X120M管線鋼管的JCOE制造技術(shù)

楊社民 編譯

（中國石油集團(tuán)東南亞管道有限公司，北京100028）

0 前 言

世界上大多數(shù)X120管線鋼管的制造都是通過UOE工藝進(jìn)行的[1]。而管線鋼管成型需要非常高的成型力，另外還需要新的成型模具。X120超高強(qiáng)度材質(zhì)管線管需要高成型力，因?yàn)閁成型和O成型工序必須在單次沖程中分別成型。因此，X120超高強(qiáng)度材質(zhì)管線鋼管通過JCOE工藝制造更方便，節(jié)省成本，以及需要有效的成型力的模具。JCO成型是在以較小成型力和較少模具的情況下，按所需的沖程數(shù)增量加壓成型高強(qiáng)度管線鋼管。在JCO成型過程中，通過控制每個(gè)沖程的深度，可以在一定程度上控制超高強(qiáng)度X120鋼級(jí)管線鋼管的回彈。要實(shí)現(xiàn)X120鋼級(jí)管線鋼管成型的所有工序，必須建立所需的模具以便獲得管線鋼管所需的形狀。

1 JCOE管線鋼管成型技術(shù)

管線鋼管的成型是通過一系列工序?qū)摪鍓褐瞥晒芘?，同時(shí)加工焊接坡口，然后將銑好的板邊沿鋼板的長度方向通過預(yù)彎/成型為如圖1所示的預(yù)彎邊尺寸，再通過JCO工序?qū)摪宄尚蜑楣芘鞯男螤?，?jīng)過縱向焊接成管線鋼管，最后通過機(jī)械擴(kuò)徑將鋼管變形到所需的直徑尺寸，如圖2所示。

圖1 預(yù)彎工藝示意圖

圖2 JCOE鋼管成型工藝示意圖

1.1 鋼板銑邊

鋼板銑邊機(jī)由直徑600 mm刀盤，48只40°布置的銑刀組成，用于將板邊銑到所需的寬度，同時(shí)獲得所需的焊接坡口幾何形狀。管線鋼管制造要求的焊接坡口幾何形狀為雙Y形，3個(gè)維度，即上坡口、下坡口和坡口鈍邊，如圖3所示。銑刀盤設(shè)計(jì)成刀片與下坡口、上坡口產(chǎn)生40°斜角以及與坡口鈍邊產(chǎn)生2°角，以便靈活獲得超高強(qiáng)度TMCP鋼板理想的下坡口、上坡口和坡口鈍邊。坡口鈍邊2°角就是為管線管預(yù)焊時(shí)獲得零間隙。預(yù)焊時(shí)坡口鈍邊根本不需要間隙，這樣就避免了最后的埋弧焊接過程中產(chǎn)生類似氣孔、夾渣的缺陷。

圖3 鋼管焊接接頭幾何形狀

1.2 鋼板預(yù)彎

鋼管JCOE制造工藝中，鋼板預(yù)彎邊工序非常關(guān)鍵。帶長焊縫管線鋼管的最終尺寸是通過控制鋼板預(yù)彎尺寸精度來保證的。不當(dāng)?shù)匿摪孱A(yù)彎將在機(jī)械擴(kuò)徑后造成板邊預(yù)彎區(qū)焊縫及平坦區(qū)的撅嘴（正的或負(fù)的峰值）。卷曲不足將產(chǎn)生正峰值，卷曲過量會(huì)產(chǎn)生負(fù)峰值。根據(jù)API SPEC 5L規(guī)范，機(jī)械擴(kuò)徑后這些缺陷限制最大為1.59 mm。從制造的角度，機(jī)械擴(kuò)徑機(jī)不能矯正超出一定限度的扁平塊和撅嘴，這樣管線管長焊縫的焊趾就有斷裂的可能。如果預(yù)彎邊產(chǎn)生的峰值超過標(biāo)準(zhǔn)要求，焊接后直接對(duì)焊縫進(jìn)行擴(kuò)徑是不可接受的。在機(jī)械擴(kuò)徑中，如果產(chǎn)生的峰值高，此時(shí)正峰值在焊趾（熔合線）里面產(chǎn)生裂紋，反之亦然。一般是通過設(shè)計(jì)相應(yīng)的鋼板預(yù)彎邊模具來控制鋼板預(yù)彎邊時(shí)本身的峰值的。

鋼板預(yù)彎邊模具的設(shè)計(jì)有兩個(gè)重要的方面，一是材料及其處理，二是尺寸（厚度和半徑）。這些模具由低合金鋼感應(yīng)硬化到45～48 HRC制成，以使模具在工作區(qū)具有耐磨性和足夠的耐磨厚度層，如圖4所示。

