焊管史話之二十二　高頻焊接鋼管生產(chǎn)工藝技術(shù)的成熟

高頻焊接技術(shù)起始于20世紀(jì)50年代，成熟于60—70年代，歷經(jīng)10多年的發(fā)展，形成了完善的生產(chǎn)工藝，奠定了現(xiàn)代高頻焊管生產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)。自70年代后至今，在成型、焊接、探傷等多方面的技術(shù)雖均有發(fā)展和突破，但高頻焊管生產(chǎn)基本工藝并無(wú)大的變化。

1　高頻焊管生產(chǎn)工藝技術(shù)的發(fā)展

歷經(jīng)10多年發(fā)展，直到20世紀(jì)60年代末、70年代初，高頻焊管生產(chǎn)技術(shù)奠定了現(xiàn)代工藝基礎(chǔ)。

首先成型技術(shù)得到顯著改進(jìn)，產(chǎn)品范圍向厚壁管和薄壁管均有擴(kuò)展，形成了定型的中小直徑焊管輥式成型技術(shù)。

焊機(jī)功率提高到700 kW，提高了焊接速度，并實(shí)現(xiàn)了厚壁管的焊接。而焊接輸入功率自動(dòng)控制技術(shù)的出現(xiàn)，提高了焊縫質(zhì)量及其穩(wěn)定性，開(kāi)始工業(yè)性生產(chǎn)低合金焊管。

高頻焊管誕生之初，焊接質(zhì)量的檢查和評(píng)定一直由肉眼人工檢查。進(jìn)入20世紀(jì)60年代，出現(xiàn)了各種焊縫無(wú)損檢測(cè)技術(shù)和裝置，諸如旋轉(zhuǎn)超聲探傷、焊縫跟蹤超聲探傷、渦流探傷、電磁探傷等。配置了這些焊縫無(wú)損檢測(cè)裝置的生產(chǎn)線可以更好地保證焊管質(zhì)量的可靠性。內(nèi)毛刺去除技術(shù)也得到了完善，毛刺去除后鋼管內(nèi)表面質(zhì)量可以通過(guò)無(wú)損檢測(cè)，進(jìn)一步增加了焊管附加值。

多級(jí)頻率（180 Hz/360 Hz）焊接取代低頻焊接（60 Hz）后，焊接速度提高到了40～60 m/min。高頻焊接技術(shù)應(yīng)用后，在很多情況下焊接速度已經(jīng)不再是生產(chǎn)速度的瓶頸，生產(chǎn)速度主要受制于其他因素。這又大大促進(jìn)了自動(dòng)開(kāi)卷、自動(dòng)切頭對(duì)焊、自動(dòng)化活套和高速飛鋸技術(shù)的發(fā)展，呈現(xiàn)了高頻焊管生產(chǎn)技術(shù)的快速發(fā)展期，形成了現(xiàn)代焊管機(jī)組的基本設(shè)備組成。在此相互促進(jìn)下，高頻焊管生產(chǎn)速度得到迅速提高，小直徑機(jī)組生產(chǎn)速度甚至高達(dá)200 m/min。

以活套技術(shù)為例，可以看到這一高頻焊管生產(chǎn)技術(shù)快速發(fā)展期的軌跡。在低頻焊接年代，焊接速度不高，鋼管壁厚偏薄，中小直徑機(jī)組多采用地坑式或籠式活套，大中直徑機(jī)組經(jīng)常沒(méi)有活套。1969年，美國(guó)Armco鋼鐵公司首次開(kāi)發(fā)出了立式螺旋活套，后Kent公司購(gòu)買了專利授權(quán)，經(jīng)技術(shù)改進(jìn)推廣到了全世界。之后美國(guó)和歐洲其他公司也開(kāi)發(fā)出了類似活套，使得螺旋活套成為了中小直徑高頻焊管機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)配置。直到今天，雖然主要采用水平螺旋活套，并出現(xiàn)了不同的技術(shù)風(fēng)格，但儲(chǔ)存鋼帶的基本原理與當(dāng)時(shí)的立式活套并無(wú)差異。

美國(guó)為高頻焊管生產(chǎn)技術(shù)的最初發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)，其中著名的公司有Yoder公司、Thermatool公司、MacKay公司、Abbey Aetna公司以及Kent公司等。同期或略微滯后一些，歐洲一些國(guó)家也在完善高頻管生產(chǎn)工藝、開(kāi)發(fā)生產(chǎn)裝備方面取得了業(yè)績(jī)，如德國(guó)著名的MEER公司于1961年完成了其首條高頻焊管生產(chǎn)線的建設(shè)。日本在從美國(guó)和歐洲引進(jìn)高頻焊管技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)消化引進(jìn)和自主創(chuàng)新，到70年代后一躍成為高頻焊管生產(chǎn)大國(guó)和技術(shù)領(lǐng)先國(guó)家，其經(jīng)驗(yàn)值得我們借鑒。

