分，及经过河流、峡谷、海底等自然障碍时的穿跨越工程，为防止管道腐蚀而设的阴极保护系统，为巡线、维修而建的沿线简易公路和线路截断阀室。输油企业大多还有一套联系全线的独立的通信系统，包括通信线路和中继站。1.2.2按油品分 1、原油输油管道原油管道主要是指输送原油产品的管道，它和成品油管道是有区别的。如今在我国运行的主要原油输油管道是中俄原油输油管道和中亚原油输油管道。 2、成品油输油管道成品油输油管道是长距离输送成品油的管道，如今在我国有多条成品油输油管道已经在运营中或在建中，主要有：兰成渝成品油输油管道、兰郑长成品油输送管道以及港枣成品油输送管道等。1.2.3按材料分 1、碳素钢管固定的输油管线多用碳素钢管，碳素钢管按其制造方法可分为无缝钢管和焊接钢管，无缝钢管又分为热轧和冷拔两种，通常的碳素钢管都是采用沸腾钢制造，温度适用范围为0300，低温时容易脆化，采用优质碳素钢制造的钢管，温度适用范围则为-40450，采用x80钢，温度适用范围低温为-40，高温则可达475。2、耐油胶管耐油胶管是主要用于临时装卸输转油设施上或管线卸接的活动部位的输油管。耐油胶管有耐油夹布胶管，耐油螺旋胶管和输油钢丝编织胶管之种，都是由丁腈橡胶制成。并分压力、吸入和排吸三种不同情况用途，正压输送应选用耐压胶管，负压输送则选用吸入胶管，有可能出现正负压力时则需选用排吸胶管。1.3输油管道常用的焊接方法1.3.1手工电弧焊手工电弧焊是用手工操作焊条进行焊接的电弧焊方法。1.手工电弧焊具有以下的优点： 工艺灵活：适合各种结构形状、各种位置的焊接并且对焊接接头装置精 度要求不高； 适应性强：适用于不同厚度的许多金属材料焊接； 易于通过工艺调整（如对称焊等）来控制工件的变形，改善应力状态； 与气焊和埋弧焊相比，金相组织较细，热影响区较小； 设备简单，操作和维修方便，可以在厂房内及施工作业的不同环境下施焊。 2.手工电弧焊的不足：生产效率底，劳动强度较大，对于焊工的操作技术要求较高。3.手工电弧焊可焊焊件厚度在1.5mm以上，适合于碳钢、低合金钢、不锈 钢、耐热钢、低温用钢、铜及铜合金材料的焊接以及铸铁补焊和各种材料堆焊。1.3.2钨极氩弧焊钨极氩弧焊时常被称为TIG焊，是一种在非消耗性电极和工作物之间产生热量的电弧焊接方式；电极棒、溶池、电弧和工作物临近受热区域都是由气体状态的保护隔绝大气混入，此保护是由气体或混合气体流供应，必须是能提供全保护，因为甚至很微量的空气混入也会污染焊道。钨极氩弧焊是用钨棒作为电极加上氩气进行保护的焊接方法，其方法构成如图所示。焊接时氩气从焊枪的喷嘴中连续喷出，在电弧周围形成保护层隔绝空气，以防止其对钨极、熔池及邻近热影响区的氧化，从而获得优质的焊缝。焊接过程中根据工件的具体要求可以加或者不加填充焊丝。这种焊接方法由于电弧是在氩气中进行燃烧，因此具有以下优缺点：1） 氩气具有极好的保护作用，能有效的隔绝周围空气；它本身既不与金属起化学反应，也不溶于金属，使得焊接过程中的冶金反应简单易控制，因此获得较高质量的焊缝提供良好条件。 2）钨极电弧非常稳定，即使在很小电流情况下（10A）仍可稳定燃烧，特别适用于薄板材料焊接。3）热源和填充焊丝可分别控制，因而热输入容易调整所以这种焊接方法可进行全方位焊接，也是实现单面焊双面成型的理想方法。4）由于填充焊丝不通过电流，故不产生飞溅，焊缝成型美观。5)交流氩弧焊在焊接过程中能够自动清除焊件表面的氧化膜作用，因此，可成功地焊接一些化学活泼性强的有色金属，如铝、镁及合金。6）钨极承载电流能力较差，过大的电流会引起钨极的熔化和蒸发，其微粒有可能进入熔池而引起夹钨。因此，熔敷速度小、熔深浅、生产率低。7）采用氩气较贵，熔敷率低，且氩弧焊机有较复杂，和其他焊接方法（如焊条电弧焊、埋弧焊、CO2­气体保护焊）比较，生产成本较高。8）氩弧周围受气流影响较大，不易室外工作。1.3.3半自动焊通常指带送丝机的手工电弧焊，就是用焊丝来焊接的，焊丝的送进靠自动送出，但焊枪沿焊缝移动靠手工移动，常见的MIG、MIG、CO2都是半自动焊。