JCOE 焊管擴徑后橢圓度的控制與改進

徐 剛，邊 晉，葛玉紅，師俊杰，劉增強

（渤海裝備巨龍鋼管有限公司，河北，青縣062658）

大直徑直縫埋弧焊鋼管具有壁厚大、材質(zhì)高，加工工藝成熟、穩(wěn)定的特點，是目前國內(nèi)外重點油氣長輸管線工程的首選鋼管。JCOE成型工藝與UOE成型工藝比較，生產(chǎn)同樣規(guī)格的鋼管，成型壓力小，更換模具的時間短，但生產(chǎn)率比較低[1]。在JCOE成型工藝的直縫埋弧焊鋼管生產(chǎn)中，成型后的管型質(zhì)量對成品鋼管的最終質(zhì)量起著關(guān)鍵的決定性作用，主要體現(xiàn)在以下幾點：①鋼管的橢圓度是影響鋼管外觀質(zhì)量的最重要因素之一[2]；②鋼管橢圓度和管徑誤差是影響現(xiàn)場施工對接施焊的最直接因素[3]，橢圓度好、管徑誤差小的鋼管，在高輸送壓力服役下的各個方向應(yīng)力均衡，就能為管線施工提供良好的質(zhì)量保障；③鋼管橢圓度直接影響管端對口的錯邊量。橢圓度超標容易造成裂紋、殘余應(yīng)力等焊接缺陷，從而影響鋼管對接焊縫的質(zhì)量[4]；④成型后管坯直線度的好壞直接影響焊縫錯邊，直線度較差會造成預(yù)焊斷弧頻繁，對焊縫質(zhì)量和生產(chǎn)效率有很大影響；⑤成型后管坯的橢圓度，對于擴徑機修橢圓后的最終鋼管橢圓度有重要的影響；⑥管坯成型、焊接、機械擴徑等加工影響焊管殘余應(yīng)力的大小及分布，而殘余應(yīng)力對管道的脆性斷裂、彈塑性斷裂、應(yīng)力腐蝕、氫致開裂和疲勞破壞有顯著影響[5]。

1 橢圓度超標問題統(tǒng)計與分析

對2012年1—12月出現(xiàn)的鋼管擴徑后管端橢圓度超標率情況進行統(tǒng)計，結(jié)果如圖1所示。

圖1 2012年橢圓度超標率趨勢圖

通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2012年鋼管擴徑后橢圓度超標率為22.0%，沒有達到13%的車間質(zhì)量指標。

直縫埋弧焊管橢圓度與成型方式（UOE或JCO等）、成型步數(shù)（JCO）、鋼板力學性能均勻性、擴徑前橢圓度、擴徑率、軸向重疊量以及擴徑頭與管壁的摩擦等有關(guān)[6]。除去擴徑率等因素外，鋼管的橢圓度大部分與成型后的管型質(zhì)量有關(guān)。

橢圓度還與鋼管的吊裝和運輸方式、鋼管在工廠和施工現(xiàn)場的堆放層高和支撐方式、防腐等后續(xù)處理工序的溫度以及測量人員和儀器的誤差，均可能影響鋼管管端橢圓度[4]。

查閱2012年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，從成型后管型、焊接后熱變形、擴徑機修橢圓能力、碰撞變形等原因，對造成擴徑后鋼管管端橢圓度超標的具體問題進行了統(tǒng)計與分析，如圖2所示。

圖2 擴徑后管端橢圓度超標的具體問題排列圖

從圖2可以看出，成型后管型差頻次為4 088次，占總次數(shù)5 818次的70.25%，是造成擴徑后管端橢圓度超標的主要問題。

影響鋼管內(nèi)在質(zhì)量的主要方面包括鋼管所用鋼板的質(zhì)量和鋼管制造工藝[7]。因此，成型后管型差的問題，可以從設(shè)備、工藝、材料、管理等方面來總結(jié)原因。要減少出現(xiàn)管型差的概率，必須有針對性的從以下四個方面提出改進措施。

