压力管道焊接基础工艺设计.doc

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中国全部有成功建设和运行业绩。
近几年，中国管道建设发展很快速。在管线建设施工中，环焊缝焊接方法从传统手工焊、管道下向手工焊、半自动下向焊到现在全自动焊，管线钢级从Q235 、16Mn、L290（X42）、L360（X52）、L415（X60）、L450（X65）和L485（X70）提升到现在L550（X80），直径从200mm增加到1219 mm，水管线直径已超出 mm，壁厚从6 mm增加到30 mm，输送压力从4MPa增加到15MPa。
从广义上了解，压力管道是指全部承受内压或外压管道，不管其管内介质怎样。压力管道是管道中一部分，管道是用以输送、分配、混合、分离、排放、计量、控制和阻止流体流动，由管子、管件、法兰、螺栓连接、垫片、阀门、其它组成件或受压部件和支承件组成装配总成。
压力管道含有以下特点：
（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，工作条件改变频率比压力容器高（如高温、高压、低温、低压、位移变形、风、雪、地震等全部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种类繁多，多种材料各有特点和具体技术要求，材料选择复杂。
（4）、管道上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，应用管理步骤多，和压力容器大不相同。
运输管道承受着所运输介质压力和温度作用，同时还遭受所经过地带多种自然环境和人为原因影响，对钢材强度、韧性、和可焊性提出了相当高要求，在使用过程中可能发生多种破漏或断裂事故。为确保管道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，其中设计中合理选择材料和焊接工艺是相当关键。
二、受力分析内容：
参考标准：SHJ.41-91《石油化工企业管道柔性设计规范》
1.管道柔性设计任务
压力管道柔性设计任务是使整个管道系统含有足够柔性，用以预防因为管系温度、自重、内压和外载或因管道支架受限和管道端点附加位移而发生下列情况
1)因应力过大或金属疲惫而引发管道破坏；
2)管道接头处泄漏；
3)管道推力或力矩过大， 而使和管道连接设备产生过大应力或变形，影响设备正常运行；
4)管道推力或力矩过大引发管道支架破坏。
2.分析步骤：
1) 工程要求
2) 管道基础情况
3) 用固定点将复杂管系划分为简单管系，尽可能利用自然赔偿
4) 用目测法判定管道是否进行柔性设计
5) L 型 U 型管系可采取图表法进行应力分析
6) 立体管系可采取公式法进行应力分析
7) 宜采取计算机分析方法进行柔性设计管道
8) 采取 CAESAR II 进行应力分析
9) 调整设备部署和管道部署
10)设置、调整支吊架
11)设置、调整赔偿器
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管线钢化学成份及力学性能
L245就是一个低压流体卷制管，其性能和20#无缝管差不多
钢种
力学性能
化学成份
屈服强度
抗拉强度
伸长率
C
Si
Mn
S
P
MPa
kg/mm²
MPa
kg/mm²
小于
小于
小于
小于
L245
245

415

21
0.26

1.15
0.030
0.030
参考GB50316-《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
许可公差
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，大多数全部属于薄壁管子，故当S < D/6 或P/σt≤0.385时，受内压直管理论壁厚计算公式可按下式计算：
PχD
S=———————+C1+C2
2χσtχФ+P
式中P——设计压力，MPa；
D——管子外径， mm；
S ——管子理论计算壁厚，mm；
σt——设计温度下材料许用应力， 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。
对于外压直管壁厚，应依据《GB150钢制压力容器》要求方法确定。
4.4壁厚等级确实定
将上式计算值先按四舍五入标准进行园整，然后查对应应用标准，和计算值最靠近且稍高对庇壁厚就是该管道公称壁厚。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参数就是该管道公称壁厚等级。
管道上其它组成件(如弯头、三通、异径管、封头等) ，也以上述确定数字或代号表示其公称壁厚等级，并由此确定它们和管子是等强度。
由以上数据和公式，能够得到该管道外径D1为355.6mm，壁厚为5.2mm 内径为342.2mm
五、L245管线钢结构及材质分析
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342.2mmL245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
钢化学成份( 质量分数) %[1]
钢号
C
Si
Mn
P
S
L245
0.13
0.24
0.76
0.022
0.014