圖4 管線管預(yù)彎邊模具

預(yù)彎邊模具的半徑是由對(duì)應(yīng)管線鋼管的直徑、壁厚和鋼級(jí)來確定的。直徑?jīng)Q定外模半徑系數(shù)，直徑、厚度是預(yù)彎邊內(nèi)模半徑的決定因素。鋼級(jí)/強(qiáng)度也是同樣重要的，因?yàn)樗@示了熱機(jī)械控制處理（控軋控冷工藝）鋼板的回彈，而這正是確定預(yù)彎邊內(nèi)、外模半徑時(shí)應(yīng)該考慮的。管鋼線管的直徑通過銑邊時(shí)確定板寬來保證，板寬相對(duì)鋼管的周長減去管線管直徑擴(kuò)徑比來說是微不足道的，管線鋼管制造時(shí)銑邊的寬度可以表示為

式中：MW—鋼板軋制寬度；

D—最終管線鋼管的工程外徑；

t—鋼板的實(shí)際厚度；

△D—擴(kuò)徑后達(dá)到工程直徑的擴(kuò)徑比。

擴(kuò)徑前管線鋼管直徑dBE可以用鋼板的周長CBE和寬度表示，即

成型前預(yù)彎邊內(nèi)模與預(yù)彎邊外模直徑可以表示為

式中：dCIT—預(yù)彎內(nèi)模直徑；

dCOUT—預(yù)彎外模直徑。

但有一個(gè)未知系數(shù)被稱為回彈。所以確定鋼板預(yù)彎邊模具半徑時(shí)必須考慮回彈。因此模具半徑相對(duì)理想形狀（鋼管半徑）的偏差百分比來說是不重要的，所以包括預(yù)彎邊內(nèi)模具和外模具的上述參數(shù)可以表示為

式中：rCIN—預(yù)彎邊內(nèi)模的半徑；

rCOUT—預(yù)彎邊外模的半徑；ψ—管線鋼回彈系數(shù)百分比。

對(duì)于 X70鋼級(jí)，ψ在管線鋼管半徑成型前約為10%；對(duì)于X80鋼級(jí)，ψ在管線鋼管半徑成型前為15%～20%；對(duì)于X120鋼級(jí)，ψ在管線鋼管半徑成型前為30%。

板邊預(yù)彎模板內(nèi)、外徑分別為

因此，板邊預(yù)彎相對(duì)應(yīng)的半徑是

式中：dTIN—內(nèi)模板直徑；

rTIN—內(nèi)模板半徑；rCOUT—外模具半徑。

這些樣板用來檢定鋼板預(yù)彎邊輪廓的正確性以確保其適合的工序功能。

1.3 JCO成型

管線鋼管JCO加工成型的工序?qū)C(jī)械擴(kuò)徑后管線鋼管周長的最終尺寸是非常重要的。管線鋼管周長的最終尺寸是通過獲得管線鋼管已成型鋼板所需的半徑來控制。不當(dāng)?shù)某尚驮跈C(jī)械擴(kuò)徑后造成板邊成型區(qū)橢圓及局部平整度（扁平塊）。根據(jù)管線鋼管的制造規(guī)范，這些尺寸缺陷是不可接受的。根據(jù)API 5L規(guī)范，這些缺陷限制在機(jī)械擴(kuò)徑后，局部平整度最大為1.59 mm，橢圓度為1%。從制造的角度來說，機(jī)械擴(kuò)徑機(jī)不能矯正超出一定限度的局部平整度，管線鋼管制造的標(biāo)準(zhǔn)操作程序是設(shè)計(jì)適合的管鋼線管JCO成型模具，通過JCO自身成型時(shí)來控制局部平整度及橢圓度。管線鋼管JCO成型模具的設(shè)計(jì)原則與預(yù)彎邊內(nèi)模具設(shè)計(jì)基本相同。JCO成型模具的設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 鋼管JCO成型工具

1.4 機(jī)械擴(kuò)徑

因JCO成型鋼管焊縫是鑄造結(jié)構(gòu)，在標(biāo)準(zhǔn)的管線鋼管制造工序中沒有進(jìn)行處理，根據(jù)制造規(guī)范，不能直接對(duì)焊縫進(jìn)行擴(kuò)徑。在機(jī)械擴(kuò)徑中，管線鋼管內(nèi)焊縫不應(yīng)與擴(kuò)徑機(jī)的模具接觸。

