COE中直徑直縫雙面埋弧焊管的研制與生產(chǎn)

趙春友

（遼陽星德大型鋼管廠，遼寧 遼陽 111000）

“十二五”期間，國家能源建設(shè)將快速發(fā)展。長輸石油天然氣管線鋼管向中大直徑、薄/厚壁、中高壓、高強度、高韌性趨勢發(fā)展，這將帶動鋼管產(chǎn)業(yè)技術(shù)裝備升級，產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高［1-5］。隨著我國油氣管網(wǎng)建設(shè)逐漸遍布全國各地，面對鋼管市場對中直徑直縫雙面埋弧焊管需求的增加，2000年遼陽星德大型鋼管廠（簡稱遼陽星德）集多年制管生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，借鑒國內(nèi)外高新技術(shù)，自主創(chuàng)新研發(fā)了一條COE（Cing-Oing-Expansion，C成型—O成型—擴(kuò)徑）中直徑直縫雙面埋弧焊管（簡稱COE直縫焊管）生產(chǎn)線（排輥成型）。在產(chǎn)銷供不應(yīng)求的情況下，2010年遼陽星德又投資新建了一條COE直縫焊管生產(chǎn)線（FFX柔性成型）。幾年來，遼陽星德的COE直縫焊管生產(chǎn)技術(shù)與裝備不斷創(chuàng)新改造，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定且安全可靠，達(dá)到GB/T 9711—2011《石油天然氣工業(yè) 管線輸送系統(tǒng)用鋼管》PSL2等級［6］，API Spec 5L—2007《管線鋼管規(guī)范》（44版）PSL2等級的規(guī)定［7］。其鋼管規(guī)格為：直徑219～711 mm，壁厚5～22 mm，材質(zhì)B～X80，年產(chǎn)量40萬t。本文將重點介紹該產(chǎn)品的研制與生產(chǎn)情況。

1 COE直縫焊管的研制

研制COE直縫焊管的核心技術(shù)是管體成型和雙面埋弧焊接。總體設(shè)計思路是采用HFW（高頻焊）機組的排輥成型或FFX柔性成型方式，用于解決管體由C成型逐漸變O成型；由于高頻電阻焊管的管體合口在上方，無法實現(xiàn)內(nèi)焊埋弧焊接，因此實現(xiàn)這一過程的關(guān)鍵是將HFW機組設(shè)備反裝（排輥裝置和立輥裝置的上輥變下輥，下輥變上輥），從而實現(xiàn)讓管體焊縫合口垂直向下，且在管底水平面上，確保鋼管內(nèi)焊在平面上進(jìn)行焊接。

管體成型原理：鋼帶經(jīng)過多步整體彎曲成型，每次彎曲到接近管體曲率半徑，從邊部向鋼帶中心彎曲；通過多道輥壓逐漸從C形變成O形，在這個過程中管體變形較充分，且應(yīng)力得到釋放。由于變形量分配合理，使開口管筒側(cè)面的曲率接近成品焊管。這種合理的分配變形量，使管體合口好，成型穩(wěn)定，內(nèi)應(yīng)力小。經(jīng)成品管做回彈檢驗，其開口尺寸值是40～50 mm。例如，Φ426 mm×6.3 mm及Φ323.9 mm×5.6 mm等中直徑薄壁焊管生產(chǎn)時，實現(xiàn)了焊縫邊緣不起褶不錯邊，管體焊縫平滑過渡，焊接質(zhì)量高。同時鋼帶在多次反向加載情況下，使變形應(yīng)力處在彈性極限，屈服強度降低。這種包申格效應(yīng)能夠降低鋼帶屈服強度30～50 MPa，使屈強比≤0.88。在鋼帶成型過程中鋼管邊成型邊完成內(nèi)焊。內(nèi)焊是一次焊接完成，其焊接條件好，埋弧焊是在無灰塵、無雜質(zhì)、無氧化鐵皮情況下的管底平面上進(jìn)行，從而滿足了生產(chǎn)Φ219 mm、Φ273 mm、Φ323.9 mm、Φ355.6 mm等中直徑鋼管的焊接技術(shù)要求，確保產(chǎn)品內(nèi)焊焊接質(zhì)量達(dá)到GB/T 9711—2011標(biāo)準(zhǔn)PSL2等級的規(guī)定。

