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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流油气输送用ERW钢管焊缝质量影响因素及缺陷无损检测工艺研究（可编辑）.精品文档.油气输送用ERW钢管焊缝质量影响因素及缺陷无损检测工艺研究 西安石油大学 硕士学位论文 油气输送用ERW钢管焊缝质量影响因素及缺陷无损检测工艺的研 究 姓名：张鸿博 申请学位级别：硕士 专业：机械工程 指导教师：高惠临;冯耀荣 20081008 中文摘要 论文题目：油气输送用ERW钢管焊缝质量影响因素及缺陷无损检测工艺的研究 专 业：材料加工工程 硕士生：张鸿博 签名 盘壁螳 指导教师：高惠临 签名 g蓟I篙 冯耀荣 签名 么垄丕墅圣至0 摘 要 ERW钢管是应用
2、于油气输送管线的一种常用钢管类型。我国ERW钢管生产、检验 技术水平相对较低，主要表现在焊缝质量控制不稳定、缺陷检测水平相对较低等方面。 本课题通过试验，对影响ERW钢管焊缝力学性能质量的相关因素进行了研究，系 统地分析了影响焊缝力学性能的各相关因素，提出了改善焊缝力学性能的措施。 通过研究发现，ERw钢管力学性能尤其是韧性性能受焊接功率、焊接速度、成型开 口角度、挤压量、热处理工艺、板边加工质量、原材料性能和组织等因素影响，且焊接 功率、焊接速度、开口角度等因素之间有相关联系。对于壁厚140IIIl钢管，在采用开口 960时，生产出了焊缝冲击功高、组织均匀、性能稳定的ERW钢管。 本课题通过
3、试验，对影响ERW钢管焊缝沟腐蚀敏感性的因素进行了研究，结果表 明ERW钢管焊缝沟腐蚀敏感性与母材化学成分、焊缝组织、流线角度、亮线宽度有关。 通过研究得出，要达到高质量的焊缝力学性能及较低的焊缝沟腐蚀敏感性，应该采 取的措施有： 原材料质量控制：尽量降低C、S、P含量，增加适量的Cu，严格控制MnSi的 比例，母材组织应无偏析且夹杂物少，钢卷板边质量良好； 合理选择开口角度9、焊接速度V、挤压量、焊接功率和热处理温度。开口角度 在470为宜，热输入功率增大时，应相应提高V0乘积值； 将焊缝流线角度控制在50700，焊缝亮线宽度控制在O15姗内； 控制板边加工质量和成型质量，板边应无错边、毛刺
4、、局部变形，推荐采用铣边。 针对钢管缺陷无损检测，本课题从焊缝检测工艺、焊缝检测灵敏度对比试块、焊缝 检测探头的选择、管体缺陷检测工艺等几个方面进行了分析和讨论，优化设计出相关的 检测工艺和方法，通过钢管实物检测验证得到了良好的效果。优化设计的各检测工艺和 方法如下： 焊缝检测采用4组斜探头、1个直探头的检测工艺：其中3组斜探头检测焊缝纵 n 中文摘要 向缺陷，分别检测钢管壁厚的上部、中部及下部；1组斜探头检测焊缝横向缺陷；直探 头位于焊缝上进行焊缝毛刺状况监控： 焊缝检测用灵敏度对比试块为不同位置加工有N5内刻槽、N5外刻槽、16姗 竖通孔、16咖横向钻孔的对比试块； 焊缝检测斜探头参数选择
5、时应合理选择K值和晶片尺寸；提出了适应于大曲率钢 管焊缝检测的曲面探头的制作方法；针对手工超声波探伤，提出了一种简便的毛刺回波 和缺陷回波的识别方法： 管体分层检测应优选钢管离线分层检测的工艺方式；使用不同聚焦深度的聚焦探 头，使用加工有不同人工反射体的灵敏度对比试块 多个6姗平底孔，深度分别为 12WT、l4WT、34WT 。 关键词：ERW钢管焊缝质量沟腐蚀敏感性无损检测工艺 论文类型：应用研究 III 英文摘要 ofFactorsInnuencedERWWeldSeam Study Pipe Quali锣and Subject： Nondestructive 11esting7rechn
