压力管道焊接工艺设计.doc

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压力管道设计说明书

设计题目:

压力管道焊接工艺设计

设计参数:

2.1工作压力：

5MPa

2.2工作温度：

-10~80摄氏度

2.3外形：

圆柱体

2.4工质：

原油

2.5材料：

L245管线钢

设计要求：

3.1压力管道结构受力分析

3.2强度计算，确定最小壁厚

3.3焊接工艺分析

3.4编写焊接工艺卡

3.5.编写热处理工艺卡

3.6绘制焊接工艺草图

一、总体概述

长输管道作为铁路、公路、海运、民用航空和长输管道五大运输行业之一，其输送介质除常见的石油、天然气外，还有工业用气体如氧气、二氧化碳、乙烯、液氧等介质。

大部分输送介质管道在国内均有成功建设和运行业绩。

近几年，我国管道建设发展非常迅速。

在管线的建设施工中，环焊缝焊接方法从传统的手工焊、管道下向手工焊、半自动下向焊到现在的全自动焊，管线的钢级从Q235、16Mn、L290（X42）、L360（X52）、L415（X60）、L450（X65）和L485（X70）提高到目前的L550（X80），直径从200mm增加到1219mm，水管线直径已超过2000mm，壁厚从6mm增加到30mm，输送压力从4MPa增加到15MPa。

从广义上理解，压力管道是指所有承受内压或外压的管道，无论其管内介质如何。

压力管道是管道中的一部分，管道是用以输送、分配、混合、分离、排放、计量、控制和制止流体流动的，由管子、管件、法兰、螺栓连接、垫片、阀门、其他组成件或受压部件和支承件组成的装配总成。

压力管道具有以下特点：

（1）、压力管道是一个系统，相互关联相互影响，牵一发而动全身。

（2）、压力管道长径比很大，极易失稳，受力情况比压力容器更复杂。

压力管道内流体流动状态复杂，缓冲余地小，工作条件变化频率比压力容器高（如高温、高压、低温、低压、位移变形、风、雪、地震等都有可能影响压力管道受力情况）。

（3）、管道组成件和管道支承件的种类繁多，各种材料各有特点和具体技术要求，材料选用复杂。

（4）、管道上的可能泄漏点多于压力容器，仅一个阀门通常就有五处。

（5）、压力管道种类多，数量大，设计，制造，安装，检验，应用管理环节多，与压力容器大不相同。

运输管道承受着所运输介质的压力和温度的作用，同时还遭受所通过地带各种自然环境和人为因素的影响，对钢材的强度、韧性、以及可焊性提出了相当高的要求，在使用过程中可能发生各种破漏或断裂事故。