（2）、材质力学性能分析
　X70 ,L245 钢力学性能[2]
钢号
σs/Mpa
σb/Mpa
δ5/ %
冲击吸收功( - 20 ℃)/ J
L245
380
485
22
56

（3）焊接性分析
L245 是一个优质非合金钢, GB/ T9711. 2 标准要求碳当量为0142 ,实际碳当量为0123 ,供货状态是正火,组织为铁素体加珠光体,无脆硬倾向,焊接性很好。该次工艺评定壁厚范围为11 mm ,厚度不大,考虑施工方便及经济性,通常对于单纯L245 - L245 焊接接头焊前无预热要求。综合考虑这种钢焊接冷裂纹敏感性,为了确保良好焊接接头质量,避免焊接冷裂纹产生,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焊接材料选择
6.1.1焊丝选择
为确保焊接接头强韧性,采取H08MnNiMoA型焊丝[4]，采取CHF602型焊剂。其中焊丝和焊剂化学成份以下表：
H08MnNiMoA型焊丝化学成份
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 碱性烧结焊剂化学成份（%）
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，熔滴过渡形式为短途经分，内外焊丝全部采取直径为3mm焊丝。此处假如选择焊丝直径为3mm，电流相同时，伴随焊丝直径降低，熔深要增加。
6.1.3焊接电流选择
焊接电流作用是溶化焊丝和工件，同时也是决定熔深决定原因。焊接电流伴随焊丝直径和过渡形式不一样而发生改变，内焊电流选择范围为500-700A，外焊丝埋弧自动焊电流为800A。
6.1.4焊接电压选择
电弧电压是焊接一个关键参数。电弧电压大小决定着电弧长短和熔滴过渡形式，它对焊缝成型，飞溅、焊接缺点和力学性能有有很大影响。 电弧电压对焊接过程及金属间冶金反应起着比焊接电流更大作用，且伴随焊接直径减小，电压影响程度不多增大。
6.1.5焊接速度选择
焊接速度关键依据依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，易形成咬边缺点。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。在实际生产过程中通常不超出0.5m/min
6.1.6焊缝坡口设计
坡口型式及参数不仅直接影响到焊接结构生产成本,而且将直接影响到焊接质量。坡口角度作用是使电弧能深入焊缝根部,满足操作要求,确保焊缝 根部焊透。间隙尺寸要适宜,太小则不易焊透,太大则轻易烧穿。钝边是确保第一层能焊透,同时又预防烧穿。本处焊缝坡口设计为详见工艺图。
七、焊后热处理
7.1焊后热处理通常要求
（1）焊后热处理应按依据工程实际情况编制热处理工艺卡实施。
（2）焊后热处理应在焊缝外观质量检验合格后进行。对轻易产生焊接延迟裂纹管材，焊后应立即进行热处理。
（3）进行焊后热处理应依据钢材淬硬性，焊件厚度、结构、刚性、焊接方法及使用条件等原因综合考虑，常见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，应按焊接性较差一侧管材选定焊后热处理温度，但焊后热处理温度不应超出另一侧钢材临界点AC1。
（5）调质钢焊缝焊后热处理温度，应低于其回火温度。
（6） 焊后热处理加热速率、恒温时间及降温速率应符合下列要求（S—壁厚、mm）
加热速率：升温至300℃后，加热速率不应超出200×℃／h，且小于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：恒温后降温速率，不应超出275×℃／h，且小于275℃／h，300℃以下自然冷却。
7.2
异种金属焊接接头焊后处理要求，通常应按合金成份较高钢材确定。

