??? 介紹了巨龍鋼管有限公司大口徑JCOE直縫埋弧焊管生產(chǎn)線研發(fā)情況,以及該生產(chǎn)線生產(chǎn)的直縫埋弧焊管在西氣東輸工程等重大管線中的使用效果;提出了21世紀中國建
設大口徑直縫埋弧焊鋼管生產(chǎn)線及管線鋼用寬厚板國產(chǎn)化的必要性。
引 言
??? 21世紀是我國輸氣管道建設的高峰期。石油和天然氣作為一種主要能源在國家的經(jīng)濟建設中發(fā)揮著越來越重要的作用。隨著石油天然氣需求量的不斷增加,管道的輸送壓力不斷增加,管線鋼管向著大口徑、厚壁和高強度方向發(fā)展已成趨勢。 西氣東輸 和 陜京二線 天然氣輸送管線工程就標志著我國采用大口徑、厚壁、高壓輸送管的
新起點。
??? 為了實現(xiàn)西氣東輸工程用大口徑直縫埋弧焊鋼管的國產(chǎn)化,巨龍鋼管有限公司建成了國內(nèi)第一條JCOE大口徑直縫埋弧焊管生產(chǎn)線,并于2002年6月向西氣東輸工程提供了國內(nèi)第一批合格的國產(chǎn)JCOE、X70鋼級的大口徑( 1016mm)直縫埋弧焊鋼管。填補了我國生產(chǎn)大口徑、厚壁、高韌性油氣長輸管道用直縫埋弧焊鋼管的空白。
1 JCOE直縫埋弧焊鋼管生產(chǎn)線的研發(fā)
1.1 主要性能指標
???? 巨龍鋼管有限公司JCOE直縫埋弧焊(以下簡稱LSAW)鋼管生產(chǎn)線主要性能指標:直徑為406.4~1422.2mm,壁厚為6.4~32mm, 鋼級為A25~X80的鋼管,年生產(chǎn)能力20萬t左右。
???? 巨龍鋼管有限公司JCOE直縫埋弧焊鋼管生產(chǎn)線總體方案設計經(jīng)過8年調(diào)研、對比分析,在德國和日本專家指導下確定。其中關(guān)鍵設備的主機從德國引進,進口主機的配套設備和其他主要設備由巨龍鋼管有限公司和國內(nèi)專業(yè)制造廠家采用德國技術(shù)聯(lián)合研制。單機采用計算機程序自動控制,電氣采用西門子元件,液壓采用力士樂元件。 1.2 JCOE直縫埋弧焊鋼管生產(chǎn)線主要流程
生產(chǎn)線主要流程簡單介紹如下:
(1)鋼板進入生產(chǎn)線后,首先進行全板超聲波檢驗,對生產(chǎn)鋼管的原料質(zhì)量進行嚴格把關(guān)。
(2)采用全自動、高速浮動式銑邊機,對鋼板兩縱向邊進行雙面銑削,使之達到加工要求。該銑邊機具有鋼板自動對中功能,銑頭具有浮動仿形跟蹤功能,可根據(jù)鋼板的平度情況自動調(diào)整銑高強度和頭位置,保證鋼板兩邊具有同樣坡口形狀和尺寸。
(3)預彎邊機將板邊預先彎制到合適的曲率,保證焊縫區(qū)域的幾何外形,并為下道成型工序做準備。該預彎邊機屬于全自動的液壓預彎機。模具圓弧及過渡段形狀的科學設計,使板邊在預彎過程中始終處在一個純彎曲變形的過程中,在厚板加工時不產(chǎn)生壓延,較輥式彎邊機優(yōu)越,為隨后的成型、焊接和擴徑等工序打下了良好的基礎(chǔ)。 (4)采用JCO成型法,所用模具少,更換規(guī)格時間短,技術(shù)較成熟。
(5)預焊機對開口鋼管進行快速合縫預焊, 為保證內(nèi)、外多絲埋弧焊接的質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。預焊機采用了德國技術(shù),由國內(nèi)聯(lián)合研制的八排壓輥合縫機和德國U&S公司的連續(xù)式氣體保護焊及激光跟蹤設備組成。