2 COE直縫焊管生產(chǎn)工藝流程及裝備配置

COE直縫焊管的生產(chǎn)工藝流程如下：鋼帶通過成型器逐漸成型為管體，管坯在生產(chǎn)線上通過連續(xù)埋弧焊進(jìn)行內(nèi)焊，定尺切管，下生產(chǎn)線通過埋弧焊進(jìn)行外焊，再經(jīng)射線探傷、定徑、矯直、冷擴(kuò)徑后進(jìn)行各項檢驗，最后將合格成品入庫。COE直縫焊管成型裝備布置及變形過程如圖1～2所示［8］。

圖1 COE直縫焊管成型裝備布置示意

圖2 COE直縫焊管變形過程示意

（1）為了使焊管不間斷生產(chǎn)，采用了接板飛焊車技術(shù)，以保證接板不停車。由通用設(shè)備中的開卷機、三輥/五輥矯平機、圓盤剪、剪板機、接板機、板材探傷機、電動立輥等組成接板飛焊車［9］。例如，Φ711 mm焊管需用板寬2 210 mm的板卷，國內(nèi)鋼帶生產(chǎn)廠家只有南京某廠能夠生產(chǎn)（爐卷軋機），但其價格比其他廠家的板卷每噸高500元人民幣。因此用中板在飛焊車上實現(xiàn)對接，才能降低成本。但每12 m對接一次，生產(chǎn)較為麻煩。

（2）用二輥式遞送機將鋼帶送入FFX成型器。該系統(tǒng)具有連續(xù)預(yù)彎邊技術(shù)，利用水平輥和立輥的成型特點，使管體斷面鋼帶無變形死區(qū)，有效克服了鋼帶厚薄及強度大小變化而使變形不充分產(chǎn)生的彈性回復(fù)現(xiàn)象，使經(jīng)滾壓后板邊曲率符合鋼管管徑曲率，并能做到孔徑自動調(diào)整、手動調(diào)整及快速切換調(diào)整，從而提高了粗成型的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，實現(xiàn)管體邊部完全塑性變形，并完成C成型。在經(jīng)過URD精成型器萬能機架滾壓，鋼帶邊部的兩個側(cè)面基本達(dá)到平行。由于精成型變形量小，能有效消除焊縫“噘嘴”現(xiàn)象并防止焊縫錯邊，管體成型合口后完成O成型。

（3）鋼管在線進(jìn)行內(nèi)焊，采用的是雙絲或多絲串列埋弧焊。

（4）焊好內(nèi)焊的鋼管定尺后在生產(chǎn)線上用切管機將鋼管切斷。

（5）外焊采用雙絲或多絲埋弧焊接，通過光電系統(tǒng)自動跟蹤，使內(nèi)外焊縫重合精度高，外焊縫余高不超過2.5 mm。

（6）焊完的鋼管經(jīng)輥道進(jìn)入X射線室，全焊道探傷信息做到自動存儲、刻盤保存；并在管端抓拍3張X射線照片，鋼管檢驗后自動劃出缺陷，在有修補處加拍X射線照片，以確保焊接缺陷的排除與控制。

（7）探傷合格的鋼管經(jīng)輥道進(jìn)入定徑、矯直機組，讓管體微變形，消除鋼管內(nèi)應(yīng)力，使鋼管直度控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，并使定徑后鋼管的外觀形狀及幾何尺寸優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求。