6、ique Material Speciali够： ProcessingEngineeling Name： ZhangHongbo signatllre Instmctor：G粕Huilin H岛幻 signatIIre FengYaorong signature ABSTRACT a11d ERW uSedin inSpeCtion pipel妇Them籼factul妇g m0Stly oil&gaS p啦is tecllIlicallevelofhomemadeERWaresome10w inweldse锄 pipe comparatiVely，especially and iInperfe
7、ctioni11Spection qual畸C0ntrol factorsinfluencedthe、ld forward 111is stlldieda11d the paper analyzed se锄quali吼put se锄mechaIlical weldse锄 meme硒es weld prope啊111e吣shows也at hnproving也e for a彘cted meChallical by tougllIless，is proper吼eSpecial material q嘣i劬疵 edge删ny锄1d均w v-a119le，ex觚sionforce，se锄heat骶a：h1
8、1ent，plate iscorrelativcThe 畦lefactors follo咖g such嬲、eldingpow、eldingvelocij晚V-a1191e force嬲4衄，weldingVeloc毋as manufacturingcondition，v-angle嬲47。，e 【nmion 2Ls to aus 960，co栅buted 680妣se锄heat仃e锄entt锄perat呱c 15Inm氓weldingpower 4mm weUweldmechanical ERWof、树l也ickness嬲1 prope啊forpipe ERW 眦s p耻weld s砌ied觚
9、d酬yzed恤fac吣砌uenced p印er coDsion bypipe showS sensitiV埘is胡eCted tl协Se锄grooViIlg conosionThe鲰Idy l妣andweldse撇 se锄m砌now 出疵cal se锄micro姗cn鹏，weld compoSi_tion，Weld widm shallbe for tlle meaSuresadopted nle蛐sllows也atfollowiIlg of che缸cal contem weld composition：Lower se锄q砌埘For mwmatl斑almicros伽ture：No ofCu
10、&MIlSiFor segregation，Low C0ntent mcluSionGoodcon edgeAppropriate qual毋of 7。 ，weld堍veloc时四，ex咖sion isb张r isO1 weld lille is se锄谢dth5mmThegood 钌1at se锄m刚flowaIlgle50700，weld and edgemilling fo硼ingplate q嘣姆ofpipe 英文摘要 T11is studied t11e、eld paper a11d锄alyzedUT NondesnllctiVe bloCk and UT andteStshowS
11、tecque，UTprobetechlliquepipebodytechniqueThesmdy detectable for tllatme can rateProbe techIlique layom follo丽ng inlproVeme曲perfection sets for weld for weldUT：Three angelbe锄probe10ngitudiml soundbeam atweld cen扛al downSideOneset be锄 sectio玛、，eld aIlgel aiming upside，weld tlleweld fortr&nsverses、ld f
