在運(yùn)輸業(yè)高度發(fā)達(dá)的今天，管道運(yùn)輸已經(jīng)成為現(xiàn)代運(yùn)輸體系(公路、鐵路、海運(yùn)、航空、管道運(yùn)輸)的一個(gè)重要組成部分，作為現(xiàn)代管線工業(yè)技術(shù)進(jìn)步的重要標(biāo)志，大口徑、高輸送壓力、長(zhǎng)距離輸送已經(jīng)成為管線工業(yè)發(fā)展的總趨勢(shì)。在此形勢(shì)下，我國(guó)在近幾年進(jìn)行了大規(guī)模的大口徑制管機(jī)組改造和引進(jìn)，這為高等級(jí)、高品質(zhì)的管線用管的生產(chǎn)提供了一定的基礎(chǔ)。
對(duì)常輸管線鋼管來(lái)說(shuō)，焊接工藝非常關(guān)鍵。從生產(chǎn)工藝上來(lái)分，焊接鋼管主要分為電阻焊管ERW(Electric Resistance Welding)、螺旋埋弧焊管SSAW(Spirally Submerged Arc Welding)和直縫雙面埋弧焊管LSAW(Longitudinally Submerged Arc Welding)。雖然近10年來(lái)ERW發(fā)展很快，但仍然屬于中小口徑的焊管，例如日本的ERWΦ610、Φ660生產(chǎn)線、我國(guó)大慶建成的ERWΦ660 生產(chǎn)線。在一定時(shí)期內(nèi)，適應(yīng)當(dāng)前發(fā)展的大口徑焊管仍然要由SSAW和LSAW工藝所生產(chǎn)。
螺旋埋弧焊管存在工藝缺陷
螺旋焊管一般是以熱軋鋼帶卷作管坯，經(jīng)螺旋成型，采用高頻電阻焊法或埋弧焊接成型。該工藝能用較窄的坯料生產(chǎn)管徑較大的焊管，還可以用同樣寬度的坯料生產(chǎn)管徑不同的焊管。成型工藝所示。
在上世紀(jì)五六十年代，螺旋焊管在油氣管道輸送中占據(jù)統(tǒng)治地位，但從七八十年代開(kāi)始，螺旋焊管受到大口徑UOE焊管和中小口徑ERW焊管的嚴(yán)重挑戰(zhàn)。目前，在國(guó)外輸送管線建設(shè)中，從總體上講，大口徑(Φ508mm ~610mm 以上)直縫埋弧焊管基本上取代了螺旋焊管，特別是海洋用管和輸氣用管。在國(guó)際高壓管線工程建設(shè)方面，都明確限定應(yīng)用直縫焊管建造高壓輸送天然氣管線和水下管線。
螺旋焊管在油、氣輸送中之所以受到挑戰(zhàn)，是由于其工藝本身存在無(wú)法克服的缺陷。主要表現(xiàn)在：
焊縫長(zhǎng)度比直縫焊管焊縫長(zhǎng)增加30%~100%。焊管的缺陷主要在焊縫上，焊縫長(zhǎng)就意味著可靠性差，并且成型與焊接同時(shí)進(jìn)行，焊縫缺陷幾率明顯偏高，焊縫質(zhì)量不易保證。
螺旋焊管生產(chǎn)線普遍不具有擴(kuò)徑工序，無(wú)法降低成型和焊接殘余應(yīng)力，致使焊管內(nèi)部具有較大的殘余應(yīng)力，其殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力(可達(dá)200Mpa ~300Mpa)，而焊管受內(nèi)壓后，管壁亦產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力，二者疊加，使焊管承壓能力減弱。并且殘余拉應(yīng)力，特別是焊縫位置殘余拉應(yīng)力的存在也大大降低了焊管抗應(yīng)力腐蝕的能力，在酸性油氣輸送管線中必須嚴(yán)格限制殘余拉應(yīng)力。