为确保管道的安全运行和预防管道事故产生应从设计、施工和操作三方面这首，其中设计中的合理选择材料和焊接工艺是相当重要的。

二、受力分析内容：

参照标准：

SHJ.41-91《石油化工企业管道柔性设计规范》

1.管道柔性设计的任务

压力管道柔性设计的任务是使整个管道系统具有足够的柔性，用以防止由于管系的温度、自重、内压和外载或因管道支架受限和管道端点的附加位移而发生下列情况

1）因应力过大或金属疲劳而引起管道破坏；

2）管道接头处泄漏；

3）管道的推力或力矩过大，而使与管道连接的设备产生过大的应力或变形，影响设备正常运行；

4）管道的推力或力矩过大引起管道支架破坏。

2.分析步骤：

1）工程规定

2）管道的基本情况

3）用固定点将复杂管系划分为简单管系，尽量利用自然补偿

4）用目测法判断管道是否进行柔性设计

5）L型U型管系可采用图表法进行应力分析

6）立体管系可采用公式法进行应力分析

7）宜采用计算机分析方法进行柔性设计的管道

8）采用CAESARII进行应力分析

9）调整设备布置和管道布置

10）设置、调整支吊架

11）设置、调整补偿器

12）评定管道应力

13）评定设备接口受力

14）编制设计文件

15）施工现场技术服务

三、L245管线钢的化学成分及力学性能

L245就是一种低压流体卷制管，其性能和20#无缝管差不多

钢种

力学性能

化学成分

屈服强度

抗拉强度

伸长率

C

Si

Mn

S

P

MPa

kg/mm²

MPa

kg/mm²

不大于

不大于

不大于

不大于

L245

245

415

21

0.26

1.15

0.030

0.030

参照GB50316-2000《工业金属管道设计规范》

四、管壁厚度计算

4.1

材质：

L245、工作压力为4MPa、工作温度：

-10~80℃

4.2

公称外径

壁厚

理论质量

试验压力/mpa

mm

管体公差

/mm

允许公差

kg/m

L210

L245

l290

l230

355.6

-0.75

5.2

14.6

48.33

3.8

4

7.8

8.6

6.4

55.11

4.5

5.3

8.9

9.8

7.1

61.02

5

5.9

9.8

10.9

7.9

67.74

5.6

6.5

10.9

12.1

4.3

对压力管道来说，大多数都属于薄壁管子，故当S

PχD

S=———————+C1+C2

2χσtχФ+P

式中P——设计压力，MPa；

D——管子外径，mm；

S——管子的理论计算壁厚，mm；

σt——设计温度下材料的许用应力，MPa;

Ф——焊缝系数。

对无缝钢管，Ф==1；

C1——腐蚀余量，mm；

C2——管子壁厚负偏差，mm。

当S≥D/6或p/σt>0.385时，直管壁厚应按厚壁管道计算公式确定。

对于外压直管的壁厚，应根据《GB150钢制压力容器》规定的方法确定。

4.4壁厚等级的确定

将上式的计算值先按四舍五入的原则进行园整，然后查相应的应用标准，与计算值最接近且稍高的对庇壁厚就是该管道的公称壁厚。

对应有管子表号时，就用管子表号表示，无对应管子表号时，就用壁厚值表示。

管子表号或壁厚值所表示的参数就是该管道的公称壁厚等级。

管道上其他组成件（如弯头、三通、异径管、封头等），也以上述确定的数字或代号表示其公称壁厚等级，并由此确定它们与管子是等强度的。

由以上数据和公式，可以得到该管道的外径D1为355.6mm，壁厚为5.2mm内径为342.2mm

五、L245管线钢的结构及材质分析

5.1产品结构及材质分析

5.1.1、产品结构（详见工艺草图）

外径D1为355.6mm，壁厚为5.2mm内径为342.2mm的L245管线钢。

产品为直焊缝。

5.1.2、材质性质分析

（1）、化学性能分析

钢的化学成分（质量分数）%[1]

钢号

C

Si

Mn

P

S

L245

0.13

0.24

0.76

0.022

0.014

（2）、材质的力学性能分析

　X70,L245钢的力学性能[2]

钢号

σs/Mpa

σb/Mpa

δ5/%

冲击吸收功（-20℃）/J

L245

380

485

22

56

（3）焊接性的分析

L245是一种优质非合金钢,GB/T9711.2标准规定的碳当量为0142,实际碳当量为0123,供货的状态是正火,组织为铁素体加珠光体,无脆硬倾向,焊接性较好。

该次工艺评定的壁厚范围为11mm,厚度不大,考虑施工方便及经济性,一般对于单纯L245-L245的焊接接头焊前无预热要求。

综合考虑这种钢的焊接冷裂纹敏感性,为了保证良好的焊接接头质量,避免焊接冷裂纹的产生,确定预热温度为100℃,层间温度为100℃～150℃.