（8）經(jīng)過定徑、矯直的鋼管無論是管徑、橢圓度、直度還是內(nèi)應(yīng)力都符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但有些用戶要求鋼管需進(jìn)行機械冷擴(kuò)徑，因此設(shè)置了2臺機械式冷擴(kuò)徑機，對鋼管做全管體冷擴(kuò)徑。這套裝備能夠保證鋼管繼續(xù)消除內(nèi)應(yīng)力，對鋼管的直徑、橢圓度和直度公差進(jìn)行進(jìn)一步的控制，使其不但在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍之內(nèi)，而且尺寸更精確。

（9）按文獻(xiàn)［10］的原理，將鋼管送入18 MN（1 800 t）水壓試驗機進(jìn)行100%水壓試驗后，自動記錄和存儲試驗壓力及穩(wěn)壓時間。對水壓試驗合格的鋼管進(jìn)行機械平頭后再全部通過64通道超聲波探傷，最后進(jìn)行稱重測長噴標(biāo)入庫。

3 COE直縫焊管理化試驗及分析

現(xiàn)以供給中國石油天然氣股份有限公司錦州石化分公司的 Φ457 mm×12 mm和 Φ323.9 mm×10 mm COE直縫焊管（各50 km）為例，在生產(chǎn)過程中按照標(biāo)準(zhǔn)要求提取了幾組試驗數(shù)據(jù)，并進(jìn)行各種參數(shù)的綜合分析。

3.1 化學(xué)成分

這批鋼管原料材質(zhì)為L415管線鋼，厚度為12 mm。按爐按批次檢驗，鋼管母材與焊縫的化學(xué)成分見表1。從表1看出：與母材相比，焊縫的P含量略有升高，S含量升高明顯，但其總體成分仍符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 COE直縫焊管母材與焊縫的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

3.2 金相組織

L415材質(zhì)COE直縫焊管母材和焊縫的顯微組織如圖3所示。從圖3看出：母材組織晶粒均勻，焊縫組織晶粒比較均勻，韌性好。

圖3 COE直縫焊管母材和焊縫的顯微組織

3.3 力學(xué)性能

在制管前后，分別在鋼帶及其所制鋼管的對應(yīng)位置截取橫向拉伸試樣、夏比沖擊試樣和落錘撕裂（DWTT）試樣。鋼帶橫向拉伸試樣從鋼帶寬度1/2處截取，采用全壁厚矩形試樣，試樣標(biāo)距長為50 mm，標(biāo)距內(nèi)寬為38.1 mm。鋼管橫向拉伸試樣從距焊縫180°處截取，拉伸試樣為平板矩形試樣。試驗結(jié)果見表2。從表2看出：制管后屈服強度Rt0.5降低10~20 MPa，制管后抗拉強度Rm上升5~10 MPa，屈服比Rt0.5/Rm下降0.03~0.04。

表2 COE直縫焊管用鋼帶及所制鋼管的橫向拉伸試驗結(jié)果

鋼帶橫向夏比V型缺口沖擊試樣從鋼帶寬度1/4處截取，鋼管橫向夏比V型缺口沖擊試樣從距焊縫90°處截??；試樣尺寸均為10 mm×10 mm×55 mm；V型缺口垂直于鋼帶/鋼管表面；試驗溫度分別為鋼帶0℃、鋼管-20℃；試驗結(jié)果見表3。從表3看出：制管后L415鋼的夏比沖擊韌性整體有所降低，降低的最大均值為52 J。夏比沖擊韌性下降主要是由于加工硬化所致。

表3 COE直縫焊管用鋼帶及所制鋼管的母材沖擊試驗結(jié)果 J

對所制鋼管焊縫在不同溫度下的沖擊韌性進(jìn)行試驗。選取2支鋼管的焊縫試樣，試驗溫度分別為20℃、0℃、-10℃、-20℃、-40℃和-60℃；試驗結(jié)果見表4。從表4看出：試驗結(jié)果數(shù)據(jù)比較均勻，且遠(yuǎn)高于技術(shù)條件對在-20℃下全尺寸試樣（10 mm×10 mm×55 mm）的沖擊韌性要求（單個值45 J，平均值60 J）；此外，還表明溫度對試驗結(jié)果有明顯的影響。