螺旋焊管在曲面上進(jìn)行焊接，焊縫形狀欠佳，內(nèi)焊縫的馬鞍形和外焊縫的脊背形難以克服，應(yīng)力集中難以避免。
螺旋焊管焊縫熱影響區(qū)大，且硬度高，韌性和抗應(yīng)力腐蝕能力下降。
雖然俄羅斯、加拿大允許螺旋焊管用于油氣輸送管線，但有嚴(yán)格的技術(shù)條件和強(qiáng)化無(wú)損檢測(cè)。在我國(guó)，螺旋焊管輸送管線技術(shù)已達(dá)到很高水平，但由于螺旋焊管的上述不足，在重要交通樞紐、地質(zhì)條件復(fù)雜、人口稠密地區(qū)以及海洋方面，仍然要用直縫埋弧焊管。管道工業(yè)的發(fā)展對(duì)管線的可靠性要求越來(lái)越高，螺旋焊管面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)。因此，我國(guó)在最近幾年加速了大口徑直縫埋弧焊管的建設(shè)。
直縫埋弧焊管工藝漸成主流
大口徑直縫埋弧焊管(LSAW)一般是以鋼板為原料，經(jīng)過(guò)不同的成型工藝，采用雙面埋弧焊接和焊后擴(kuò)徑等工序形成焊管。直縫埋弧焊管技術(shù)基本上克服了螺旋焊管技術(shù)的不足。直縫埋弧焊管生產(chǎn)工藝不管采用哪種生產(chǎn)方法，在鋼板準(zhǔn)備工序，如鋼板超聲波檢查、切邊、邊緣處理和成型后的管坯點(diǎn)焊、內(nèi)、外埋孤焊、超聲波探傷、擴(kuò)徑、水壓試管等工序基本上是大同小異，關(guān)鍵是成型工序不同。因此，根據(jù)成型工序，LSAW又可以具體分為輥彎成型工藝(RBE)、JCOE成型工藝、C成型工藝、連續(xù)扭轉(zhuǎn)成型工藝和 UOE成型工藝五種，其中JCOE和C成型法基本相同。排輥成型工藝(CFE)也可用于直縫埋弧焊鋼管的成型.但其主要用于電阻焊鋼管的成型。LSAW焊管的主要成型方式及機(jī)組特點(diǎn)所示。
下面簡(jiǎn)要介紹一下RBE輥彎成型工藝、JCOE成型工藝、連續(xù)扭轉(zhuǎn)成型工藝和UOE成型工藝。
RB輥彎成型工藝 RB(Roller Bending)輥彎成型法是一種比較傳統(tǒng)的成型工藝，如圖2所示。該成型法是將鋼板壓邊后(或者將壓邊放在輥彎成型后)，在三輥或四輥之間經(jīng)多次滾壓卷制成圓筒型，然后采用埋弧雙面焊接成型。如不采用脹管整形，則稱為RB焊管;如采用脹管整形，則稱為RBE焊管。由于脹管后改善了內(nèi)應(yīng)力分布和大小，此種方法生產(chǎn)出的焊管在使用性能和可靠性上均接近UOE焊管。該成型方式的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備小、重量輕、投資少、管徑范圍大、產(chǎn)量適中且生產(chǎn)靈活，對(duì)市場(chǎng)適應(yīng)性強(qiáng)，但也存在管筒開(kāi)口大、易錯(cuò)邊、不易控制等缺點(diǎn)。并且由于該成型法成型上輥中部無(wú)支撐，受其剛度的限制，對(duì)于高鋼級(jí)產(chǎn)品，往往出現(xiàn)中間寬，兩頭窄的現(xiàn)象，成型鋼管直徑不能小于508 mm(20 inch)。
