Φ660 mm HFW 生產(chǎn)線的工藝裝備特點(diǎn)

邵 毅

（天津天管太鋼焊管有限公司，天津 300301）

天津天管太鋼焊管有限公司（簡(jiǎn)稱天管太鋼）Φ660 mm HFW（高頻焊接）生產(chǎn)線于2011 年建成。該生產(chǎn)線采用德國SMS Meer 公司的主機(jī)生產(chǎn)線設(shè)備，部分設(shè)備采用國內(nèi)聯(lián)合制造，一些關(guān)鍵環(huán)節(jié)優(yōu)選國際領(lǐng)先廠商設(shè)備，大大提高了裝備的整體水平?，F(xiàn)對(duì)該生產(chǎn)線的優(yōu)勢(shì)和特性進(jìn)行介紹。

1 工藝特點(diǎn)

Φ660 mm HFW 生產(chǎn)線的工藝特點(diǎn)：

（1） 技術(shù)可靠、工藝先進(jìn)、滿足節(jié)能、環(huán)保要求；

（2） 適應(yīng)高鋼級(jí)、大壁厚、高標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品生產(chǎn)；

（3） 1+2 配置，即1 條主機(jī)生產(chǎn)線配2 套精整生產(chǎn)線，可以充分匹配前后產(chǎn)能；

（4） 工藝上采用帶活套的連續(xù)生產(chǎn)工藝，提高了產(chǎn)能、減少了廢品；

（5） 采用在線帶鋼飛切設(shè)備，提高產(chǎn)能；

（6） 全線采用MES 制造執(zhí)行管理系統(tǒng)，對(duì)主機(jī)生產(chǎn)線和精整線的的生產(chǎn)進(jìn)行全面自動(dòng)化管理，同時(shí)對(duì)物料運(yùn)轉(zhuǎn)和設(shè)備狀況進(jìn)行全程跟蹤；

（7） 精整線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用優(yōu)化變頻控制，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗；

（8） 成型采用德國SMS Meer 公司獨(dú)有的直緣線性成型技術(shù)（圖1）。

圖1 直緣線性成型

2 主機(jī)設(shè)備

主機(jī)生產(chǎn)線引進(jìn)德國SMS Meer 公司設(shè)計(jì)的全套成型機(jī)組。這條生產(chǎn)線是集先進(jìn)的成型、液壓、控制于一身的新研發(fā)成果。

2.1 帶鋼準(zhǔn)備段

帶鋼準(zhǔn)備段的設(shè)計(jì)是為將帶鋼連接對(duì)焊的時(shí)間縮到最短，保證帶鋼的張力恒定、運(yùn)行精確。

（1） 根據(jù)帶鋼鋼卷的外徑控制帶鋼的張力和運(yùn)行速度。

（2） 矯平輥快開和位置自動(dòng)調(diào)整的帶鋼矯平機(jī)。

（3） 帶鋼自動(dòng)送進(jìn)并對(duì)頭尾進(jìn)行自動(dòng)定位焊接。（4） 矯平機(jī)采用小直徑工作輥和大支撐輥相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，從而獲得優(yōu)異的矯平效果。

2.2 帶鋼頭尾對(duì)焊機(jī)

帶鋼頭尾對(duì)焊機(jī)（圖2）的優(yōu)點(diǎn)：

（1） 自動(dòng)監(jiān)測(cè)跟蹤確定帶鋼頭尾的位置；

（2） 帶鋼頭尾自動(dòng)對(duì)中避免錯(cuò)邊；

（3） 焊接過程自動(dòng)調(diào)整跟蹤焊縫；

（4） 多絲雙頭同步焊接。

圖2 帶鋼頭尾對(duì)焊機(jī)

2.3 全自動(dòng)帶鋼螺旋活套

為保證生產(chǎn)過程的連續(xù)性和穩(wěn)定性選擇使用帶鋼螺旋活套（圖3）。螺旋活套在兩個(gè)鋼卷對(duì)焊時(shí)為成型焊接提供帶鋼。使用內(nèi)進(jìn)外出的形式即保證了套量又滿足大壁厚鋼帶的需求。螺旋活套采用無人值守的設(shè)計(jì)，根據(jù)工況可以自動(dòng)在幾種不同的工作模式間切換。帶鋼在活套內(nèi)的存貯長度和對(duì)頭位置都會(huì)實(shí)時(shí)地顯示在對(duì)焊和成型焊接崗位的操作臺(tái)上。