（1）設(shè)備方面。優(yōu)化成型機設(shè)備精度。

（2）工藝方面。積累采集生產(chǎn)流程中的橢圓度數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，根據(jù)不同的原材料和產(chǎn)品規(guī)格，找出橢圓度不好的管型范圍規(guī)律。對成型崗位制定更有針對性、精準的成型后橢圓度要求。

（3）材料方面。降低因原材料原因造成的成型機橢圓度控制難度。

（4）管理方面。對成型崗位進行操作技能培訓以及制定考核辦法，提高成型崗位對橢圓度的控制精度。

2 改進措施

提高成型后管型質(zhì)量，成為控制擴徑后橢圓度超標的關(guān)鍵點，通過提高現(xiàn)有設(shè)備精度、優(yōu)化工藝參數(shù)、加強過程控制，提高員工操作技能等措施，使管型質(zhì)量得到進一步提升。

2.1 設(shè)備方面

JCOE成型機主要包括底梁、下橫梁、上橫梁、頂梁、側(cè)立柱、主油缸、提升油缸、補償油缸、刀架、推料器及其他輔助設(shè)備。成型機的作用是將經(jīng)過銑邊機和預(yù)彎機的鋼板壓成近圓形，為預(yù)焊機焊接做準備，成型機是直縫焊管車間的主要設(shè)備，對生產(chǎn)起著決定性的作用[8]。

成型機的機械精度是影響管形的主要原因，該設(shè)備已經(jīng)使用多年，例如上梁立板、下梁等一些重要部件存在銹蝕或變形，設(shè)備精度較安裝初始有一定誤差，若通過更換或拆除加工等手段進行精度恢復實施難度較大。在緊迫的生產(chǎn)任務(wù)中，主要通過以下幾個方面對現(xiàn)有成型機的機械精度進行優(yōu)化提高。

2.1.1 上梁與下梁嚙合精度

上梁與下梁長度為13 m，上下模具各安裝于上下梁上，鋼板通過上下梁之間的擠壓成型，上下梁的平直度越高，上下模具嚙合越好，成型后板邊越直，管形標準且容易控制。若上下梁存在變形，上下模具嚙合不緊密，軋制時即使通過油缸進行一定補償，在局部也會造成過壓或欠壓，形成波浪邊，從而影響管型質(zhì)量，成型后板邊波浪彎如如圖3所示。

圖3 成型后板邊波浪彎示意圖

成型機下梁為槽式結(jié)構(gòu)，通風不暢，多年使用后內(nèi)部易產(chǎn)生銹蝕，尤其是其中一側(cè)模具裝配面的銹蝕十分嚴重。銹蝕雖可打磨干凈但清除后表面不再光滑平整，模具裝配面呈高低不平的狀態(tài)，模具安裝后局部產(chǎn)生較大的嚙合間隙，如圖4所示。該嚙合間隙是造成成型后板邊產(chǎn)生波浪彎的主要原因，板邊波浪彎如圖5所示。

圖4 上下模具間隙

圖5 成型后鋼板板邊波浪彎

針對嚙合問題的具體改進措施：

（1）維護保養(yǎng)成型機下梁以及墊板。成型機下梁為槽式結(jié)構(gòu)，下梁與墊板之間存在著大量金屬銹蝕層或粉塵，對下梁裝配面進行清理修磨。修磨后檢測發(fā)現(xiàn)其中一塊側(cè)模具裝配面不光滑平整，裝配面高低不平的狀態(tài)，更換新墊板，如圖6所示。

圖6 下梁修磨前后照片對比圖

（2）上下模具與上下梁間加裝墊片。根據(jù)測量的上下模具嚙合間隙數(shù)值和位置，在相應(yīng)位置的上下模具與上下梁間加裝不同厚度的銅墊片，用塞尺檢測上下模嚙合間隙，將原有最大間隙量1.6 mm下降至0.1～0.2 mm，滿足設(shè)備精度要求。實現(xiàn)了成型機上、下模具嚙合間隙≤0.3mm的目標。方法如圖7所示。