JCOE成型工藝 JCOE成型法是臺(tái)灣遠(yuǎn)東機(jī)械工業(yè)股份有限公司在上世紀(jì)90年代初推出的一種焊管成型工藝。其生產(chǎn)過(guò)程是首先在水壓機(jī)上把已經(jīng)預(yù)彎邊的鋼板壓成J形，然后對(duì)另一邊進(jìn)行沖壓，使整塊鋼板成C形，再將C形壓成開(kāi)口的O形，后經(jīng)焊接和冷擴(kuò)徑(Expanding)等工序成型。JCOE法其產(chǎn)品質(zhì)量與UOE焊管接近，而生產(chǎn)線價(jià)格遠(yuǎn)低于UOE機(jī)組，但其生產(chǎn)效率較低，模壓成型和JCO成型后的管筒開(kāi)口較大，焊后宏觀整體應(yīng)力較大。在我國(guó)已有多家企業(yè)引進(jìn)JCOE大口徑直縫埋弧焊管機(jī)組，是國(guó)內(nèi)生產(chǎn)大口徑管線用管的主要制造方法。JCOE生產(chǎn)線板料彎曲成型工藝所示。
連續(xù)扭轉(zhuǎn)成型工藝 連續(xù)扭轉(zhuǎn)成型工藝采用芯棒扭轉(zhuǎn)成型，區(qū)別于其他直縫焊管成型工藝。連續(xù)扭轉(zhuǎn)成型生產(chǎn)線的扭轉(zhuǎn)成型工藝如圖4所示。其技術(shù)核心是用卷制法將平整的鋼板通過(guò)一個(gè)縱向夾鉗夾住及三輥卷板，加工成較長(zhǎng)節(jié)段的圓管筒。卷板成型機(jī)由三輥組成，上輥為成型輥，固定著縱向夾鉗，為主動(dòng)輥，其直徑大小需按生產(chǎn)規(guī)格而變換。下輥為兩個(gè)從動(dòng)輥，其直徑一定，位置固定，不隨生產(chǎn)鋼管規(guī)格而變動(dòng)，起著限位、固定、支撐等作用。該法生產(chǎn)率較高，投資較小。連續(xù)扭轉(zhuǎn)生產(chǎn)線由于本身具有更換規(guī)格快而簡(jiǎn)單，品種靈活，產(chǎn)品規(guī)格范圍大，可生產(chǎn)規(guī)格范圍內(nèi)的任意直徑尺寸的鋼管等特點(diǎn)，因而在大口徑直縫焊管生產(chǎn)方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。但在生產(chǎn)不同鋼管直徑和壁厚尺寸的組合時(shí)，需要很多成型芯輥，并且小直徑大長(zhǎng)度的焊管成型精度較差，防偏裝置接觸處的質(zhì)量要嚴(yán)加控制。由于是連續(xù)扭轉(zhuǎn)成型，成型內(nèi)應(yīng)力均勻，經(jīng)擴(kuò)徑后，殘余應(yīng)力分布要優(yōu)于步進(jìn)式JCOE壓彎成型法生產(chǎn)的焊管。
UOE成型工藝 UOE法是生產(chǎn)大口徑直縫焊管的主要方法。伴隨著石油天然氣工業(yè)的發(fā)展， UOE焊管生產(chǎn)方法發(fā)展很快。UOE法是以熱軋厚鋼板為原料，經(jīng)過(guò)刨邊、開(kāi)坡口和預(yù)彎邊等預(yù)處理工序后，依次進(jìn)入U(xiǎn)成型壓力機(jī)和O成型壓力機(jī)壓制成管筒，經(jīng)焊接后，對(duì)焊接管坯進(jìn)行擴(kuò)徑(E)等制造大口徑直縫焊管的一種工藝，其成型工藝原理如圖5所示。將預(yù)彎邊的鋼板在U壓力機(jī)的成型模內(nèi)壓成U型，然后在O 壓力機(jī)的成型模內(nèi)再壓成O型焊接成管后再整體擴(kuò)徑。UOE法是當(dāng)今國(guó)際上最先進(jìn)的成型方法之一，至今世界上已有這種成型焊管機(jī)組40多套，UOE法以生產(chǎn)效率高和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定著稱。UOE制管法的O成型壓力機(jī)噸位由上世紀(jì)五十年代的18000噸發(fā)展到現(xiàn)在的60000噸。隨著壓力機(jī)噸位的提高，UOE焊管也向大口徑、大壁厚和高強(qiáng)度方向發(fā)展。近年來(lái)，我國(guó)也有數(shù)家企業(yè)引進(jìn)UOE生產(chǎn)線，研制出具有國(guó)際先進(jìn)水平的大口徑高剛級(jí)的管線用鋼管，滿足國(guó)內(nèi)管線建設(shè)的需要。