常见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

2Cr—0.5-WV

3Cr-1Mo-Vti

12Cr-1Mo-V
7.3焊后热处理操作关键点：
（1）焊后热处理操作前，操作人员应认真检验电源连接是否正确，漏电保护器是否灵敏，有没有裸露电源线及接头，加热器瓷环有没有损坏，保温是否符合热处理工艺卡要求，热处理设备及管道是否接地良好。
（2）热处理过程中必需严格根据热处理工艺卡要求工艺参数实施，设专员观察温度指示仪有没有异常，如发觉异常时，应立即停止热处理找出原因方可继续进行。
（3）在临近恒温温度50℃时，应逐步减小电流、电压，以使升温速度逐步减慢，平滑过渡至恒温温度。
（4）热处理升降温操作要平稳，严禁电参数急速大跨度改变。
（5）热处理工作结束后，操作者应在自动曲线图上注明热处理管线号、焊口号、操作者姓名及日期并写出热处理汇报。
7.4 电加热器及热电偶安装
（1）进行热处理时，每道焊口测温点应对称部署在焊缝中心两侧，且不得少于两点。水平管道测温点应上下对称部署。测温点处应用砂轮打磨出金属光泽。热电偶安装应采取细铁丝捆扎，为确保所测温度为管子实际温度，在热电偶和加热器之间应垫小块保温玻璃布进行隔离，热电偶及加热器安装详图见图3。
（2）焊后热处理加热范围，每侧不应小于焊缝宽度3倍，且大于25mm。有淬硬倾向或易产生延迟裂纹管道焊缝两侧各大于壁厚五倍，且大于100mm，并努力争取受热区温度均匀一致。加热区以外100mm范围内应用玻璃棉或硅酸铝纤维毡进行保温，管道两端应封闭。

7.5热处理工艺
（1）热处理加热速度、恒温时间及冷却速度应符合下列要求：
加热速度：升温至300℃后，加热速度应按(205X25/δ)℃/h计算，且小于220℃/h。
恒温时间：非合金钢为每毫米壁厚2～2.5min；合金钢为每毫米壁厚3min，且总恒温时间不得少于30min。在恒温时间内，最高和最低温度差应小于50℃。
冷却速度：恒温后冷却速度应按(60x25/δ)℃/h计算，且不得大于260℃/h，冷至300℃后可不控制。
（2）异种钢焊接接头焊后热处理，应按两侧钢材及所用焊条（焊丝）综合考虑。热处理温度通常不超出合金钢成份低侧钢材下临界点Ac1，可参见表8实施。
八、焊接检验
8.1 焊接检验关键方面
8.1.1 焊前
（1）焊接材料选择
（2）焊接设备、仪表、工艺装备;
（3）焊接坡口、接头装置及清理;
（4）焊工资格;
（5）焊接工艺文件.
8.1.2 施焊过程中
（1）焊接规范参数;
（2）实施焊接工艺情况;
（3）实施技术标准情况;
（4）实施图样要求情况.
8.1.3 焊后
（1）实际施焊统计;
（2）焊缝外观及尺寸;
（3）后热、焊后热处理;
（4）产品焊接试板、焊接工艺纪律检验试板;
（5）无损检验;
（6）致密性试验.

八、心得体会
两周课程设计结束了，在这次课程设计中不仅检验了我所学习知识，也培养了我怎样去独立完成一件事情。在设计过程中，和同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督，学会了合作，提升了自学能力。
　经过这次压力管道设计，综合利用本专业所学课程理论和生产实际知识进行一次设计工作实际训练从而培养和提升独立工作能力，巩固和扩充了焊接设备和方法设计等课程所学内容，掌握管道设计方法和步骤，掌握压力管道设计基础技能知道了怎样分析零件工艺性，怎样确定工艺方案，了解了基础焊接结构，提升了计算能力，绘图能力，熟悉了规范和标准，同时各科相关课程全部有了全方面复习，独立思索能力也有了提升。
　 在此感谢我们范老师.，老师循循善诱教导和不拘一格思绪给我无尽启迪。设计完成离不开老师您细心指导。而您开朗个性和宽容态度，帮助我能够很顺利完成了这次课程设计。
因为本人设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师多多指教,我定会加以更正。
参考材料：
1.《实用工程材料焊接手册》
2.《焊接手册》
3.《石油化工压力容器设计》
4.唐永进 《压力管道应力分析》 中国石化出版社
5. 张玉芝,吕向阳,马彦昌,孙德新《管道设备和技术》. no.4