介绍了巨龙钢管有限公司大口径JCOE直缝埋弧焊管生产线研发情况,以及该生产线生产的直缝埋弧焊管在西气东输工程等重大管线中的使用效果;提出了21世纪中国建
设大口径直缝埋弧焊钢管生产线及管线钢用宽厚板国产化的必要性。
引 言
    21世纪是我国输气管道建设的高峰期。石油和天然气作为一种主要能源在国家的经济建设中发挥着越来越重要的作用。随着石油天然气需求量的不断增加,管道的输送压力不断增加,管线钢管向着大口径、厚壁和高强度方向发展已成趋势。 西气东输 和 陕京二线 天然气输送管线工程就标志着我国采用大口径、厚壁、高压输送管的
新起点。
    为了实现西气东输工程用大口径直缝埋弧焊钢管的国产化,巨龙钢管有限公司建成了国内第一条JCOE大口径直缝埋弧焊管生产线,并于2002年6月向西气东输工程提供了国内第一批合格的国产JCOE、X70钢级的大口径( 1016mm)直缝埋弧焊钢管。填补了我国生产大口径、厚壁、高韧性油气长输管道用直缝埋弧焊钢管的空白。
1 JCOE直缝埋弧焊钢管生产线的研发
1.1 主要性能指标
     巨龙钢管有限公司JCOE直缝埋弧焊(以下简称LSAW)钢管生产线主要性能指标:直径为406.4~1422.2mm,壁厚为6.4~32mm, 钢级为A25~X80的钢管,年生产能力20万t左右。
     巨龙钢管有限公司JCOE直缝埋弧焊钢管生产线总体方案设计经过8年调研、对比分析,在德国和日本专家指导下确定。其中关键设备的主机从德国引进,进口主机的配套设备和其他主要设备由巨龙钢管有限公司和国内专业制造厂家采用德国技术联合研制。单机采用计算机程序自动控制,电气采用西门子元件,液压采用力士乐元件。 1.2 JCOE直缝埋弧焊钢管生产线主要流程
生产线主要流程简单介绍如下:
(1)钢板进入生产线后,首先进行全板超声波检验,对生产钢管的原料质量进行严格把关。
(2)采用全自动、高速浮动式铣边机,对钢板两纵向边进行双面铣削,使之达到加工要求。该铣边机具有钢板自动对中功能,铣头具有浮动仿形跟踪功能,可根据钢板的平度情况自动调整铣高强度和头位置,保证钢板两边具有同样坡口形状和尺寸。
(3)预弯边机将板边预先弯制到合适的曲率,保证焊缝区域的几何外形,并为下道成型工序做准备。该预弯边机属于全自动的液压预弯机。模具圆弧及过渡段形状的科学设计,使板边在预弯过程中始终处在一个纯弯曲变形的过程中,在厚板加工时不产生压延,较辊式弯边机优越,为随后的成型、焊接和扩径等工序打下了良好的基础。 (4)采用JCO成型法,所用模具少,更换规格时间短,技术较成熟。
(5)预焊机对开口钢管进行快速合缝预焊, 为保证内、外多丝埋弧焊接的质量奠定基础。预焊机采用了德国技术,由国内联合研制的八排压辊合缝机和德国U&S公司的连续式气体保护焊及激光跟踪设备组成。
    采用德国技术,由国内联合研制的横移 车在横向输送钢管中,消除了输送过程中的划伤 及碰伤问题,横移车与焊接车配套使用缩短了焊 接准备时间。
    八排压辊使成型后的钢管能迅速准确的合缝对中,可有效消除错边。预焊方式为焊缝全长连续预焊工艺,同时预焊采用了大功率连续式活性气体保护电弧焊(MAG)及激光跟踪设备,保证了预焊的质量,为内焊和外焊打下了良好的基础。
(6)内焊采用纵列四丝埋弧焊,在钢管内侧进行焊接,其特点是:生产率高;气孔及夹渣率低,裂纹倾向小;接头力学性能好;焊缝几何形状易控制。LSAW钢管生产线的内焊主机从德国U&S公司引进。采用德国技术，由国内联符合研制横移车在横向输送钢管中，消除了输送过程中的划伤及碰伤问题，横移车与焊接车配套使用缩短了焊接准备时间。