??? 采用德國技術(shù),由國內(nèi)聯(lián)合研制的橫移 車在橫向輸送鋼管中,消除了輸送過程中的劃傷 及碰傷問題,橫移車與焊接車配套使用縮短了焊 接準備時間。
??? 八排壓輥使成型后的鋼管能迅速準確的合縫對中,可有效消除錯邊。預焊方式為焊縫全長連續(xù)預焊工藝,同時預焊采用了大功率連續(xù)式活性氣體保護電弧焊(MAG)及激光跟蹤設備,保證了預焊的質(zhì)量,為內(nèi)焊和外焊打下了良好的基礎(chǔ)。
(6)內(nèi)焊采用縱列四絲埋弧焊,在鋼管內(nèi)側(cè)進行焊接,其特點是:生產(chǎn)率高;氣孔及夾渣率低,裂紋傾向小;接頭力學性能好;焊縫幾何形狀易控制。LSAW鋼管生產(chǎn)線的內(nèi)焊主機從德國U&S公司引進。采用德國技術(shù)，由國內(nèi)聯(lián)符合研制橫移車在橫向輸送鋼管中，消除了輸送過程中的劃傷及碰傷問題，橫移車與焊接車配套使用縮短了焊接準備時間。
(7)外焊采用縱列四絲埋弧焊,外焊主機從德國U&S公司引進,接地極等配套設備由國內(nèi)聯(lián)合研制。
(8)超聲波探傷 對內(nèi)外焊縫及焊縫兩側(cè)母材進行百分之百的UT自動探傷。機型為國內(nèi)聯(lián)合研制的擴徑、水壓試驗前UT自動探傷機。
(9)X射線探傷 對內(nèi)外焊縫進行百分之百的X射線工業(yè)電視探傷,采用圖像處理系統(tǒng)以保證探傷的靈敏度。該設備由國內(nèi)聯(lián)合研制開發(fā), 進口了主要關(guān)鍵件。
(10)鋼管一次整體機械擴徑機,可對LSAW 鋼管全長進行擴徑、整圓、矯直,以提高鋼管幾何尺寸精度,并可改善鋼管內(nèi)應力的分布狀態(tài)。
(11)水壓試驗對擴徑后的鋼管進行逐根水壓試驗。由國內(nèi)聯(lián)合研制的2800t水壓機,具有自動記錄和儲存試驗壓力和時間的功能,柱式增壓器在短時間內(nèi)提高管內(nèi)水壓,保證鋼管質(zhì)量達到要求。
(12)由國內(nèi)聯(lián)合研制的倒棱機對鋼管進行管端坡口加工,以保證鋼管現(xiàn)場對接焊接質(zhì)量。
(13)超聲波探傷 再次逐根對焊縫及兩側(cè)母材進行UT探傷,以確保在擴徑、水壓后的鋼管質(zhì)量。德國KD公司的水柱式UT自動探傷機,其特點是非接觸式水柱耦合良好,探傷可靠,探傷盲區(qū)小。
(14)X射線探傷 對擴徑和水壓試驗后的鋼管進行管端焊縫拍片,確保出廠鋼管質(zhì)量。該設備由國內(nèi)聯(lián)合研制,進口了主要關(guān)鍵件。
(15)管端UT探傷以確保鋼管質(zhì)量。
1.3 JCOE直縫埋弧焊鋼管生產(chǎn)線方案總體設計
????首先是成型方法的確定,目前國際上生產(chǎn)LSAW鋼管主要有以下幾種成型方法: UO成型法、JCO成型法和RB成型法。其中,UO法生產(chǎn)效率高,但設備價格昂貴,投資規(guī)模大;RB輥彎成型法投資少、產(chǎn)量適中,市場適應性強,但由于設備特性限制,產(chǎn)品規(guī)格范圍較窄,不能生產(chǎn)管徑較小、厚壁和高鋼級的鋼管;JCO成型法是漸進式多步模壓成型,鋼板由數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)理想的圓形,鋼板各部位變形均勻,沒有明顯的應力集中,殘余應力小、分布均勻。鋼板在成型至擴徑過程中始終試驗。受拉伸,沒有UO成型時鋼板所受的壓縮- 拉伸的反向受力過程,包辛格效應小,鋼板的強度得到充分利用,模具小,在受力狀態(tài)下,鋼管表面不會劃傷,模具與鋼板的相對運動距離小,成型過程的氧化皮脫落少,容易清潔,對焊接質(zhì)量影響小,成型過程中不需要UO成型的潤滑和之后的清洗、烘干。綜合分析比較各種LSAW鋼管成型工藝方法的特點,我們最終決定采用JCO成型法。