圖3 全自動(dòng)帶鋼螺旋活套

2.4 移動(dòng)式鋼帶橫切剪

通常的生產(chǎn)線在更換規(guī)格時(shí)，在對(duì)頭出活套后都要停車切斷，這樣即浪費(fèi)時(shí)間又影響成材率。因此，天管太鋼在Φ660 mm HFW 生產(chǎn)線上增加了一套在線隨動(dòng)帶鋼剪切設(shè)備（圖4），在更換規(guī)格時(shí)不需要停車，只需略微降低開車速度，就可以切斷鋼帶；使上一個(gè)帶卷的尾端能夠繼續(xù)成型而生產(chǎn)不停止，下一卷頭部會(huì)停止在成型前，準(zhǔn)備下一規(guī)格的生產(chǎn)。這樣就不會(huì)造成由于生產(chǎn)中斷而產(chǎn)生的材料及時(shí)間損失。

2.5 帶鋼銑邊機(jī)

以銑邊的方式進(jìn)行帶鋼的邊部準(zhǔn)備是保證高質(zhì)量、無缺陷焊接的重要的先決條件。避免采用圓盤剪剪邊，剪切唇部分的鋼帶發(fā)生變形會(huì)影響焊接質(zhì)量［1-2］。Φ660 mm HFW 生產(chǎn)線采用奧地利林辛格的銑邊機(jī)（圖5）。該銑邊機(jī)具有如下的優(yōu)勢(shì)：

圖5 帶鋼銑邊機(jī)

（1） 可以滿足高質(zhì)量材料的精度要求；

（2） 可以實(shí)現(xiàn)精確的側(cè)面成型；

（3） 機(jī)加工表面的金屬結(jié)構(gòu)不會(huì)改變，且不易產(chǎn)生微裂紋；

（4） 具有高度方向的仿形功能，小的顛簸不會(huì)對(duì)刀片造成任何麻煩；

（5） 具有橫向的仿形功能，補(bǔ)償帶鋼的彎曲；

（6） 優(yōu)異的剛度設(shè)計(jì)使機(jī)器的振動(dòng)很小，在高強(qiáng)度銑切情況下依然保證較長的刀具壽命；

（7） 優(yōu)化設(shè)計(jì)銑切參數(shù)，避免無謂的提速降低刀具的壽命。

2.6 等剛性機(jī)架

Φ660 mm HFW 生產(chǎn)線使用德國SMS Meer 公司專利產(chǎn)品——等剛性設(shè)計(jì)URD （Uniform Rigid Design）機(jī)架，如圖6 所示。

圖6 等剛性機(jī)架

包括五輥的焊接擠壓機(jī)架和所有的四輥機(jī)架，均采用閉合板式框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，取代了以往的柱式設(shè)計(jì)。這種URD 等剛性閉合板式框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證了機(jī)架分別在水平和垂直方向上均勻一致吸收成型承載的能力。與傳統(tǒng)的老式機(jī)架柱式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相比，大大改善了水平方面吸收承載的能力。這種結(jié)構(gòu)使URD 等剛性設(shè)計(jì)閉合板式框架結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)水平和垂直輥輥徑比1 ∶1，從而使管子的成型和定徑在鋼管周向達(dá)到均勻一致。

此外，這種機(jī)架設(shè)計(jì)形式可以真正實(shí)現(xiàn)快速換輥。就是將4 個(gè)輥?zhàn)舆B同輥?zhàn)煌ㄟ^液壓缸從水平方向推出進(jìn)行換輥。

Φ660 mm HFW 生產(chǎn)線在定徑段配置了全浮動(dòng)矯直機(jī)架，同時(shí)肩負(fù)定徑和矯直的作用；采用同一截面4 輥同時(shí)浮動(dòng)起到矯直作用。