12、ormollitor seam probe imperfectionOnes舰ightbe锄probe burr UT co诎ionw-eldsensitivi够block：Outsidenotch 5WD，hlsidenotI出 5wD， 16mmdrilled weld 16nlIn h01e M1section ，0drilledhole 1aIldsc印e sMlbeselected forK elementsizene probep嘲meter properly，especiallyVme&probe memodfor he surfaceiIl me is la唱e吼lrva：tu
13、repipeput milling probe吼ued d就ectiIlg and ech0 f0m莉nle identificationmetllodis fordefectechoburr sirnple brou出fb删ard lamilla_tion l锄ination is F0r body o昏l硫pipe irlspeCtionpreferenc9 pipe inspection，111e for 田1e h妇陆。entfocus shalllbeusedTheUT block body d印廿1probe sensitiVit r pipe flat shallconcainm
14、edi毹rem bottom 缸pection refIector di船rentdepth hole，size邪6mm， as depthl2WT、14WT、34WT ERW Seam Consion Keywords：Pipe，WeldQuali坝G胁oViIlg TestingTecllllique Thesis Type：ApplicationStudy V 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或
15、其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：当鑫垄够 日期：例?侈?P 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名：过越 日期：伊订小。毫 导 师 签名：零冬 日期：撕g
16、?D? 第一章绪论 第一章绪论 11、课题背景 油气输送管道作为石油、天然气的一种经济、安全、不间断的长距离输送工具，在 近40年内得到了巨大发展。随着我国能源战略的调整和石油天然气工业地不断发展，我 国的管线建设已经进入了快速发展阶段。近几年内，西气东输一线、陕京二线、春晓海 底气田管线等重大油气输送管线的建成，极大地推动了我国油气管道的建设与发展。目 前，建设中的川气东送管线及西气东输二线，以及各油气输送支线、城市油气管网的建 设，将进一步推进我国油气管线建设的高潮。 ERW钢管 E1ectricResistance Weld，电阻焊 采用电阻焊接方式生产，钢管 具有尺寸精度高、生产率高等
17、独特的优点，是油气输送管线的主要用管类型之一。ERW 钢管在国外已经获得了广泛应用，除了用于常规管线的油气输送外，ERW钢管的开发 已经涉及到极地寒冷地区和酸性介质条件下的使用场合【11。我国ERW钢管用于长输油气 输送管线的技术及状况相对较为落后，由于国内ERw钢管生产厂家对技术的掌握程度 不同、认识不同、产品定位不同，加上早期ERW钢管在国内陆地油气输送管线中出现 的两起重大质量问题，使得早期ERW钢管在国内发展一直比较缓慢【2】。早期，国产ERW 一般用于输送压力较低的油气输送管线和城市天然气煤气管网等【31，在一些输送压力 较高、要求较高的管线建设中，使用的ERW钢管都是从国外进口，国
