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油 气 储 运 2004年 油气管道焊接材料设计用量计算 张 振 永 3 中国石油天然气管道工程有限公司 张振永油气管道焊接材料设计用量计算,油气储运,2004 ,237 38～41。 摘 要 对油气管道手工下向焊、 药芯焊丝半自动焊和实芯焊丝气体保护自动焊的焊接材料 用量进行了计算,提出了不同焊接方法焊材用量计算的修正公式,并将计算结果与工程实际用量进 行了对比,两者基本吻合。 主题词 油气管道 焊接材料 用量 计算 一、 前 言 目前国内管道焊接的主要方法有手工下向焊、 药芯焊丝半自动焊和实芯焊丝气体保护自动焊。对 于这三种主要焊接方式,管道所用焊接材料的耗量 计算一直没有比较合适的计算模型或公式。以往的 设计用量一般套用电弧焊条用量计算公式或结合工 程经验,或采用现行的预算定额,或采用厂家提供的 用量指标。由于这些方法缺乏科学的理论计算依 据,并且每一位设计人员的工程经验不同,现行定额 跟不上最新发展趋势,厂家的用量指标千差万别,因 此,在管道设计中极易造成焊接材料用量计算不准 确,直接影响到采办和现场施工。例如,在苏丹富拉 油田原油外输管道工程中,由于设计计算的AWS A5.1 E6010纤维素焊条用量偏低,影响了现场施工 进度,导致二次追加空运焊条,增加了工程成本。基 于以上原因,对管道焊接材料的用量计算有必要进 行探讨。 二、 手工下向焊焊条的用量计算 手工下向焊作为一种主要的焊接方法,广泛应 用于油气管道的焊接中。对于输气管道,这种焊接 方法一般采用组合焊方式,即采用纤维素焊条进行 根焊、 热焊,用低氢焊条进行填充、 盖面,这样既经济 高效,又能满足焊缝的韧性需要。对于输油管道,一 般整个焊缝均采用纤维素焊条施焊,只是根据钢材 的级别不同,采用的根焊、 热焊和填充、 盖面焊条的 型号不同而已。因此,无论是输油管道,还是输气管 道,计算时都应当把同一焊缝中不同焊层的焊条用 量分别计算出来,只有这样,才能保证在一个工程中 每种型号焊条用量的准确性。 对于如何准确计算管道焊接材料的用量,现有 资料对管道焊接的介绍都缺乏针对性。按焊条消耗 定额,其计算公式为 〔1〕 G ALρ1 Kb / 106Kn1 式中 G 焊条用量,kg; A 焊缝熔敷金属截面积,mm2; L 焊缝长度,mm; ρ 熔敷金属密度,g/ cm3; Kb 药皮的重量系数,取0.3～0.4 ; Kn 金属由焊条到焊缝的转熔系数,包括 烧损、 飞溅和未利用的焊条头损失,取 0.75～0.8。 对于管道对接焊缝V形坡口,其截面积为 A δb δ- p 2tanα /2 2ch/32 式中 δ 管道壁厚,mm; b 根部对口间隙,mm; p 钝边高度,mm; 3065000 ,河北省廊坊市金光道22号;电话03162075949。 83 α 坡口角度; c 焊缝宽度,mm; h 焊缝余高,mm。 式2中所示尺寸符号见图1。 图1 焊缝横截面图 从式1和式2可以看出,焊条的消耗量主要 取决于焊条牌号主要是影响Kb和Kn、 坡口形状和 焊件厚度。对于不同的焊条,如果没有具体的Kb和 Kn值,纤维素焊条可以取Kb 0.40, Kn 0.77,低氢 焊条可以取Kb 0.32, Kn 0.80。 以上是平焊位置焊接每米的焊条用量值,对于 不同的焊接位置,焊条单位消耗量也不同,在横焊和 立焊位置的焊条消耗量比在平焊位置时增加10 , 比在仰焊位置时增加20 〔2〕。对于全位置焊接 ,由 于有平焊、 立焊和仰焊,因此计算焊条时应取一个 1.15的系数。考虑到现场施工焊接影响因素较多, 例如,焊条引弧失败,整根焊条都会弃用,或者焊条 药皮破损、 端部破裂、 焊条头过长弃用等,都会造成 焊条消耗量增加,因此计算焊条量有必要再乘以一 个1.2的系数。 考虑到以上因素,管道焊接材料的消耗理论公 式可以修正为 G 3.14DAρ1 Kb / 106Kn 1.151.23 式中 G 单个焊口焊条用量,kg; D 管道直径,mm。 对于根焊焊条 A1δ1b δ1- p 2tanα /24 式中 A1 根焊缝熔敷金属截面积,mm2; δ1 根焊层厚度,mm。对于 3.2 焊条,取 2.5～3.0 mm;对于 4. 0焊条,取3. 2 ～3.5 mm。 对于热焊焊条 A2 δ1-0.5δ2 b δ1-0.5δ2- p 2 tanα/2 - [ δ1-0.5 b δ1-0.5- p 2tanα/ 2 ] 5 式中 A2 热焊缝熔敷金属截面积,mm2; δ2 热焊层厚度,取1.5～2.0mm。 式5中,δ1- 0. 5是考虑到根焊后清渣时有一 定的打磨量,按0.5 mm考虑。 对于填充、 盖面用焊条 A3 b δ- p 2 tanα/2 2ch/3 - [ δ1-0.5δ2-0.5 b δ1-0.5δ2-0.5- p 2 tanα/2 ] 6 式中 A3 填充、 盖面焊缝熔敷金属截面积,cm2。 式5、 式6中,δ2- 0. 