2.7 快速換輥系統(tǒng)

利用快速換輥系統(tǒng)（圖7）可以將換道時(shí)間大大縮短，為廠家?guī)矸浅？捎^的效益［3-4］。針對(duì)每種規(guī)格的產(chǎn)品，生產(chǎn)線的機(jī)架都會(huì)根據(jù)已經(jīng)存貯和優(yōu)化的設(shè)定參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)設(shè)定，無需人為干預(yù)，快速又準(zhǔn)確。這一特點(diǎn)保證了調(diào)整參數(shù)的不斷優(yōu)化，也使高質(zhì)量產(chǎn)品生產(chǎn)過程固化重現(xiàn)。

圖7 快速換輥系統(tǒng)

結(jié)合一整套的快速換輥機(jī)構(gòu)和工具，能在最短的時(shí)間內(nèi)更換完一套軋輥，提高了效率，使機(jī)組更能適應(yīng)小批量、多規(guī)格的生產(chǎn)模式。與在線換輥相配套的離線換輥系統(tǒng)也是該Φ660 mm HFW 機(jī)組的一大特點(diǎn)。借助液壓裝置完成離線換輥的操作，保證換輥精度和速度。

擠壓機(jī)架也同樣采用URD 等剛性設(shè)計(jì)機(jī)架的原理，故用于精成型機(jī)架和定徑機(jī)架的換輥車同樣也可用于擠壓機(jī)架的快速換輥。

2.8 粗成型

粗成型是由集成柔性粗軋機(jī)架預(yù)成型和排輥線性成型兩部分組成。

預(yù)成型部分也同樣使用了線性成型方法，在彎邊后對(duì)鋼帶進(jìn)行預(yù)成型。它分為2 段，是由配備有若干個(gè)軋輥的外部直緣線性成型裝置組成的，實(shí)現(xiàn)較短的成型距離完成預(yù)成型。這種成型裝置可以橫向、縱向和旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，能適應(yīng)成型過程中的的任何條件要求。

線性成型部分對(duì)進(jìn)入精成型機(jī)架前的帶鋼進(jìn)一步成型。線性成型部分分為3 段，也同樣具有橫向、縱向和旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，可以很好地適應(yīng)不同外徑規(guī)格和壁厚的產(chǎn)品變化，有效解決其他成型方式出現(xiàn)的“波紋”、“折皺”、“鼓包”［5-7］。

2.9 高頻焊機(jī)

高頻焊機(jī)應(yīng)用穩(wěn)定可靠的IGBT 逆變專利技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的高頻輸出，可以在焊接過程中形成良好的腰鼓形［8-9］。該高頻焊機(jī)具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1） 主輸入端到工作線圈端的效率∧85%；

（2） 在變化很大的管徑范圍內(nèi)，持續(xù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)負(fù)載匹配，消除額外損耗。確保在改變鋼管尺寸時(shí)，達(dá)到最佳的焊接性能；

（3） 在所有輸出功率上，功率因數(shù)都高達(dá)0.95以上，使無功功率消耗降到最小；

（4） 配置專門的保護(hù)系統(tǒng)，防止由于工作線圈引起短路或開路造成的破壞；

（5） 特大型的電流模塊防止因一個(gè)模塊斷開所造成的停機(jī)，多余電流會(huì)被剩余模塊分擔(dān)，從而使焊接速度保持不變；

（6） 光滑的整流輸出電流，產(chǎn)生高質(zhì)量的焊縫；

（7） 故障自我診斷系統(tǒng)，使故障檢測(cè)變得容易；

（8） 采用了模塊化設(shè)計(jì)，大大減少用戶所需儲(chǔ)存?zhèn)淦?、備件?/p>

（9） 感應(yīng)器可以通過兩個(gè)螺栓快速更換。

3 無損檢測(cè)系統(tǒng)

全線配置完善的無損檢測(cè)技術(shù)。包括鋼板超聲波探傷、在線焊縫超聲波探傷、離線管端超聲波探傷、離線焊縫超聲波探傷、離線全管體超聲波探傷和內(nèi)毛刺刮除監(jiān)測(cè)設(shè)備。