1.3.4全自动焊自动化采用具有自动控制，能自动调节、检测、加工的机器设备、仪表，按规定的程序或指令自动进行作业的技术措施。其目的在于增加产量、提高质量、降低成本和劳动强度、保障生产安全等。自动化程度已成为衡量现代国家科学技术和经济发展水平的重要标志之一。现代自动化技术主要依靠计算机控制技术来实现。焊接生产自动化是焊接结构生产技术发展的方向。现代焊接自动化技术将在高性能的微机波控焊接电源基础上发展智能化焊接设备，在现有的焊接机器人基础上发展柔性焊接工作站和焊接生产线，最终实现焊接计算机集成制造系统CIMS。在焊接设备中发展应用微机自动化控制技术，如数控焊接电源、智能焊机、全自动专用焊机和柔性焊接机器人工作站。微机控制系统在各种自动焊接与切割设备中的作用不仅是控制各项焊接参数，而且必须能够自动协调成套焊接设备各组成部分的动作，实现无人操作，即实现焊接生产数控化、自动化与智能化。微机控制焊接电源已成为自动化专用焊机的主体和智能焊接设备的基础。如微机控制的晶闸管弧焊电源、晶体管弧焊电源、逆变弧焊电源、多功能弧焊电源、脉冲弧焊电源等。微机控制的IGBT式逆变焊接电源，是实现智能化控制的理想设备1.4输油管道连接分类和法兰输油管道必须使用一定的连接方式才能构成一个完整的系统。管道的连接方式主要有丝扣、焊接和法兰三类。压力不高管径不大的管路可以采用丝扣的方法连接，因为丝扣这种连接方法较为方便，也比较简单一些，但由于多数主干输油管线管径一般都较大，因此多采用焊接和法兰这两种连接方法。DN大于等于50的管路基本采用焊接的方法连接，一般直管或者弯路上不需要拆卸的部位都可采用焊接的方法连接。管道和阀门或者其他设备连接处以及管道需要拆卸的地方都采用法兰连接，但法兰连接处不严密，所以为保证法兰连接处的严密性，也在法兰两侧都需要使用相对质软的法兰垫圈进行辅助，这样使用辅助的法兰垫圈可以使法兰连接处更加严密。1.5焊接材料的选择 焊接材料包括焊条、焊丝、焊剂和保护气体。1.焊条：输油管道焊接用焊条目前多采用全位置下向焊焊条和传统的低氢型焊条，其执行标准为GB/T5117-1995、GB/T5118-1995、AWSA5.1-91和AWS5.5-96，全位置下向焊焊条分为两类：一类是高纤维素型，这种焊条焊接工艺性能好，熔渣量少，并且吹力大，防止了熔渣和铁水的下淌。另一类是铁粉低氢型下向焊条，该焊条凝固速度快，铁水流动性和浸润性好，全位置焊时不易下淌，焊后焊缝金属韧性好，抗裂性好，适用于各层的下向焊接。2.焊丝：输油管道的焊丝分为实心焊丝和药芯焊丝两种。 实心焊丝主要分为两类，一类用于埋弧焊，另一类用于熔化极活性气体保护焊。埋弧焊用实心焊丝执行标准GB/T5293-1999，有低锰焊丝如H08A，中锰焊丝如H08MnA、H10MnSi，高锰焊丝如H08Mn2Si、H08Mn2SiA用于管线钢焊接。活性气体保护焊用实心焊丝执行标准有GB/T14947-1994、GB/T8110-1995.当焊接强度级别较高的钢种时，则应选择含Mo的焊丝，国产H10MnSiMo焊丝。药芯焊丝 近年来，随着输油管线向着高强度、大口径、厚壁化方向发展，传统的手工焊焊接方法已经逐渐被斑自动焊和自动焊焊接方法取代，其中以半自动焊应用发展最为迅速，与之而来的药芯焊丝得以迅速发展。药芯焊丝熔敷速度快、焊接生产效率高，与实心焊丝相比，它电弧软、飞溅小，焊接工艺性能好，熔深大，成型美观，综合成本低。3.保护气体：输油管道的自动焊多采用二氧化碳气体保护焊和氧化性混合气体保护焊，即所用气体为CO2、CO2+Ar或CO2+Ar+O2。4. 焊剂：选择焊剂时主要考虑焊剂的类型、焊剂与焊丝的匹配特性、焊剂的冶金性能和工艺性能。此外焊剂的粒度、含水量、机械夹杂物、硫磷含量也应该考虑。从焊缝金属的人性考虑，应选择高碱度的焊剂。但应注意，当碱度超过某一临界值时，再提高碱度会焊缝韧性下降。2 工艺说明2.1管线材料的选择 随着石油、天然气工业的发展，对管线钢的需求量在不断增加，高性能管线钢以低碳或者超低碳针状铁素体组织为特征，具有强度高，韧性高，包申格效应低和焊接性能良好的特点；屈强比升高意味着材料的星标你强化幅度相对减小，形变强化指数也相对减小，这对于管线安全是有影响的，因此，用户在管材的选择上严格限制了屈强比的范围。