???? 巨龍鋼管有限公司JCOE直縫埋弧焊鋼管生產(chǎn)線與現(xiàn)代國際先進的UOE直縫埋弧焊鋼管生產(chǎn)線的區(qū)別為:成型方式分別為漸進式JCO成型和兩次UO成型;內(nèi)外焊生產(chǎn)線數(shù)量差一倍;擴徑機數(shù)量差一倍;即生產(chǎn)效率差一倍,其他完全相同。巨龍鋼管有限公司JCOE直縫埋弧焊鋼管生產(chǎn)線在硬件設備和軟件工藝技術(shù)等方面具備了國際先進、國內(nèi)領(lǐng)先水平,且充分考慮了中國的國情,即石油天然氣輸送管道混合使用直縫和螺旋縫埋弧焊鋼管,其生產(chǎn)規(guī)模適中,較全線引進國際先進的UOE和JCOE生產(chǎn)線,分別節(jié)省投資14億元和3億元,具有良好的適應性和經(jīng)濟性。
2 關(guān)鍵制管技術(shù)
2.1 板邊加工技術(shù)
??? 早期的LSAW鋼管機組采用氣割,后來改進為刨邊工藝。但是鋼板不平,且在運輸過程中容易形成 死彎 ,而刨邊機的刨刀不能隨著板邊浮動,造成板邊坡口的不均勻缺肉 ,焊接時容易燒穿和未焊透,影響焊縫質(zhì)量。巨龍鋼管有限公司采用了浮動式銑邊機,銑削加工精度高,而且銑刀可隨板邊自由浮動,保證了坡口的均勻性,從而保證了焊接質(zhì)量。
2.2 預彎邊技術(shù)
??? 早期的LSAW鋼管機組沒有配置預彎邊機,后來改進為多頭式點焊后來逐漸采用了輥式預彎機。輥式預彎工藝對高強度厚板的板邊預彎效果不理想,容易造成板邊的縱向延伸,而對薄板的波浪又缺乏矯平能力。巨龍鋼管有限公司采用了壓力式預彎機。采用一臺數(shù)千噸的壓力機,通過模具對鋼板邊緣進行步進式預彎。這種工藝可以得到十分理想的板邊形狀,有效地防止焊縫周圍的 噘嘴 現(xiàn)象,防止擴徑時發(fā)生開裂。
2.3 成型技術(shù)
??? 采用漸進式JCO成型在國內(nèi)是第一次。這種成型過程是步進式預彎和管體數(shù)控折彎的有機結(jié)合,涉及折彎過程的數(shù)控和液壓伺服控制、橫梁的同步測量和控制、下梁的動態(tài)補償、進給機構(gòu)的步進控制等方面,工藝參數(shù)繁多,沒有先例可循,掌握其規(guī)律的難度很大。我們從小試樣模擬試驗開始,摸索成型規(guī)律,逐步逼近比較理想的成型效果。經(jīng)過近三個月的艱苦探索,基本掌握了成型規(guī)律。
2.4 連續(xù)預焊技術(shù)
??? 老式的LSAW鋼管機組沒有設置預焊機,在成型后直接進行內(nèi)焊機,由于沒有完全打底,內(nèi)焊時容易燒穿。如果為了防止燒穿而減少電流,又容易造成未焊透。在最新的有關(guān)海洋、低溫和酸性條件用管標準 ISO3183-3和GB9711.3中,已明確提出不允許采用斷續(xù)點焊。巨龍鋼管有限公司采用了激光跟蹤的大功率粗絲混合氣體保護焊,焊接電流可高達2000A,焊接速度可高達7m/min,實現(xiàn) 了連續(xù)預焊,為后續(xù)的精焊創(chuàng)造了最佳的焊接條件。
2.5 四絲串列埋弧焊技術(shù)