六、焊接材料及焊接规范（附：

焊接工艺卡）

6.1焊接材料的选择

6.1.1焊丝的选择

为保证焊接接头的强韧性,采用H08MnNiMoA型焊丝[4]，采用CHF602型焊剂。

其中焊丝以及焊剂的化学成分如下表：

H08MnNiMoA型焊丝的化学成分

型号

C

Si

Mn

Cr

Mo

Ni

S

P

H08MnNiMoA

≤0.10

≤0.25

1.20-1.60

≤0.20

0.30-0.50

≤0.30

≤0.03

≤0.30

SJ101 碱性烧结焊剂的化学成分（%）

型号

SIO2+TiO2

CaO+MgO

Al2O3+MnO

CaF2

S

P

SJ101

15—22

30—35

15—20

20—25

0.016

0.03

6.1.2焊条直径规范

板厚为2-8mm，焊接位置为平焊，熔滴过渡形式为短路过度，内外焊丝都采用直径为3mm的焊丝。

此处如果选择焊丝直径为3mm，电流相同时，随着焊丝直径的减少，熔深要增加。

6.1.3焊接电流的选择

焊接电流的作用是溶化焊丝和工件，同时也是决定熔深的决定因素。

焊接电流随着焊丝直径和过渡形式的不同而发生变化，内焊电流选择范围为500-700A，外焊丝埋弧自动焊的电流为800A。

6.1.4焊接电压的选择

电弧电压是焊接一个重要的参数。

电弧电压的大小决定着电弧的长短和熔滴过渡形式，它对焊缝的成型，飞溅、焊接缺陷以及力学性能有有很大的影响。

电弧电压对焊接过程及金属间的冶金反映起着比焊接电流更大的作用，且随着焊接直径的减小，电压的影响程度不多增大。

6.1.5焊接速度的选择

焊接速度主要根据根据生产率和焊接质量。

速度大，保护变差，同时是冷却速度增加，使焊缝塑性降低，切不利于焊缝成形，易形成咬边缺陷。

焊接速度过慢，熔敷金属在电弧下堆积，电弧热和电弧力受阻碍，焊道不均匀且焊缝粗大。

在实际生产过程中一般不超过0.5m/min

6.1.6焊缝坡口的设计

坡口型式及参数不仅直接影响到焊接结构的生产成本,而且将直接影响到焊接质量。

坡口角度的作用是使电弧能深入焊缝根部,满足操作要求,保证焊缝根部焊透。

间隙的尺寸要合适,太小则不易焊透,太大则容易烧穿。

钝边是保证第一层能焊透,同时又防止烧穿。

本处的焊缝坡口设计为详见工艺图。

七、焊后热处理

7.1焊后热处理的一般规定

（1）焊后热处理应按根据工程实际情况编制的热处理工艺卡执行。

（2）焊后热处理应在焊缝外观质量检验合格后进行。

对容易产生焊接延迟裂纹的管材，焊后应及时进行热处理。

（3）进行焊后热处理应根据钢材的淬硬性，焊件的厚度、结构、刚性、焊接方法及使用条件等因素综合考虑，常用管材焊后热处理工艺参数见表7，焊接异种钢焊条（焊丝）及焊后热处理温度推荐表见表8。

（4）对非奥氏体异种钢焊接时，应按焊接性较差的一侧管材选定焊后热处理温度，但焊后热处理温度不应超过另一侧钢材的临界点AC1。

（5）调质钢焊缝的焊后热处理温度，应低于其回火温度。

（6）焊后热处理的加热速率、恒温时间及降温速率应符合下列规定（S—壁厚、mm）

加热速率：

升温至300℃后，加热速率不应超过200×℃／h，且不大于200℃／h。

恒温时间：

碳素钢每毫米壁厚为2~2.5分钟，合金钢每毫米壁厚为3分钟，且不少于30分钟。

冷却速率：

恒温后的降温速率，不应超过275×℃／h，且不大于275℃／h，300℃以下自然冷却。

7.2

异种金属焊接接头的焊后处理要求，一般应按合金成份较高的钢材确定。

常用管材焊后热处理温度

钢种

焊后热处理

壁厚δ（mm）

温度（℃）

C

＞30

600～650

C—Mn

＞20

C-0.5Mo

560～590

0.5Cr—0.5Mo

600～650

Mn—V

650～670

1Cr—0.5Mo

＞10

1Cr—0.5Mo—V

＞6

700～750

1.5Cr—1Mo—V

2.25Cr—1Mo

5Cr—1Mo

任意壁厚

9Cr—1Mo

750～780