目前，国内外对这一指标均有较高要求，如API SPEC 5L对屈强比要求是：X60，X65，X70,和X80钢级扩径管屈强比=0.93。但在实际生产中，屈强比偏高的问题在高钢级管线钢中普遍存在，特别是薄规格的管线钢，这就对管线钢管的使用安全性能提出了挑战，对于长距离输油管线钢的化学成分如表2-1所示。 表2-1 X80管线钢的化学成分CSiMnCaMoNNiS0.060.181.790.280.220.0040.0980.0013PTiNbVCu(Nb+Ti+vV)PCMFe%0.0150.0130.0790.0230.220.1150.18972.2焊接方法的选择 根据焊接管道接口形式正确选择合适的焊接方法，焊接管道接口形式如图2-1所示。图2-1 输油管道接口X80管线钢焊接选用半自动焊的焊接方法，由于药芯焊丝半自动焊技术自身具有良好的焊接特性，在输油管线野外施工中，这种焊接方法已经被普遍应用于管线建设中。大多采用E6010焊条电弧焊下向焊打底自保护药芯焊丝半自动焊填充、盖面。2.3坡口形式的设计制造及清根方法 对于管道坡口形式设计，我们应该采用如图2-2所示焊接坡口设计形式。图2-2 输油管道焊接坡口形式坡口设计应注意的问题：正确地选择焊接坡口形式，尺寸是一项重要的焊接工艺内容，是保证焊接接头质量的重要工艺措施，设计和选择坡口时主要考虑以下几个问题：设计或选择不同形式坡口主要目的是保证焊接接头全焊透；设计或选择坡口首先要考虑的是被焊材料的厚度；要注意坡口加工方法，如V形X形等坡口可以利用气割，等离子切割加工，而U形双V形坡口则需要用刨边机加工；在相同条件下，不同形式的坡口，其焊接变形是不同的；焊接坡口的设计或选择要注意施焊时的可焊透性；要注意焊接材料的消耗量，应使焊缝的填冲金属尽量少。对接接头：对手工电弧焊来说，当构件厚度在6mm以下；对埋弧焊来说，当构件厚度在14mm以下时都可以不开坡口，直接施焊。V形坡口加工方便，但对于同样厚度的焊件，采用V形坡口比X形坡口多耗资近一倍的焊条或焊丝，管子对接一般用V形坡口。X形坡口加工较V形复杂，需从双面施焊，焊后角变形较小，焊条消耗量较小。U形坡口与V形及X形相比较，加工复杂，在较重要构件中采用。对于筒体纵缝要在母材上开V形坡口，对于人孔接管与法兰的角接焊缝可开单边V形坡口，为了保证焊缝的质量，坡口的制备显的十分重要。坡口形式由焊接工艺决定，而坡口的尺寸精度取决于加工方法。对于筒体纵缝和人孔接管与法兰的角接焊缝通常可采取刨边、铣边、车削加工、气割等工艺手段来制备，通过打磨，刮削和喷砂等方法，清理金属表面氧化膜，机械清理后，用丙酮或酒精檫洗，以去除残留于坡口面的脏物和油污。2.4焊缝层数及焊接顺序设计2.4.1焊接层数的选择厚大焊件，易过热的材料焊接时，通常需开坡口，进行多层焊时，每层厚度一般不大于4mm，中厚钢板手工电弧焊时，采用多层焊，对同一厚度的钢材其他条件不变时，焊接层数增加，有利于提高焊接接头的塑性和韧性。焊接层数是根据实践经验决定的，大约是钢材厚度与焊条直径的比值。因此，层数n=/b（其中表示工件厚度，b表示焊条直径），经验认为：每层的厚度等于焊条直径的0.81.2倍。对于筒体纵缝的焊接选用不同直径的焊条采用五层焊接，对于人孔接管和法兰角接的焊接，可采用局部焊透的T形接头，只需焊接一层焊缝即可。2.4.2焊接顺序的设计从坡口内侧进行焊接，在内侧焊接四层后进行清根，然后直到焊满整个坡口，为坡口焊接结束。2.5焊后热处理工艺说明当环境温度低于5度时，应采用焊后保温措施，防止焊道急剧降温。焊后先不打掉药皮，这样可起到焊道缓冷，待焊道冷却后再敲掉药皮，把焊道清理干净。焊道完成后立即采用保温材料实施缓冷措施，保温材料可用毛毡和石棉被以及其他保温材料。2.6焊接工艺参数的选择所谓焊接工艺参数是指在焊接时，为了保证焊接质量而选定的诸多物理量的总数，对于11号和12号焊缝因此我们选择如表2-2的焊接参数。