18、产涮钢管因为 焊缝力学性能不稳定、缺陷检测水平较低等原因，使得在国内管线应用较少【4】。陆地管 线方面如我国2004年投资建设的无锡一张家港输气管线使用的是从日本JFE公司进口的 ERW钢管。国内海底输气管线几乎全部使用进口ERw钢管，如1997年建设的东海平湖 的春晓气田群海底管线等。最近几年来，国内几家工厂从国外相继引进了大口径ERW 钢管生产线，生产能力和设备状况均比早期有了很大提高，这为提高我国ERw钢管生 产水平奠定了基础，将促进我国ERW钢管制造水平的发展，从而扩大国产涮在油气 输送管线的应用范围。 经过对目前我国ERW钢管生产状况、钢管质量的调查发现，相比国外，目前我国 ERW钢
19、管生产水平总体来说仍然相对较低，各生产厂质量水平不一，钢管生产合格率 较低，钢管韧性性能较低且稳定性差，钢管焊缝抗沟腐蚀性能不稳定，钢管缺陷漏检率 较高。这些问题的出现，原因是由于生产厂对影响焊缝质量 力学性能、沟腐蚀性能等 的影响因素了解不足，钢管生产中的缺陷无损检测工艺不完善等原因所致，因此，应该 开展对影响ERW钢管焊缝质量因素的研究及钢管缺陷无损检测工艺的研究。 本课题将对影响焊缝力学性能质量的各因素和对影响焊缝抗沟腐蚀性能的各因素 进行试验研究，提出改善ERW钢管焊缝质量的措施；分析目前我国ERW钢管缺陷无 西安石油大学硕士学位论文 损检测工艺中的不足，设计出完善的无损检测工艺。 通
20、过本课题的研究，将系统地分析ERW钢管焊缝质量的各影响因素的关系，提出 提高钢管焊缝质量的措施，并系统地分析钢管缺陷无损检测工艺和技术，提出改善ERW 钢管无损检测水平的工艺和方法。 本课题的研究，将提高我国ERW钢管的制造水平，从而推动国产ERW钢管在油 气输送管线的广泛应用，促进我国钢管工业、管线建设的发展。 12、ERW钢管概述 121、ERW钢管生产分类 电阻焊是一种非填充金属的压力焊接方式，可分为交流焊和直流焊。交流焊根据电 流波形的不同有正弦波焊和方波焊，根据频率的不同有低频焊、中频焊和高频焊。在上 缝质量的稳定性，在1960年以后，高频焊逐渐代替了低频焊，直至低频焊被淘汰。中 频
21、焊用于厚壁管的焊接，高频焊用于薄壁管或普通壁厚管的焊接，目前油气输送用中大 口径电阻焊钢管采用的都是高频焊。高频焊按电流输入方法又有接触焊和感应焊。传统 上感应焊用于小壁厚、小管径的钢管，接触焊用于大壁厚、大口径的钢管【51。图卜l所 示为ERW钢管的分类。 图卜1 E洲钢管的分类 1-22、ERW钢管生产原理 ERw焊接的基本原理是将频率在200450I Hz的高频电流，采用电极接触 接触 焊 或感应圈 感应焊 的办法，使管筒边缘产生高频电流。利用高频电流的集肤效应 和邻近效应，将电流高度集中在管筒边缘的待焊合面上。依靠金属自身的电阻，将管筒 边缘的待焊合面迅速加热至焊接温度，再在挤压辊的挤
22、压下完成压力焊接。在中、大型 2 第一章绪论 焊管生产中，因感应焊的无效电流引起的能量损失较大，使高频电能利用率和焊接效率 大为降低，所以一般都采用接触焊。随着技术的进步，近来感应焊也被用来焊接较大壁 厚较大直径的钢管【51。图卜2所示为ERw的接触焊和感应焊的基本原理示意图。 1管坯：，3-I乜缀： 1，货坯j2?感应器；3?长lK辊： ?卜一戳捷嚣：S钎jK辊 4一阻抗器：5一循环也漉；6感应l毡漉 a 接触焊 b 感应焊 图1-2接触焊和感应焊的基本原理示意图 123、ERW钢管生产流程 ERW钢管生产一般主要有以下步骤：开卷矫平、板边准备、轧辊成型、焊接、内 外毛刺刮除、焊缝在线热处理
23、、定径、矫直等。生产过程中的无损检验主要有针对管体 母材 卷板 的分层探伤检查、针对焊缝纵向缺陷的检查等。图卜3所示为ERW钢管 主要生产工序。 图卜3 E刚钢管生产主要工序 1开卷；2矫平：3切边；4成型；5粗压辊；6立辊；7精成型辊； 8电阻焊、内外毛刺刮除及焊缝在线热处理：9定径；lO矫直 124、ERW钢管生产特点 ERW钢管生产及钢管质量具有以下特点： a ERW焊接是一种没有填充金属的压力焊接方式。 b ERW焊接速度高、生产效率高。由于电流能量高度集中于焊接区，加热速度 快，因而焊接速度很高。 西安石油大学硕士学位论文 c 焊接热影响区小。因焊接时的能量高度集中、加热速度快、焊速