擴(kuò)徑機(jī)將控制管線鋼管的最終尺寸，即在焊縫、平整度、橢圓度、直線度和直徑上的峰值。這些尺寸又取決于管線鋼管的擴(kuò)徑工具設(shè)計(jì)和擴(kuò)徑率。擴(kuò)徑工具設(shè)計(jì)有2個(gè)重要方面：①材料和處理；②相對(duì)應(yīng)的工具尺寸（厚度和半徑）。這些擴(kuò)徑模具是由模具鋼整體淬火+回火至55～88HRC洛氏硬度制成，以使模具在工作區(qū)域有足夠的耐磨性和厚度。擴(kuò)徑的負(fù)載加載到斜楔形上進(jìn)行擴(kuò)徑段運(yùn)動(dòng)時(shí)，斜楔形作用非常重要，其表面光潔度和自潤滑性能應(yīng)妥善設(shè)計(jì)，其材料及熱處理非常關(guān)鍵。因此，ADI材料的新型斜楔形經(jīng)過重新設(shè)計(jì)，具有合適的強(qiáng)度和自潤滑性能的耐磨性。新的斜楔形ADI材料具有模塊化計(jì)數(shù)103～120 mm2，該結(jié)構(gòu)基體是珠光體，極限抗拉強(qiáng)度790 MPa，硬度32HRC。斜楔形的ADI材料整體淬火和回火后硬度可達(dá)到45～48HRC。擴(kuò)徑機(jī)擴(kuò)徑段的半徑取決于管線鋼管的直徑、壁厚與鋼級(jí)，直徑和壁厚是擴(kuò)徑機(jī)擴(kuò)徑段半徑的決定因素。管線管的直徑通過銑邊確定的板寬來保證，在相同的假設(shè)下，擴(kuò)徑段的半徑可以按照如上所述的鋼板預(yù)彎邊內(nèi)模具來設(shè)計(jì)。校定樣板的半徑是最后的管線鋼管公稱半徑。

2 試驗(yàn)技術(shù)

試驗(yàn)所用低C、低Pcm的微合金X120M鋼的化學(xué)成分見表1。

表1 試驗(yàn)用X120M鋼的化學(xué)成分 %

在試驗(yàn)中通過光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡分別對(duì)上述鋼的微觀組織做了檢測，如圖6～圖8所示。

圖6 光學(xué)顯微鏡顯示的母材貝氏體組織 1200×

圖7 掃描電子顯微鏡顯示的母材貝氏體組織

圖8 透射電子顯微鏡顯示的板條貝氏體鐵素體

通過透射電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)，該X120M鋼具有微細(xì)析出物的金屬碳化物，如圖9所示。X120M鋼的力學(xué)性能見表2和表3。

圖9 透射電子顯微鏡中的組織

表2 試制X120M鋼的拉伸性能

表3 試制X120M鋼的夏比沖擊韌性

在上述假設(shè)的基礎(chǔ)上，為管線鋼管成型（鋼板銑邊、板邊預(yù)彎、JCO成型與機(jī)械擴(kuò)徑）設(shè)計(jì)模具，同時(shí)，為制造φ457.2 mm×14.3 mm的X120M管線鋼管設(shè)計(jì)出一套完整的模具（擴(kuò)徑比=1%）。模具計(jì)算參數(shù)見表4。

表4 模具參數(shù)的計(jì)算

鋼管成型工序包括加裝引弧板、鋼板超聲檢驗(yàn)、銑邊、沖洗、連續(xù)定位焊接、清除和埋弧焊接。初次設(shè)計(jì)的模具在成型和埋弧焊后的管線鋼管尺寸與樣板輪廓不吻合。這是由于其抗拉強(qiáng)度比管線鋼管強(qiáng)度高，在機(jī)械擴(kuò)徑時(shí)管線鋼管擴(kuò)徑失敗。重新對(duì)模具進(jìn)行審核設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)該模具的半徑不是按管線管所需輪廓的半徑設(shè)計(jì)。將模具重新按鋼管直徑40%的回彈設(shè)計(jì)，內(nèi)模具半徑122.9 mm，外模具半徑131.5 mm，成型工具半徑122.9 mm，其他參數(shù)不變。

根據(jù)管線鋼管標(biāo)準(zhǔn)制造工藝，重新設(shè)計(jì)后的模具成型和埋弧焊后的管線鋼管的尺寸良好，且輪廓也與樣板輪廓相吻合，所有的參數(shù)都在可接受的范圍內(nèi)。對(duì)該管線鋼管進(jìn)行了成功擴(kuò)徑，其橢圓度為3～4 mm，峰值為0.8 mm，0.9%～1.0%擴(kuò)徑率時(shí)的直線度為7 mm。

3 結(jié) 論

對(duì)規(guī)格為φ457.2 mm×14.3 mm的 X120M管線鋼管，通過不同成型工序，如鋼板銑邊、鋼板預(yù)彎、JCO成型、1%的機(jī)械擴(kuò)徑以及40%的回彈設(shè)計(jì)，利用開發(fā)的成型模具進(jìn)行成型、焊接和擴(kuò)徑?；貜検怯绊懗尚偷囊粋€(gè)重要的因素。在成型前，成型過程中的回彈是不可預(yù)知的。在確定管線鋼管成型不同階段所用的模具半徑時(shí)，需要輸入正確的回彈量。除了鋼板銑邊工序外，管線鋼管成型的每個(gè)工段所用模具的半徑，對(duì)其最終尺寸和形狀都起著至關(guān)重要的作用。