表4 COE直縫焊管焊縫沖擊試驗結(jié)果

鋼帶DWTT試樣從鋼帶寬度1/4處截取，鋼管DWTT試樣從距焊縫90°處截取；試樣尺寸均為300 mm×75 mm×12 mm；試驗溫度分別為0℃和-5℃。試驗表明：溫度對DWTT試驗結(jié)果無明顯的影響；由于試驗溫差較小，因此制管前后鋼帶、鋼管的DWTT剪切面積無明顯變化。

3.4 殘余應(yīng)力

選取2支鋼管，在矯直前后分別截取不小于200 mm長的管段各2個，在距焊縫100 mm位置平行于焊縫切開管段，矯直前的張開距離分別為85 mm和90 mm，矯直后的張開距離分別為65 mm和72 mm，矯直后的成品管張開量均小于技術(shù)條件中的要求（≤80 mm）。試驗結(jié)果表明：定徑、矯直對焊管內(nèi)應(yīng)力的消除有明顯作用。

4 COE直縫焊管的應(yīng)用

遼陽星德的COE直縫焊管從小批量生產(chǎn)到大批量上市，產(chǎn)品已在長慶油田、大慶油田、遼河油田、華北油田、冀東油田、大港油田、勝利油田、吉林石化、大慶石化、撫順石化、錦州石化等國家重點工程項目上大量使用，并受到用戶的好評。2007年為內(nèi)蒙古西部天然氣集團(tuán)公司提供L245鋼級、Φ219 mm×6 mm規(guī)格的COE直縫焊管200 t，用于改造包頭市的局部增壓管網(wǎng)；2009年為中國石油天然氣集團(tuán)公司管道局提供L360MB鋼級、Φ323.9 mm×12 mm規(guī)格COE直縫焊管200 t，用于油氣管線穿越錢塘江江底工程；2010年為美國殼牌公司提供X70鋼級、Φ610 mm×10 mm規(guī)格COE直縫焊管2 000 t，用于建設(shè)長慶油田蘇里格集輸天然氣管網(wǎng)；同時，產(chǎn)品還出口到伊朗、羅馬尼亞、伊拉克、孟加拉、蘇丹、緬甸等國。

5 結(jié) 語

遼陽星德生產(chǎn)的COE直縫焊管，經(jīng)有關(guān)專家鑒定和中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院（原西安管材研究所）等國內(nèi)權(quán)威機構(gòu)檢測，產(chǎn)品質(zhì)量滿足GB/T 9711—2011標(biāo)準(zhǔn)PSL2等級要求，并每年通過美國API學(xué)會的檢驗鑒定，符合API Spec 5L—2007標(biāo)準(zhǔn)PSL2等級要求。該產(chǎn)品能滿足長輸油氣管線需求，適用于翻山越嶺，穿越海底、江底、鐵路、公路等用管，更適合用于制作各種角度彎管。在三四類地區(qū)和人口稠密地區(qū)的民生工程中使用更為安全。該COE直縫焊管生產(chǎn)線也可以生產(chǎn)低合金直縫雙面埋弧焊管，經(jīng)正火和回火處理，用于化工廠和煉油廠建設(shè)工藝管線，以及用于建環(huán)城中高壓儲氣管網(wǎng)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的儲氣罐。

COE直縫焊管生產(chǎn)技術(shù)與裝備具有自主知識產(chǎn)權(quán)，企業(yè)自行研發(fā)并自己加工制造，使中小直徑直縫埋弧焊管實現(xiàn)國產(chǎn)化，已獲得多項國家頒發(fā)的技術(shù)發(fā)明和實用新型專利證書［11-12］。COE直縫焊管因其管體成型好、焊縫焊接質(zhì)量佳、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，可替代Φ508 mm以下HFW焊管，也可替代部分無縫鋼管和螺旋縫埋弧焊管。由此可見，COE直縫焊管用途廣泛，具有較好的發(fā)展前景。

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