(7)外焊采用纵列四丝埋弧焊,外焊主机从德国U&S公司引进,接地极等配套设备由国内联合研制。
(8)超声波探伤 对内外焊缝及焊缝两侧母材进行百分之百的UT自动探伤。机型为国内联合研制的扩径、水压试验前UT自动探伤机。
(9)X射线探伤 对内外焊缝进行百分之百的X射线工业电视探伤,采用图像处理系统以保证探伤的灵敏度。该设备由国内联合研制开发, 进口了主要关键件。
(10)钢管一次整体机械扩径机,可对LSAW 钢管全长进行扩径、整圆、矫直,以提高钢管几何尺寸精度,并可改善钢管内应力的分布状态。
(11)水压试验对扩径后的钢管进行逐根水压试验。由国内联合研制的2800t水压机,具有自动记录和储存试验压力和时间的功能,柱式增压器在短时间内提高管内水压,保证钢管质量达到要求。
(12)由国内联合研制的倒棱机对钢管进行管端坡口加工,以保证钢管现场对接焊接质量。
(13)超声波探伤 再次逐根对焊缝及两侧母材进行UT探伤,以确保在扩径、水压后的钢管质量。德国KD公司的水柱式UT自动探伤机,其特点是非接触式水柱耦合良好,探伤可靠,探伤盲区小。
(14)X射线探伤 对扩径和水压试验后的钢管进行管端焊缝拍片,确保出厂钢管质量。该设备由国内联合研制,进口了主要关键件。
(15)管端UT探伤以确保钢管质量。
1.3 JCOE直缝埋弧焊钢管生产线方案总体设计
    首先是成型方法的确定,目前国际上生产LSAW钢管主要有以下几种成型方法: UO成型法、JCO成型法和RB成型法。其中,UO法生产效率高,但设备价格昂贵,投资规模大;RB辊弯成型法投资少、产量适中,市场适应性强,但由于设备特性限制,产品规格范围较窄,不能生产管径较小、厚壁和高钢级的钢管;JCO成型法是渐进式多步模压成型,钢板由数控系统实现理想的圆形,钢板各部位变形均匀,没有明显的应力集中,残余应力小、分布均匀。钢板在成型至扩径过程中始终试验。受拉伸,没有UO成型时钢板所受的压缩- 拉伸的反向受力过程,包辛格效应小,钢板的强度得到充分利用,模具小,在受力状态下,钢管表面不会划伤,模具与钢板的相对运动距离小,成型过程的氧化皮脱落少,容易清洁,对焊接质量影响小,成型过程中不需要UO成型的润滑和之后的清洗、烘干。综合分析比较各种LSAW钢管成型工艺方法的特点,九游会客户端最终决定采用JCO成型法。
     巨龙钢管有限公司JCOE直缝埋弧焊钢管生产线与现代国际先进的UOE直缝埋弧焊钢管生产线的区别为:成型方式分别为渐进式JCO成型和两次UO成型;内外焊生产线数量差一倍;扩径机数量差一倍;即生产效率差一倍,其他完全相同。巨龙钢管有限公司JCOE直缝埋弧焊钢管生产线在硬件设备和软件工艺技术等方面具备了国际先进、国内领先水平,且充分考虑了中国的国情,即石油天然气输送管道混合使用直缝和螺旋缝埋弧焊钢管,其生产规模适中,较全线引进国际先进的UOE和JCOE生产线,分别节省投资14亿元和3亿元,具有良好的适应性和经济性。
2 关键制管技术
2.1 板边加工技术
    早期的LSAW钢管机组采用气割,后来改进为刨边工艺。但是钢板不平,且在运输过程中容易形成 死弯 ,而刨边机的刨刀不能随着板边浮动,造成板边坡口的不均匀缺肉 ,焊接时容易烧穿和未焊透,影响焊缝质量。巨龙钢管有限公司采用了浮动式铣边机,铣削加工精度高,而且铣刀可随板边自由浮动,保证了坡口的均匀性,从而保证了焊接质量。
2.2 预弯边技术