??? 老式的LSAW鋼管機組只采用單絲或雙絲埋弧焊,由于現(xiàn)代的高壓輸氣管線對鋼管的焊接提出了十分苛刻的要求,既要有高的生產(chǎn)效率,又要滿足焊縫和熱影響區(qū)的強度、硬度和沖擊韌性要求,還要求焊縫與母材的過渡良好,無咬邊,焊縫余高小等等,采用單絲或雙絲焊接很難全面滿足這些要求。因此,巨龍鋼管有限公司采用了四絲串列埋弧焊,同時采用激光跟蹤和焊接參數(shù)自動控制技術(shù),通過多絲參數(shù)的控制,能夠全面滿足大壁厚、高韌性鋼管的焊接要求。
??? 粗絲高速混合氣體保護連續(xù)預焊,四絲串列埋弧焊進行內(nèi)外精焊在國內(nèi)都是空白,需要進行大量的試驗研究。我們分別在鋼板、擴徑前后的鋼管上進行了混合氣體保護焊、四絲串列埋弧焊的焊接試驗。每一步都進行嚴格的檢驗、分析和反復調(diào)整,最終通過焊接工藝評定,獲得了實用的焊接技術(shù)。并且實現(xiàn)了焊材國產(chǎn)化,減少成本上
千萬元。
??? 在試生產(chǎn)中,我們又進行反復試驗、研究和調(diào)整,解決了焊縫和熱影響區(qū)夏比沖擊韌性、焊縫內(nèi)部夾雜、內(nèi)焊縫硬度偏高和焊縫形狀調(diào)整等問題, 在國內(nèi)第一次采用粗絲高速混合氣體保護焊和四絲自動串列埋弧焊,批量焊接出X70鋼級高強度、大壁厚、高韌性的西氣東輸用鋼管,焊縫的內(nèi) 靠,保證了鋼管的出廠質(zhì)量。
???? 在和外觀質(zhì)量都達到了西氣東輸標準要求。而且在大口徑、高強度、高韌性鋼管焊接技術(shù)方面達到了國際先進水平,-20 焊縫的夏比吸收功抽樣分析結(jié)果為100~225J,平均值達到168J。
2.6 機械擴徑技術(shù)
???? 鋼管擴徑分機械擴經(jīng)和水壓擴徑兩種,機械擴徑比水壓擴徑有如下優(yōu)點:
(1)水壓擴徑后鋼管的外徑取決于模具內(nèi)徑,鋼管壁厚偏差造成鋼管內(nèi)徑的偏差。一般管線尤其是海洋管線要求以鋼管內(nèi)徑為基準,內(nèi)徑一致有利于環(huán)焊對接,而采用機械擴徑正好可以滿足以內(nèi)徑為準要求；
(2)機械擴徑的效果便于直接測量,鋼管的最終尺寸可通過調(diào)節(jié)拉桿行程精確調(diào)整。而水壓擴徑的效果只能在擴徑后測量,無法調(diào)整;
(3)水壓擴徑時,在模具內(nèi)對鋼管加壓,焊縫與模具內(nèi)壁接觸,容易造成近焊縫區(qū)的不均勻變形,機械擴徑時模具上開有凹槽,可以避免與焊縫接觸;
(4)機械擴徑同時對鋼管焊接后的彎曲進行多步矯直,作用明顯。
在最新的有關(guān)海洋、低溫和酸性條件用管標準ISO3183和GB9711的條款中,已明確提出直縫埋弧(LSAW)鋼管應采用機械方法冷擴徑因此,巨龍鋼管有限公司采用了整管機械擴徑機。
我們首先進行了較大擴徑量的擴徑試驗,摸索機械擴徑前后鋼管直徑、圓度、直度、厚度和長度的變化規(guī)律,以及鋼管母材的硬度、強度和屈強比的變化趨勢,初步總結(jié)出機械擴徑的規(guī)律。
經(jīng)過機械擴徑的鋼管在管端尺寸精度上顯示出良好的特性,尺寸精確,圓度好,鈍邊均勻,達到的精度超過了西氣東輸鋼管標準要求,為現(xiàn)場焊接提供了良好的條件,受到施工隊伍的歡迎。
2.7 無損探傷和理化實驗技術(shù)
???? 巨龍鋼管有限公司選用的現(xiàn)代最先進的超聲波探傷-高壓水柱耦合方式對鋼管母材和焊縫進行無損檢測,可以保證探頭與管體通過水柱在非直接接觸狀態(tài)下實現(xiàn)良好的耦合,探頭不會磨損,探傷穩(wěn)定性好,靈敏度高。微電子化的軟件處理系統(tǒng)對缺陷的識別,消除了誤報和漏報現(xiàn)象。先 進的理化實驗設備儀器確保了測試數(shù)據(jù)準確可靠，保證了鋼管的出廠質(zhì)量。