5是考虑到热焊后清渣 时有一定的打磨量,按0.5 mm考虑。 按照以上修正公式,以陕西靖边至北京输气管 道和大港至永清输气管道为例,对手工下向焊的焊 条用量进行了理论计算,并与实际用量进行了对比, 计算结果见表1。 表1 手工电弧焊焊条用量计算值与实际耗量对比 管径 mm 壁厚 mm 间隙 mm 钝边 mm 坡口 角度 根焊焊条用量 kg/ 口 计算值实际值 热焊焊条用量 kg/ 口 计算值实际值 填充、 盖面焊丝用量 kg/ 口 计算值实际值 计算 总量 kg/ 口 实际耗 用总量 kg/ 口 660 660 660 711 711 7.1 8.7 9.5 7.1 9.5 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 32.5 32.5 32.5 32.5 32.5 0.32 0.32 0.32 0.35 0.35 0.30 0.30 0.30 0.33 0.33 0.29 0.29 0.29 0.31 0.31 0.27 0.27 0.27 0.29 0.29 1.06 1.71 2.08 1.15 1.84 1.02 1.66 2.03 1.10 1.70 1.67 2.32 2.69 1.81 2.50 1.59 2.23 2.60 1.72 2.32 93第23卷第7期 张振永油气管道焊接材料设计用量计算 由表1的对比结果可以看出,整个焊口的焊条 用量计算值与实际消耗量比较接近,略大于实际消 耗量,计算值与实际值的误差小于10 。焊条单口 计算总量也基本与现行定额 〔3〕 规定一致。 三、 半自动焊药芯焊丝的用量计算 目前,管道的半自动焊施工,一般采用纤维素焊 条手工下向焊打底,填充、 盖面采用自保护药芯焊丝 半自动焊。这种方法在国内的兰成渝成品油管道和 西气东输工程中都得到了广泛应用,苏丹、 利比亚输 油管道工程也均采用了这种焊接方法。这种焊接方 法的根焊纤维素焊条用量计算与上述的手工下向焊 中的根焊焊条计算相同,填充、 盖面用的自保护药芯 焊丝计算有所不同。 自保护药芯焊丝的定额计算公式见式7〔 1〕。 G ALρ1 000Kn7 式中 Kn 金属由焊丝到焊缝的转熔系数,包括 烧损、 飞溅等损失,药芯焊丝,Kn取0. 72～0.75。 不同的焊接位置,焊丝单位消耗量也不同。式 7为平焊位置的用量计算公式,对于管道全位置 焊,焊丝消耗要比纯平焊位置用量大,焊丝用量乘以 一个1.10系数,焊丝耗量的理论公式可以修正为 G 3.14DAρ / 1 000Kn1.108 根焊焊条计算公式同式4。 对于填充、 盖面焊丝 A3 bδ δ- p 2 tanα/2 2ch/3 - [ δ1-0.5 b δ1-0.5- p 2 tanα/2 ] 9 按照上述修正公式,以利比亚输油管道和苏丹 输油管道为例,对焊材用量进行了理论计算,并与实 际用量进行了对比,计算结果见表2。 表2 半自动焊焊接材料计算值与实际耗量对比 管径 mm 壁厚 mm 间隙 mm 钝边 mm 坡口 角度 根焊焊条用量 kg/ 口 计算值实际值 填充、 盖面焊丝用量 kg/ 口 计算值实际值 计算 总量 kg/ 口 实际耗 用总量 kg/ 口 406.4 406.4 610.0 813.0 813.0 10.3 11.9 9.5 11.9 17.5 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 32.5 32.5 32.5 32.5 32.5 0.22 0.22 0.30 0.40 0.40 0.21 0.21 0.28 0.38 0.39 1.06 1.43 1.34 2.85 5.97 1.03 1.32 1.30 2.62 5.70 1.28 1.65 1.64 3.25 6.37 1.24 1.53 1.58 3.00 5.89 从表2的对比结果可以看出,以上几种管径和 壁厚的钢管,通过修正的焊接材料理论计算值,与现 场焊接实际用量非常接近,精确度均在90 以上。 与现行定额 〔3〕 相比,打底焊焊条用量小于定额用量, 焊丝用量基本与定额量相同。 四、 自动焊实芯焊丝的用量计算 自动焊技术适用于大口径、 大壁厚管道,具有焊 接质量稳定、 操作简便、 焊缝外观成型美观等特点。 国内管道应用自动焊技术起步较晚,在大港至永清 输气管道和涩宁兰输气管道上,曾采用引进的 NOREAST AW 971焊机进行过试验,采用STT打 底焊,NOREAST自动焊机进行填充、 盖面。国内大 规模应用自动焊技术是在西气东输管道工程中,工 程中的自动焊机组主要集中在西部地段,根焊采用 STT半自动焊和自动内焊机AW4042施焊,填充、 盖面采用意大利公司生产的PWT2NRT外焊机和中 国石油天然气管道科学研究院研制的PAW2000型 外焊机进行焊接。 对于自动焊所用的焊接材料,无论是根焊,还是 填充、 盖面焊一般均采用符合AWSA 5.18或AWSA 5.28标准的气体保护实芯焊丝进行焊接,不同点是 根焊和填充、 盖面用的焊丝型号强度级别和焊丝 直径不同。