表2-2 半自动焊焊接工艺参数序号焊道焊材型号直径（mm）极性焊接方向焊接电流A电压V焊接速度cm/min送丝速度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盖面E71T8-Ni1J2.0直流反接向下200-25017-2110-1875-902.7焊接质量检测管道对焊缝应进行完全外观检查，用目视法或焊接检测尺检查焊缝表面成型质量。有以下规定: （1）焊缝焊渣及周围飞溅物应清除干净，不得存在电弧烧伤母材的缺陷。焊缝表面应整齐均匀，不得有裂纹、未熔合、气孔、夹渣、凹陷等缺陷。焊缝余高、宽度、错边量、咬边深度应执行焊接工艺规程和相关技术规范规定。 （2）外观检查合格后，方可进行无损检测。 （3）焊口由第三方检测单位进行100无损检测。无损检测X80管道焊接焊缝一般使用超声波检查方法进行无损检测。焊缝质量直接决定设备的使用寿命。因此在工业制造中焊缝质量显得尤为重要，因此需要选择一种简单高效经济的无损检测技术。无损检测技术有超声波探伤，射线探伤，磁粉探伤，涡流探伤和声发射探伤等技术。其中超声波探伤和射线探伤是焊缝检测中两个重要的手段。超声波检测的探伤距离大，探伤装置体积小，重量轻便于携带，检测速度快，探伤费用低，在设备制造过程中得到更广泛的应用。由于管线焊接工作环境差，所以选择超声波探伤这一无损检测技术。对于超声波无损检测技术在焊接中的使用，我们采用如表2-3所示缺陷等级，这次课设焊接工艺流程如图2-3所示，管道施工顺序如图2-4所示。 表2-3缺陷等级分类评定等级开口缺陷非开口缺陷1不允许不允许20.04L最大为120.04L最大为2530.08L最大为250.08L最大为504超过三级者超过三级者焊后质量检测焊后清理及热处理焊接操作焊前准备设计焊接工艺图2-3 焊接流程如上准备工作焊接保温焊接预热对口图2-4 管道的焊接施工工序3 总结这次课程设计中，在查阅大量资料之后，得到输油管线焊接工艺中所使用的的材料是X80钢，焊接方法为药芯自保护半自动焊，焊接参数：板厚为12.19mm，焊接电压为17-25V，焊接电流为2.0-3.2A，焊接速度为10-30cm/s，送丝速度为75-90cm/min，焊接前要经过焊前处理的工序，在焊后也要采用超声波检查和 X射线探伤复检进行焊缝的无损检测，检验焊缝的气孔和裂纹，是否满足管线焊接标准，最终制作整个过程的工艺，以上内容则为对11号和12号焊缝制作的焊接工艺。4 参考文献1.陈祝年.焊接设计简明手册. 机械工业出版社 1997.3 2中国机械工程学会焊接学会编.焊接手册.机械工业出版社 2001.83李亚江、刘强、王娟.焊接质量控制与检验.化学工业出版社 2006.2 4茹慧灵.长输管道施工技术 石油工业出版社2007.125徐越兰.电焊工实用技术手册.江苏科学技术出版社2006.16陈金德.材料成型技术基础.机械工业出版社2006.1 5 焊接工艺卡产品名称输油管道焊接产品编号接头名称对接工艺评定编号工艺卡号接头简图：材质X80焊材及辅助材料名称牌号规格烘烤 保温 h用量 kg规格1016*17.5mm合金系E60103.2mm2501焊缝编号11、12合金系E71T8-Ni1J2.0mm2001焊接位置中间探伤要求 100% 超声波 探伤 C 级合格，加 100% X射线 探伤 | 级合格焊接方法电源极性焊缝层次焊材牌号焊材直径（mm）焊接电流（A）电弧电压（V）焊接速度（cm/min）气体流量(L/min)工 艺 要 求焊接过程说明根焊直反1、2E60103.2 280-32019-2510-30坡口加工 机械加工焊接过程中应注意焊前热处理除掉焊材表面杂质、铁锈等，焊接时严格按照焊接操作规范进行。填充直反3、4、5E71T8-Ni1J2.0200-25017-2110-18清根方法不要求打底直反6、7、8E71T8-Ni1J2.0200-25017-2110-18电极伸长预热温度100-150层间温度80-150焊后热处理保温缓冷焊工资格编制高端日期2016.9.20审核日期更改标记处数更改文件号签名日期16 7 5 11 1 13 9 8 2 14 6 10 15 12