??? 在高強度、大厚度鋼板和鋼管的強度和韌性檢測方面也發(fā)現(xiàn)了許多新問題,如拉伸試樣的取樣切割方法、試樣的壓平和制備、試驗的操作方法,DWTT試驗的評價等,在駐廠監(jiān)理和有關(guān)專家的指導和幫助下,逐步得到解決,不僅保證了西氣東輸鋼管質(zhì)量,而且在高強度管線鋼的檢驗方面也探索出許多經(jīng)驗,對今后的工作有很大的指導意義。
2.8 計算機自動控制系統(tǒng)對質(zhì)量的控制和保證微電子技術(shù)的進步確保了LSAW鋼管質(zhì)量的穩(wěn)定可靠。巨龍鋼管有限公司JCOE直縫埋弧焊鋼管生產(chǎn)線單機采用了計算機自動控制系統(tǒng),即將確定的最佳工藝參數(shù)輸入計算機自動控制系統(tǒng),機器就會按照計算機的指令工作,避免了人為因素對鋼管質(zhì)量的影響,確保了LSAW鋼管質(zhì)量穩(wěn)定可靠。
3 應用效果
(1) 經(jīng)有關(guān)專家鑒定,巨龍鋼管有限公司JCOE直縫埋弧焊鋼管生產(chǎn)線采用了國際上LSAW鋼管制造和檢驗的最新成果,工藝和裝備配置合理,設備自動化水平高,性能可靠,處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。
(2)環(huán)境保護措施得到中國環(huán)境檢測總站認可。
(3)生產(chǎn)的直縫埋弧焊鋼管滿足Q/SYXQ15西氣東輸管道工程用直縫埋弧焊管技術(shù)條件及APISpec5L和ISO3183標準要求。與世界頂尖制管企業(yè)如:歐洲鋼管、日本的住友金屬、新日鐵和JFE的鋼管實物質(zhì)量相當,已經(jīng)達到世界先進水平。西氣東輸過程中沒有發(fā)生任何質(zhì)量問題,質(zhì)量達到國際同類產(chǎn)品的實物水平。榮獲西氣東輸2003年優(yōu)勝制管廠 榮譽稱號。大口徑LSAW鋼管國產(chǎn)化的成功,填補了國內(nèi)空白,不僅平抑了國外進口的大口徑LSAW鋼管的價格,而且滿足了西氣東輸工程的特殊需求。如西氣東輸管線投產(chǎn)急需的站場用管,工期緊,數(shù)量少(有的規(guī)格只有一根),向國外訂貨根本不可能,由于我國自己能 夠生產(chǎn),使站場用管問題得到圓滿解決。
該項目的圓滿成功,使巨龍鋼管有限公司成為西氣東輸工程首家國內(nèi)直縫埋弧焊管供應單
4 結(jié)語
???? 由于管線鋼寬厚板的國產(chǎn)化程度滯后于鋼管的國產(chǎn)化,使LSAW鋼管國產(chǎn)化受到一定程度的制約,希望鋼廠能夠加快國產(chǎn)化的步伐,提高國產(chǎn)化鋼管采用國內(nèi)管線鋼寬厚板的比例。
???? 對如高韌性管線鋼厚板DWTT試驗的評價方法等新出現(xiàn)的技術(shù)問題,組織進行深入的研究,提出我國自己的解決方法和判據(jù),提高我國在世界管道界的地位。
???? 進一步開發(fā)國產(chǎn)高韌性焊絲和高速焊劑。
???? 在項目實施的關(guān)鍵時刻,各級領(lǐng)導都親臨檢查指導,給了我們極大的鼓舞、信任和支持,在我們遇到難題時,許多專家給了我們很多寶貴的指導,兄弟單位給了我們很大的幫助,對此我們表示衷心的感謝。