例如,西气东输工程根焊用焊丝为AWS A5. 18 ER70S G 0. 9 mm、 填充、 盖面用焊丝为 AWS A5.28 ER80S G 1.0 mm。在计算自动焊焊 接材料时,对采用的不同焊接材料要分别进行计算。 气体保护实芯焊丝的定额计算公式同式 7 , 只 是该式中的Kn取0. 90～0. 95。焊丝理论计算修正 公式同式 8 。 根焊焊丝熔敷金属截面积计算公式 04油 气 储 运2004年 第23卷第7期 油 气 储 运 试验研究 太阳能加热输送原油系统应用研究 3 王 学 生 33 王 如 竹 吴 静 怡 许 煜 雄 上海交通大学机械与动力工程学院 王学生 王如竹等太阳能加热输送原油系统应用研究,油气储运,2004 ,237 41～45。 摘 要 凝点高、 粘度大的原油在输送过程中必须进行加热与保温,以保持原油的良好流动 性,用太阳能替代部分常规能源来加热输送原油可以减少大量的能源消耗。根据原油加热输送过 程的工艺条件及特点,设计了一套太阳能加热原油输送系统,介绍了该系统的设计原理和性能指 标,应用表明,该系统可以使原油温度提高25～30℃,年均节省天然气9104m3。 主题词 太阳能 原油 加热输送系统 应用 研究 一、 前 言 利用太阳能技术加热原油以替代部分常规能 源,在节能降耗及绿色环保方面具有重要的意义。 近年来,国外不断有利用太阳能对燃料油储存和 原油输送加热的报道 〔1～2〕。1998 年,约旦大学的 Badran等人对利用太阳能加热燃料油进行了研究, 他们设计了两种太阳能燃油预热装置,将燃料油加 热到50C ,并在该温度下储存。1999年,澳大利亚 一家太阳能公司采用透明蜂窝材料和选择性涂层 等,来增加太阳能吸收系数,抑制对流和辐射散热, 实现太阳能热二极管技术,以达到在管道输送过程 中将原油加热降粘的目的。目前国内还未见有太阳 能技术在油田输送过程中的应用先例。辽河油田某 采油厂的一个计量站,在原油被送往下一站时,将其 加热温度大约提高了25～30℃,每天要消耗天然 气约1000m3。 如果利用太阳能来加热原油,就 同式 4 , 式中的δ1取2. 0～2. 5 mm。填充、 盖面焊 熔敷金属截面积计算见式10。 A3 bδ δ- p 2 tanα/2 2ch/3 - [δ1b δ1- p 2 tanα/2 ] 10 利用上述一系列公式,即可以计算出管道自动 焊所用不同型号实芯焊丝的用量。 五、 结束语 通过修正公式计算结果与工程实际情况的对 比,可以看出,理论计算结果与工程实际用量基本吻 合,满足管道工程用料的要求,计算结果比较理想。 计算公式适用于管道V形坡口的对接,对于厚 壁管采用的U形坡口或复合型坡口,应根据具体情 况调整熔敷金属截面计算公式。各工程采用的焊材 牌号、 焊接方法以及坡口尺寸均不相同,都会影响管 道工程中的焊材用量,上述计算方法及结果,谨供其 它工程参考。 参 考 文 献 1 , 王良栋 徐初雄电焊工技术,机械工业出版社北京 ,2001。 2 , 李荣恩译 长输管道焊接安装工程手册,石油工业出版 社北京 ,1991。 3 , 石油建设安装工程预算定额第五册 , 长距离输送管道工 程上册。 收稿日期20032072 16 编辑吕 彦 3 国家重大基础研究规划资助项目G2000026309。 33200030 ,上海市徐汇区华山路1954号上海交通大学制冷与低温工程研究所;电话02162932601。 14 G AO Songzhu , WANG Yuchun et al Application of Hybrid Genetic Algorithm in Optimal Operation of Oil Pipeline , OGST, 2004 , 23 7 34～37. The paper presents a hybrid genetic algorithm which marries simulated annealing with genetic algo2 rithms , then applies it to optimal operation of oil pipeline and makes primary research. Combing an exam2 ple , the paper analysis and compares several different algorithms. And the result shows the hybrid genetic algorithm that the paper presented possesses fast searching speed , easy to converge and stronger optimize robustness. The example shows that the power cost that the hybrid genetic algorithm acquired is 3. 