圖7 通過加銅墊片方法調(diào)整模具間隙量

2.1.2 上梁與下梁平行度

上梁與下梁中心線應(yīng)為絕對平行關(guān)系，且垂直投影完全重合。這樣可保證成型后南北半圓對稱，從而保證橢圓度質(zhì)量。若不平行，上下模具橫向錯位，壓制后南北半圓不對稱，如圖8所示。

圖8 上下模具橫向錯位示意圖

通過檢測，發(fā)現(xiàn)上下梁中心線平行度存在微小偏差，全長方向偏斜為4 mm。檢測方法如圖9和圖10所示。最終通過調(diào)整使下梁與上梁平行。

圖9 上下梁平行度測量示意圖

圖10 上下梁平行度測量示意圖

2.1.3 推料器同步精度調(diào)整

推料器為軋制過程中鋼板輸送裝置，若存在不同步情況時，鋼板被偏斜壓制，成型后管坯會產(chǎn)生軸向錯邊現(xiàn)象，如圖11所示。

圖11 推料器同步測量示意圖

經(jīng)檢測，將同步誤差由之前的5 mm調(diào)整至2 mm以內(nèi)，進一步控制同步精度，將軸向錯邊量由之前的4～6 mm降低為2～3 mm。

2.1.4 上梁側(cè)導向間隙檢查調(diào)整

通過檢測數(shù)據(jù)、調(diào)整設(shè)備，將原東下部間隙由0.9 mm調(diào)整至0.5 mm，將原西上部間隙由0.65 mm調(diào)整至0.45 mm，符合設(shè)備精度要求，如圖12所示。

圖12 上梁側(cè)導向間隙檢查示意圖

2.1.5 下梁基準校正

測得下梁自由狀態(tài)下東西兩側(cè)高度差為0.84 mm，通過液壓系統(tǒng)設(shè)定下梁補償值為0，-0.5 mm，-0.6 mm，-0.5 mm，-0.5 mm和0，提高了設(shè)備精度，如圖13所示。

圖13 下梁4個補償油缸測量調(diào)整示意圖

2.1.6 液壓系統(tǒng)檢查調(diào)整

檢查主油泵壓力發(fā)現(xiàn)，1#主泵和3#主泵出口實際壓力僅能達到設(shè)計壓力的50%～60%，更換比例壓力閥后主泵壓力滿足設(shè)計要求；檢查上梁六臺主油缸同步精度，壓力與位置曲線重合度較好，六臺主油缸工況下同步良好、出力均勻；檢查立板運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)東數(shù)第二個比例閥泄露較大，使油缸在執(zhí)行到工位要求時時間較長，因此造成找平動作慢，通過調(diào)整比例閥的電壓修正值，暫時解除了程序上的約束，使立板找平動作恢復到正常速度。

通過對成型機設(shè)備的檢查調(diào)整，提高設(shè)備精度，使成型后管型更加美觀，橢圓度控制更加精準，從而降低擴徑后橢圓度超標率。

2.2 工藝方面

鋼管在擴徑工序下鋼管變形過程分為3個階段：彈性變形、塑性變形和彈性回復。全長擴徑工序一方面可以消除或降低成型和焊接過程中形成的殘余應(yīng)力，另一方面可以提高鋼管的直徑、橢圓度等尺寸精度和鋼管整體強度。大多數(shù)鋼管經(jīng)全長擴徑后，管體和管端尺寸滿足訂貨技術(shù)條件的要求。

影響擴徑后管端橢圓度的主要因素有：管端初始橢圓度誤差、擴徑率、靜止時間。因此，成型后橢圓度控制值成為控制擴徑后管型質(zhì)量的重要因素。

通過對大量的橢圓度數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，針對不同原材料和規(guī)格鋼管，制定更精準的成型后橢圓度控制值，優(yōu)化成型工藝參數(shù)。