    早期的LSAW钢管机组没有配置预弯边机,后来改进为多头式点焊后来逐渐采用了辊式预弯机。辊式预弯工艺对高强度厚板的板边预弯效果不理想,容易造成板边的纵向延伸,而对薄板的波浪又缺乏矫平能力。巨龙钢管有限公司采用了压力式预弯机。采用一台数千吨的压力机,通过模具对钢板边缘进行步进式预弯。这种工艺可以得到十分理想的板边形状,有效地防止焊缝周围的 噘嘴 现象,防止扩径时发生开裂。
2.3 成型技术
    采用渐进式JCO成型在国内是第一次。这种成型过程是步进式预弯和管体数控折弯的有机结合,涉及折弯过程的数控和液压伺服控制、横梁的同步测量和控制、下梁的动态补偿、进给机构的步进控制等方面,工艺参数繁多,没有先例可循,掌握其规律的难度很大。九游会客户端从小试样模拟试验开始,摸索成型规律,逐步逼近比较理想的成型效果。经过近三个月的艰苦探索,基本掌握了成型规律。
2.4 连续预焊技术
    老式的LSAW钢管机组没有设置预焊机,在成型后直接进行内焊机,由于没有完全打底,内焊时容易烧穿。如果为了防止烧穿而减少电流,又容易造成未焊透。在最新的有关海洋、低温和酸性条件用管标准 ISO3183-3和GB9711.3中,已明确提出不允许采用断续点焊。巨龙钢管有限公司采用了激光跟踪的大功率粗丝混合气体保护焊,焊接电流可高达2000A,焊接速度可高达7m/min,实现 了连续预焊,为后续的精焊创造了最佳的焊接条件。
2.5 四丝串列埋弧焊技术
    老式的LSAW钢管机组只采用单丝或双丝埋弧焊,由于现代的高压输气管线对钢管的焊接提出了十分苛刻的要求,既要有高的生产效率,又要满足焊缝和热影响区的强度、硬度和冲击韧性要求,还要求焊缝与母材的过渡良好,无咬边,焊缝余高小等等,采用单丝或双丝焊接很难全面满足这些要求。因此,巨龙钢管有限公司采用了四丝串列埋弧焊,同时采用激光跟踪和焊接参数自动控制技术,通过多丝参数的控制,能够全面满足大壁厚、高韧性钢管的焊接要求。
    粗丝高速混合气体保护连续预焊,四丝串列埋弧焊进行内外精焊在国内都是空白,需要进行大量的试验研究。九游会客户端分别在钢板、扩径前后的钢管上进行了混合气体保护焊、四丝串列埋弧焊的焊接试验。每一步都进行严格的检验、分析和反复调整,最终通过焊接工艺评定,获得了实用的焊接技术。并且实现了焊材国产化,减少成本上
千万元。
    在试生产中,九游会客户端又进行反复试验、研究和调整,解决了焊缝和热影响区夏比冲击韧性、焊缝内部夹杂、内焊缝硬度偏高和焊缝形状调整等问题, 在国内第一次采用粗丝高速混合气体保护焊和四丝自动串列埋弧焊,批量焊接出X70钢级高强度、大壁厚、高韧性的西气东输用钢管,焊缝的内 靠,保证了钢管的出厂质量。
     在和外观质量都达到了西气东输标准要求。而且在大口径、高强度、高韧性钢管焊接技术方面达到了国际先进水平,-20 焊缝的夏比吸收功抽样分析结果为100~225J,平均值达到168J。
2.6 机械扩径技术
     钢管扩径分机械扩经和水压扩径两种,机械扩径比水压扩径有如下优点:
(1)水压扩径后钢管的外径取决于模具内径,钢管壁厚偏差造成钢管内径的偏差。一般管线尤其是海洋管线要求以钢管内径为基准,内径一致有利于环焊对接,而采用机械扩径正好可以满足以内径为准要求；
(2)机械扩径的效果便于直接测量,钢管的最终尺寸可通过调节拉杆行程精确调整。而水压扩径的效果只能在扩径后测量,无法调整;
(3)水压扩径时,在模具内对钢管加压,焊缝与模具内壁接触,容易造成近焊缝区的不均匀变形,机械扩径时模具上开有凹槽,可以避免与焊缝接触;
(4)机械扩径同时对钢管焊接后的弯曲进行多步矫直,作用明显。