UOE成長(zhǎng)輸鋼管主要工藝 UOE焊管生產(chǎn)工序主要包括：
板邊加工：板邊加工一般用銑邊機(jī)或刨邊機(jī)，其目的是將鋼板加工成所需要的寬度，且根據(jù)焊接工藝要求，加工出一定形狀的坡口。
彎邊：彎邊是在彎邊機(jī)上實(shí)現(xiàn)的，彎邊機(jī)又稱為C壓力機(jī)。在O成型壓力機(jī)上成型時(shí)，一般在圓周方向用1%以下的壓縮量加工，但邊緣部分容易殘留有直線段，得不到良好的管型，因而在O成型前預(yù)先進(jìn)行彎邊。輥式彎邊機(jī)一般用于較薄鋼板的彎曲成型。壓力彎邊機(jī)適用于厚板的彎曲成型。后者根據(jù)成品管的外徑、壁厚和鋼級(jí)分別選擇模具和使用壓力，按鋼板的長(zhǎng)度，一塊鋼板一般需壓3次～5次。
U成型：經(jīng)過(guò)彎邊后的鋼板進(jìn)入下一工序，即U成型。鋼板首先在U成型機(jī)上定位后，鋼板在豎直壓模和模具的作用下，彎曲成U形斷面。
O成型：U形鋼板隨后送到O成型壓力機(jī)上，O成型壓力機(jī)上裝有兩個(gè)對(duì)開(kāi)的帶半柱面的壓模，將U形鋼板壓成O形。其加工過(guò)程是先將U形兩側(cè)彎曲，使其沿壓模變形為O型，再進(jìn)行壓縮和減徑等變形，并控制成型后的彈復(fù)程度。
焊接：在焊接開(kāi)始和結(jié)束時(shí)，焊接電流不穩(wěn)定等原因，易出現(xiàn)缺陷，故正式焊接前須兩端焊上相應(yīng)形狀的引弧板，然后在鋼管內(nèi)面和外面分別施以自動(dòng)埋弧焊。為提高焊接速度，多采用三絲電焊法，先內(nèi)焊后外焊。焊接以后，切去引弧板，并將管端約100 mm處的焊縫磨平，以利于鋼管的環(huán)向?qū)雍附印?/p>
擴(kuò)徑(Expanding)：擴(kuò)徑是通過(guò)擴(kuò)徑機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其作用為：矯正由焊接熱造成的鋼管變形，使鋼管的橢圓度和平直度達(dá)到要求的精度;消除由O型壓力機(jī)壓縮加工所產(chǎn)生的包申格效應(yīng)，增加鋼管的強(qiáng)度;減小焊接時(shí)造成的焊縫部位的殘余應(yīng)力和成型過(guò)程產(chǎn)生的成型殘余應(yīng)力。
在線質(zhì)量檢測(cè)是嚴(yán)格保證鋼管質(zhì)量，檢測(cè)是不可缺少的手段。質(zhì)量檢查貫穿于從原料到成品整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中。
隨著管線建設(shè)向著長(zhǎng)距離、高壓力方向發(fā)展，對(duì)管線用鋼管的要求越來(lái)越高，大口徑直縫焊接鋼管成為主要管線用管。大口徑直縫焊接鋼管制造工藝多種多樣，各有特點(diǎn)，根本區(qū)別在于成形方式不同，從成形質(zhì)量、效率、經(jīng)濟(jì)性和成形能力看，目前JCOE和UOE仍是長(zhǎng)輸管線用管的主要制造工藝。
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