58 , less than that of dynamic program acquired , so the hybrid genetic algorithm is valid and practical. Subject Headings oil pipeline , optimal operation , hybrid genetic algorithm , application ZHANG Zhenyong Welding Consumable Calculation for Oil and Gas Pipeline Design , OGST, 2004 , 23 7 38～41. Three main welding s of pipeline are introduced. The analysis and study on welding consum2 able calculation are made for different welding s and some modified welding consumable calculation ulas are put forward. Through comparison of the calculation results with the engineering practice , the calculation results are fitted well. Subject Headings; oil pipeline , welding consumable , calculation EXPERIMENT RESEARCH WANG Xuesheng , WANGRuzhu et al Applied Research of Solar Energyfor Heating Crude Oil of Trans2 portation , OGST, 2004 , 23 7 41～45. The crude oil is usually heated and insulated to keep better flowability during the transportation be2 cause the flowabilityof crude oil with high solidification point and viscosity value is worse at ambient tem2 perature. Utilization of solar energy instead of general energy for heating fuel oil can decrease a deal of energy consumption. According to the process conditions and operating characteristic of crude oil , a solar energy system for oilfield is designed. It consists of solar collector array , heat exchanger , hot water stor2 age tanks and control system. In this system , through a heat exchanger the crude oil is heated indirectly by hot water , which is provided from solar energy collectors. Under the condition of radiant intensity of solar energy in this region , the system can provide hot water for 6 to 8 hours per day , and the tempera2 ture of heated crude oil is increased by 25 to 30. It is expected that the natural gas consumption can be decreased up to 9104 m3 annually. Subject Headings solar energy , crude oil heating , oil transportation , applied study XU Ruliang , HAN Zixing et al Research on Settling Regularity of Crude Oil Storage and ation Mechanism of Oil Sludge , OGST, 2004 , 23 7 46～52.