在最新的有关海洋、低温和酸性条件用管标准ISO3183和GB9711的条款中,已明确提出直缝埋弧(LSAW)钢管应采用机械方法冷扩径因此,巨龙钢管有限公司采用了整管机械扩径机。
九游会客户端首先进行了较大扩径量的扩径试验,摸索机械扩径前后钢管直径、圆度、直度、厚度和长度的变化规律,以及钢管母材的硬度、强度和屈强比的变化趋势,初步总结出机械扩径的规律。
经过机械扩径的钢管在管端尺寸精度上显示出良好的特性,尺寸精确,圆度好,钝边均匀,达到的精度超过了西气东输钢管标准要求,为现场焊接提供了良好的条件,受到施工队伍的欢迎。
2.7 无损探伤和理化实验技术
     巨龙钢管有限公司选用的现代最先进的超声波探伤-高压水柱耦合方式对钢管母材和焊缝进行无损检测,可以保证探头与管体通过水柱在非直接接触状态下实现良好的耦合,探头不会磨损,探伤稳定性好,灵敏度高。微电子化的软件处理系统对缺陷的识别,消除了误报和漏报现象。先 进的理化实验设备仪器确保了测试数据准确可靠，保证了钢管的出厂质量。
    在高强度、大厚度钢板和钢管的强度和韧性检测方面也发现了许多新问题,如拉伸试样的取样切割方法、试样的压平和制备、试验的操作方法,DWTT试验的评价等,在驻厂监理和有关专家的指导和帮助下,逐步得到解决,不仅保证了西气东输钢管质量,而且在高强度管线钢的检验方面也探索出许多经验,对今后的工作有很大的指导意义。
2.8 计算机自动控制系统对质量的控制和保证微电子技术的进步确保了LSAW钢管质量的稳定可靠。巨龙钢管有限公司JCOE直缝埋弧焊钢管生产线单机采用了计算机自动控制系统,即将确定的最佳工艺参数输入计算机自动控制系统,机器就会按照计算机的指令工作,避免了人为因素对钢管质量的影响,确保了LSAW钢管质量稳定可靠。
3 应用效果
(1) 经有关专家鉴定,巨龙钢管有限公司JCOE直缝埋弧焊钢管生产线采用了国际上LSAW钢管制造和检验的最新成果,工艺和装备配置合理,设备自动化水平高,性能可靠,处于国内领先水平。
(2)环境保护措施得到中国环境检测总站认可。
(3)生产的直缝埋弧焊钢管满足Q/SYXQ15西气东输管道工程用直缝埋弧焊管技术条件及APISpec5L和ISO3183标准要求。与世界顶尖制管企业如:欧洲钢管、日本的住友金属、新日铁和JFE的钢管实物质量相当,已经达到世界先进水平。西气东输过程中没有发生任何质量问题,质量达到国际同类产品的实物水平。荣获西气东输2003年优胜制管厂 荣誉称号。大口径LSAW钢管国产化的成功,填补了国内空白,不仅平抑了国外进口的大口径LSAW钢管的价格,而且满足了西气东输工程的特殊需求。如西气东输管线投产急需的站场用管,工期紧,数量少(有的规格只有一根),向国外订货根本不可能,由于我国自己能 够生产,使站场用管问题得到圆满解决。
该项目的圆满成功,使巨龙钢管有限公司成为西气东输工程首家国内直缝埋弧焊管供应单
4 结语
     由于管线钢宽厚板的国产化程度滞后于钢管的国产化,使LSAW钢管国产化受到一定程度的制约,希望钢厂能够加快国产化的步伐,提高国产化钢管采用国内管线钢宽厚板的比例。
     对如高韧性管线钢厚板DWTT试验的评价方法等新出现的技术问题,组织进行深入的研究,提出我国自己的解决方法和判据,提高我国在世界管道界的地位。
     进一步开发国产高韧性焊丝和高速焊剂。
     在项目实施的关键时刻,各级领导都亲临检查指导,给了九游会客户端极大的鼓舞、信任和支持,在九游会客户端遇到难题时,许多专家给了九游会客户端很多宝贵的指导,兄弟单位给了九游会客户端很大的帮助,对此九游会客户端表示衷心的感谢。