首先收集大量的橢圓度數(shù)據(jù)，要求每批次產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，對尾號為1，4和8的鋼管均需記錄其成型后、擴徑前后、水壓后的橢圓度數(shù)據(jù)。其次對收集的橢圓度數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，得出橢圓度變化規(guī)率，如圖14所示。分析確定每批次鋼管更適宜的成型后橢圓度數(shù)值。從圖14可以看出，成型后東端橢圓度在-8～+4 mm時，擴徑后橢圓度超標率≤13%；西端橢圓度在+5～+17mm之間時，擴徑后橢圓度超標率≤13%。

最后要求成型崗位按照分析后得出的橢圓度參數(shù)范圍進行軋制鋼管。繼續(xù)進行橢圓度統(tǒng)計，由修橢圓的比例來繼續(xù)指導成型機調(diào)整參數(shù)，形成閉環(huán)控制。

圖14 φ1 219 mm×22 mm橢圓度超標率分布趨勢圖

2.3 材料方面

降低因原材料原因造成的成型機橢圓度控制難度。在目前的實際生產(chǎn)中，同一批次甚至同一材質(zhì)的板坯采用統(tǒng)一的材料性能參數(shù)，而板坯性能是存在個體差異的，有的甚至十分顯著，因此，對于每一塊板坯，如果其材料性能參數(shù)不能被“一對一”地準確檢測，則會影響其彎曲成型參數(shù)的精確預(yù)測，使產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性降低[9]。

針對鋼板同板強度差，在訂購鋼板技術(shù)條件中做出了明確的規(guī)定，要求同板屈服強度不得大于40 MPa，要求鋼板不同板之間屈服強度差異不得大于80 MPa，見表1。

表1 鋼板采購技術(shù)協(xié)議中鋼板強度要求

針對板板強度差，采用鋼板強度篩選、特殊處理的方法，首先收集鋼板質(zhì)證書中鋼板強度數(shù)據(jù)，對于強度與批量強度性能偏差較大的進行著重關(guān)注，要求鋼管成型過程中精細測量每一步壓制位置[10]。

關(guān)注強度性能偏差較大的鋼板，要求將屈服強度相近的板料聯(lián)合上料，避免成型過程中變化差異過大。在鋼板入廠檢驗過程中，加強同板強度差的檢驗，從原材料入手減少同板強度差對成型管型的影響。

2.4 管理方面

為加強成型崗位員工對成型后鋼管橢圓度控制的重視，提高成型工的技能水平，制管一廠組織成型崗位員工進行培訓，并舉行了現(xiàn)場實際操作考試，重點考核成型后橢圓度值控制能力，并進行有針對性培訓。通過此次培訓、考試，加強了成型崗位員工的質(zhì)量意識，盡量避免因人為因素造成的管型質(zhì)量影響。

3 取得的成果及現(xiàn)場應(yīng)用效果

通過改進措施的實施，鋼管擴徑后橢圓度一次交檢合格率由80%上升到約89%。 該項目改進之后，減少了因管型原因造成的管端切除、鋼管降級、降廢現(xiàn)象，大大降低了擴徑后管端橢圓度超標率，整體提高了鋼管的一次通過率，保證了生產(chǎn)的正常運行，降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。

2013年5～9月擴徑后管端橢圓度超標率情況見表2。

表2 2013年5～9月擴徑后管端橢圓度超標率統(tǒng)計

從表2可知，擴徑后管端橢圓度超標率從22%降低到了12.74%。

如圖15所示，措施實施后，造成橢圓度超標的原因中成型后管型差的比率由70.25%下降為37.90%，主要問題所占比重大幅度下降。

圖15 實施前后主要問題變化情況排列圖

4 結(jié) 語

經(jīng)設(shè)備檢測調(diào)整和改造來恢復設(shè)備精度、提高設(shè)備性能，通過工藝優(yōu)化來確保產(chǎn)品精度，采用先進的統(tǒng)計分析方法來指導生產(chǎn)，使用技能考核來提高員工操作技能等等措施，可實現(xiàn)直縫埋弧焊鋼管管端橢圓度超標率降低的目標。鋼管管型外觀較之前更為精美化，增強了產(chǎn)品市場競爭力，為國家管道建設(shè)工程使用質(zhì)量可靠的鋼管奠定了堅實基礎(chǔ)。

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