20世紀(jì)60年代末、70年代初，高頻焊管生產(chǎn)工藝基本定型，形成了現(xiàn)代工藝：自動(dòng)開(kāi)卷—自動(dòng)切頭對(duì)焊—螺旋活套—成型—焊接—去除內(nèi)外毛刺—焊縫探傷—定徑—定尺飛鋸切斷。盡管后來(lái)在成型技術(shù)、飛鋸、探傷技術(shù)等方面均有突破性進(jìn)步，但基本的工藝原理沿用至今。

2　大直徑高頻焊管生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展

大直徑電阻焊管機(jī)組指20 in（508 mm）以上機(jī)組。20世紀(jì)50年代末、60年代初，在美國(guó)、歐洲和日本，改造擴(kuò)建或新建了一批大直徑機(jī)組。Yoder公司當(dāng)時(shí)是大直徑高頻焊管機(jī)組的先行者和領(lǐng)先設(shè)備供應(yīng)商，后MacKay公司和Abbey Aetna公司也加入了其行列，均有大機(jī)組的供貨業(yè)績(jī)。德國(guó)的MEER公司于1960年首次提供一條20 in（508 mm）機(jī)組設(shè)備。

最早的大中直徑電阻焊管成型法誕生于美國(guó)的籠式成型（也稱為排輥成型）技術(shù)，首先由Torrance機(jī)械工程公司開(kāi)發(fā)應(yīng)用，同期Yoder公司也推出了類似的籠式成型技術(shù)。該成型技術(shù)采用一系列密布的小直徑排輥，將鋼帶逐步成型，減少了鋼帶邊緣的拉伸和翹曲波浪，非常適合16 in（406 mm）以上中大直徑電阻焊管生產(chǎn)，與傳統(tǒng)的輥式成型技術(shù)相比，存在如下優(yōu)點(diǎn)：①通過(guò)密布的小直徑排輥，采取圓孔型系統(tǒng)和“下山”成型法，使得成型過(guò)程更加穩(wěn)定均勻，可以實(shí)現(xiàn)中大直徑薄壁管的成型；②擴(kuò)大了軋輥共用范圍，減少了換輥次數(shù)和調(diào)整時(shí)間；③軋輥投資降低，并隨著鋼管直徑和所生產(chǎn)鋼管規(guī)格數(shù)量的增加效果更明顯。

Torrance公司的籠式成型專利發(fā)布于1968年，其特點(diǎn)是非常強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)性，僅設(shè)置一個(gè)初成型機(jī)架，在該機(jī)架和精成型機(jī)架間均布置排輥，這樣可以大大節(jié)約投資。Torrance公司甚至開(kāi)發(fā)出了鋼管外徑達(dá)48 in（1 219 mm）的超大焊管機(jī)組，并以很低的價(jià)格贏得了世界范圍的訂單。如日本的住友金屬和富士機(jī)分別從Torrance公司引進(jìn)了48 in（1 219 mm）焊管機(jī)組，但富士機(jī)沒(méi)有投產(chǎn)就轉(zhuǎn)賣給了墨西哥。

實(shí)際上Yoder公司開(kāi)發(fā)籠式成型技術(shù)比Torrance公司還早2～3年，但只是把傳統(tǒng)輥式成型機(jī)組中初成型部分的立輥和介于初成型和精成型之間的立輥群改為了排輥，并沒(méi)有減少初成型機(jī)架，因此不能象Torrance機(jī)組那樣降低制造成本。但從另一方面看，Yoder的系統(tǒng)更適合厚壁管的成型。Yoder公司之后進(jìn)行了改進(jìn)，在初成型機(jī)架前增設(shè)了彎邊機(jī)架，減少了初成型機(jī)架，并通過(guò)軋輥共用減少了初成型軋輥，機(jī)組布置更加緊湊，在不降低變形強(qiáng)度下減少了成本，形成了后來(lái)籠式成型技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)配置。

Yoder成型技術(shù)的最主要特點(diǎn)是其調(diào)整的簡(jiǎn)單方便，巧妙地運(yùn)用了圓孔型的幾何特點(diǎn)，使生產(chǎn)不同規(guī)格時(shí)排輥和彎邊機(jī)架的調(diào)整簡(jiǎn)化為線性調(diào)整，這在計(jì)算機(jī)控制技術(shù)沒(méi)有應(yīng)用前顯得至關(guān)重要，可以大大減少軋輥調(diào)整設(shè)定的時(shí)間，并容易為操作人員掌握。

正是Yoder的籠式成型技術(shù)，奠定了現(xiàn)代排輥成型技術(shù)的基礎(chǔ)。之后隨著成型系統(tǒng)自動(dòng)控制和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，其他公司也開(kāi)發(fā)出了新的排輥技術(shù)并得到世界范圍內(nèi)的應(yīng)用。