24、高，工件自 冷作用强，故热影响区小。 d ERW钢管生产对焊接的技术水平和管理水平要求较高。由于ERW焊接是在 一条生产线上的连续生产，焊接速度高、生产效率高，影响焊接过程的因素多，必须具 备较高的技术水平和管理水平，才能把焊接整个生产线的多个要素统一协调起来，以持 续稳定地获得高质量的焊接钢管。 e ERW钢管的焊缝可以通过提高焊接质量、改进热处理工艺而实现焊缝与母材 的等强度、等韧性匹配。 f ERW钢管尺寸精度高、壁厚均匀、生产率高、成本低、综合力学性能好，具 有广阔的市场前景。 13、ERW钢管国内外发展状况及应用差距 131 ERW钢管国外发展及应用概括 ERW钢管生产方式产生于国外
25、，经过数十年的发展，国外的ERW钢管已经具有了较 高的生产水准和质量状况。 目前，日本代表了世界上ERW钢管生产的最高水平，其JFE公司知多制铁所拥有世界 JFE公司生产的ERW钢管已应用到了海洋石油的海底管线和酸性介质环境，其中海洋 酸性介质条件下的最高钢级为X65、最大外径为6lO舳、最大壁厚为159姗16J。 国外ERW钢管生产在成型、焊接、热处理、无损检测等方面具有较高的水平，生产 中钢管一次合格率很高。国外管线建设钢管选型时，只要管线设计的口径合适，管线设 计中并不避讳ERW钢管的使用。ERW钢管无论在陆地还是海洋的油井管、油气输送管方 面均得到了较为普遍的使用。除用于常规的油气输送
26、外，ERW钢管的开发已经涉及到在 极地寒冷地区的使用和酸性介质条件下的使用。 表卜1为日本JFE公司ERw钢管部分供货纪录的具体情况。 4 第一章绪论 表卜1日本JFE公司E刚钢管部分供货纪录 最高钢级 最大壁厚 最大外径 应用 环境 钢 尺寸 用途 甩产f 钢 尺寸 用途 再户| 钢 尺寸 用途 甩芦| 级 项目 级 项目 级 项目 陆地输 海洋输 陆地输 660 S笛OlSOuth4572 Shell 6604 KaJaNa最 综合 X70 气，非酸 AricaX60 气，非酸 X60 油，非酸 173 191 B啪ei 127 Iran 性 性 性 Exxon ExX n E姗 6lO输
27、气，非 610 6lO 输气，非 输气，非 海洋 X65 X65 X65 Mobil Mobil M0bil 191 酸性 x191 酸性 191 酸性 MaJaysia M甜aysia MaJaysia 西610 Unocal 西6lO UnOcal610 Unocm 酸性 X65 海洋输气 X65 海洋输气 X65 海洋输气 159 Thailand159 159 Thailand Thailand 132 ERW钢管国内发展及应用概况 我国ERW钢管生产起步较晚，原上海钢管厂于1958年制造出了我国第一根ERW 多的小规格机组，不仅设备相对落后，而且规格比例严重失调，所生产的大部分产品仅
28、 为低档次的水管和煤气管等。口径较大的如219吼以上的ERW钢管在城市燃气管网、 油套管等方面有较多的应用，用于长输油气输送管线的比例相对很低【71。2005年以来， 我国陆续建成了上海中油天宝钢管有限公司、浙江金州钢管有限公司、上海宝钢钢管分 公司的610衄ERW钢管生产机组。这些大口径ERW钢管生产线的建成投产，将大 大提升我国在大口径ERW钢管生产方面的整体能力，为国产ERW钢管用于油气输送 管线奠定了基础。 早期国产ERW钢管主要应用于输水管线、煤气管线及结构用管等方面【8】，由于钢 管生产检验技术相对较低，加之ERw钢管在国内陆上输送管线中出现的两起重大质量 问题，使ERw钢管在国内油气长输管线的使用受到了极大限制。我国海底油气输送管 线设计中较多地使用了ERW钢管，但钢管的供货商基本上为国外生产厂，国产ERW 钢管在海底油气输送管线应用很少。表卜2为近几年我国采用国产ERW钢管的管线建 设状况。 表卜2近几年采用国产E踟钢管已建成管线的基本情况 输送 压力 外经 壁厚 序号 项目名称 供货商 钢级 介质 MPa 衄 删 珠江钢管公司