压力管道焊接工艺设计.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1219 mm，水管线直径已超过2000 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 CAESAR II 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 < 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11 mm ,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

2Cr—0.5-WV

3Cr-1Mo-Vti

12Cr-1Mo-V
7.3焊后热处理操作要点：
（1）焊后热处理操作前，操作人员应认真检查电源连接是否正确，漏电保护器是否灵敏，有无裸露的电源线及接头，加热器瓷环有无损坏，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）热处理过程中必须严格按照热处理工艺卡规定的工艺参数执行，设专人观察温度指示仪有无异常，如发现异常时，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，应逐渐减小电流、电压，以使升温速度逐渐减慢，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变化。
（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报告。
7.4 电加热器及热电偶安装
（1）进行热处理时，每道焊口的测温点应对称布置在焊缝中心两侧，且不得少于两点。水平管道测温点应上下对称布置。测温点处应用砂轮打磨出金属光泽。热电偶安装应采用细铁丝捆扎，为保证所测温度为管子的实际温度，在热电偶与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）焊后热处理的加热范围，每侧不应小于焊缝宽度的3倍，且不小于25mm。有淬硬倾向或易产生延迟裂纹的管道焊缝两侧各不小于壁厚的五倍，且不小于100mm，并力求受热区的温度均匀一致。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）热处理的加热速度、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，且不大于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，最高与最低温度差应小于50℃。
冷却速度：恒温后的冷却速度应按(60x25/δ)℃/h计算，且不得大于260℃/h，冷至300℃后可不控制。
（2）异种钢焊接接头的焊后热处理，应按两侧钢材及所用焊条（焊丝）综合考虑。热处理温度一般不超过合金钢成分低侧钢材下临界点Ac1，可参见表8执行。
八、焊接检验
8.1 焊接检验主要方面
8.1.1 焊前
（1）焊接材料的选择
（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）执行焊接工艺情况;
（3）执行技术标准情况;
（4）执行图样规定情况.
8.1.3 焊后
（1）实际施焊记录;
（2）焊缝外观及尺寸;
（3）后热、焊后热处理;
（4）产品焊接试板、焊接工艺纪律检查试板;
（5）无损检验;
（6）致密性试验.

八、心得体会
两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去独立完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督，学会了合作，提高了自学能力。
　通过这次压力管道设计，综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识进行一次设计工作的实际训练从而培养和提高独立工作能力，巩固与扩充了焊接设备与方法设计等课程所学的内容，掌握管道设计的方法和步骤，掌握压力管道设计的基本的技能懂得了怎样分析零件的工艺性，怎样确定工艺方案，了解了的基本焊接结构，提高了计算能力，绘图能力，熟悉了规范和标准，同时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。
　 在此感谢我们的范老师.，老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。设计的完成离不开老师您的细心指导。而您开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很顺利的完成了这次课程设计。
由于本人的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师多多指教,我定会加以改正。
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《管道设备与技术》.2005 no.4