20世紀(jì)70—80年代，世界上陸續(xù)建設(shè)了一批采用單卷生產(chǎn)的大直徑高頻焊管機(jī)組，如川崎制鐵的26 in（660 mm）機(jī)組以及新日鐵的24 in（610 mm）機(jī)組。一直到近10年，以中國(guó)為主又建設(shè)了一批連續(xù)生產(chǎn)的大直徑高頻焊管機(jī)組。

3　高頻焊管品種和市場(chǎng)的發(fā)展

電阻焊管誕生之初，以低成本迅速占領(lǐng)了水煤氣管和大部分結(jié)構(gòu)鋼管市場(chǎng)。自20世紀(jì)50年代進(jìn)入高頻焊接時(shí)期后，經(jīng)過(guò)10多年發(fā)展，在60—70年代形成了成熟的工藝技術(shù)，高頻焊管質(zhì)量有了顯著提高和保證，開(kāi)始得到更廣泛的應(yīng)用，成功進(jìn)入了油井管、電站鍋爐管等傳統(tǒng)無(wú)縫鋼管市場(chǎng)領(lǐng)域。

起始于60年代的板帶生產(chǎn)連鑄坯技術(shù)顯著降低了焊管生產(chǎn)成本。70年代板帶生產(chǎn)冶煉技術(shù)又取得了突破，新的底吹轉(zhuǎn)爐冶煉工藝實(shí)現(xiàn)了高鋼質(zhì)、低成本生產(chǎn)，在提升焊管質(zhì)量的同時(shí)進(jìn)一步降低了成本。這些均促進(jìn)了焊管生產(chǎn)技術(shù)、品種和市場(chǎng)的發(fā)展。

1973年第一次石油危機(jī)爆發(fā)，隨后引發(fā)了世界范圍的石油開(kāi)采熱潮，促進(jìn)了OCTG和管線管的需求。由于當(dāng)時(shí)無(wú)縫鋼管生產(chǎn)能力不足以應(yīng)對(duì)突起的需求，給高頻焊管提供了強(qiáng)勢(shì)介入的歷史機(jī)遇。起初焊管僅提供如H40，X42及X46等低鋼級(jí)鋼管作為無(wú)縫鋼管的補(bǔ)充。之后隨著焊管裝備技術(shù)的進(jìn)步，開(kāi)始向無(wú)縫鋼管一樣全面進(jìn)入石油用管領(lǐng)域，當(dāng)時(shí)能提供X60，X65和部分X70管線管，以及J55，N80和L80油井管。甚至有些公司開(kāi)發(fā)了高強(qiáng)鎳-釩OCTG焊管、抗腐蝕油管和低溫（-60°C）應(yīng)用焊管，形成了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

最后出現(xiàn)了配置完善的高度自動(dòng)化的專業(yè)化能源用焊管機(jī)組，并與無(wú)縫鋼管生產(chǎn)線一樣，配置有先進(jìn)的管加工生產(chǎn)線和熱處理生產(chǎn)線。焊管機(jī)組則配置有焊接輸入功率自動(dòng)控制系統(tǒng)、在線焊縫熱處理裝置、可靠的探傷設(shè)備、厚壁管成型系統(tǒng)、最大1 300 kW的大功率高頻焊機(jī)等，代表了當(dāng)時(shí)焊管技術(shù)的最高水平。

面對(duì)70年代的世界經(jīng)濟(jì)危機(jī)，并不是所有焊管企業(yè)都抓到了這個(gè)歷史機(jī)會(huì)，而僅是技術(shù)領(lǐng)先的少數(shù)企業(yè)在機(jī)遇面前獲得了發(fā)展。大部分焊管企業(yè)由于缺乏生產(chǎn)石油用管的能力和技術(shù)，只能生產(chǎn)一般流體管和結(jié)構(gòu)管，面對(duì)不斷攀升的能源價(jià)格和萎縮的市場(chǎng)，許多機(jī)組被迫停機(jī)。大部分曾于50—60年代風(fēng)靡一時(shí)的焊管+張力減徑機(jī)組由于缺乏競(jìng)爭(zhēng)力而停產(chǎn)。

隨著石油開(kāi)采熱潮的減退，意味著焊管市場(chǎng)黃金年代的結(jié)束，從賣方市場(chǎng)逐步進(jìn)入了充滿競(jìng)爭(zhēng)的買方市場(chǎng)。而也正是這樣的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境，宣告了焊管市場(chǎng)從追求產(chǎn)量向重視質(zhì)量的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而促進(jìn)了焊管生產(chǎn)技術(shù)多元化的發(fā)展。自此世界范圍內(nèi)進(jìn)入了相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期的焊管均衡發(fā)展期，直到20世紀(jì)80—90年代后，崛起的中國(guó)打破了整個(gè)平衡，中國(guó)焊管制造業(yè)異軍突起，成為焊管制造業(yè)新的世界中心。