（1） 鋼板探傷可以全幅面的檢驗(yàn)成型前的鋼板，并自動(dòng)標(biāo)記缺陷，記入生產(chǎn)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)缺陷全線自動(dòng)跟蹤。

（2） 在線超聲波探傷系統(tǒng)可檢查焊縫和熱影響區(qū)中的缺陷，包括冷焊、裂紋等。

（3） 離線超聲波探傷系統(tǒng)可檢查管體和管端的缺陷，具有焊縫位置自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，防止焊縫跑偏［10］。

（4） 系統(tǒng)具有聲光報(bào)警功能并可提供缺陷準(zhǔn)確位置的報(bào)告。

（5） 系統(tǒng)具有設(shè)備報(bào)警功能。

（6） 對(duì)焊縫、管端、管體和內(nèi)毛刺檢測(cè)檢驗(yàn)分工同時(shí)進(jìn)行，提高效率。

4 焊縫熱處理系統(tǒng)

（1） 該系統(tǒng)的頻率和電流輸出可根據(jù)不同負(fù)載（鋼管尺寸以及壁厚）進(jìn)行自動(dòng)匹配，以保證更高的焊接效率［11］。

（2） IGBT 電源可以實(shí)現(xiàn)恒定功率因數(shù)0.95。

（3） 根據(jù)不同壁厚鋼管的生產(chǎn)，可優(yōu)化選擇不同頻率。

（4） 焊縫熱處理配置8 臺(tái)獨(dú)立的焊縫熱處理裝置，功率總計(jì)6 800 kW，可實(shí)現(xiàn)淬火+回火、正火、淬火+正火等熱處理工藝，不僅可以消除焊縫熱影響區(qū)應(yīng)力，還細(xì)化了晶粒［12］。

（5） 感應(yīng)器的支撐機(jī)構(gòu)具有二維移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)功能，可根據(jù)標(biāo)記線自動(dòng)跟蹤焊縫，防止焊縫偏轉(zhuǎn)［10］。

5 銑切飛鋸

Φ660 mm HFW 生產(chǎn)線配置銑切式飛鋸（圖8），能保證精確的鋼管定尺和切口質(zhì)量。

圖8 銑切式飛鋸

（1） 具有高精度仿形功能，對(duì)鋼管的適應(yīng)性較好。

（2） 具有精確的周向仿形功能，可以滿足各種鋼管（包括方管）截面的形狀變化。

（3） 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)頭和缺陷的優(yōu)化切割，提高成材率。

6 精整線

為了解決主機(jī)和精整能力匹配的問題，Φ660 mm HFW 生產(chǎn)線采用雙精整線配置。1 條主機(jī)生產(chǎn)線配置2 臺(tái)水壓機(jī)、2 套離線探傷、2 套平頭機(jī)和測(cè)量裝置。為了提高鋼管表面的涂油質(zhì)量，配置2條UV 紫外光涂漆裝置。同時(shí)精整處理鋼管的最大長度為18.5 m，滿足各種管線鋼管的需求。負(fù)荷率在69%時(shí)，Φ660 mm HFW 生產(chǎn)線的產(chǎn)能可達(dá)30 萬t。

7 理化檢測(cè)設(shè)備

（1） 為了滿足主機(jī)速度在45 m/s 的情況下連續(xù)取樣試驗(yàn)，選用了國內(nèi)壓扁速度最快的壓扁機(jī)，并實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)送樣和自動(dòng)壓下試驗(yàn)，提高了檢驗(yàn)速度。

（2） 采用德國進(jìn)口的光譜儀，為快速檢驗(yàn)原料化學(xué)成分提供了保障。

（3） 采用蔡司金相顯微鏡、大能量落錘試驗(yàn)機(jī)，為提高檢測(cè)精度、控制產(chǎn)品質(zhì)量提供了設(shè)備支持。

（4） 配備了先進(jìn)的拉伸、沖擊、硬度計(jì)等檢驗(yàn)設(shè)備。

（5） 配置齊全的試樣加工機(jī)床。

8 生產(chǎn)管理系統(tǒng)

為了提高質(zhì)量管理水平，引進(jìn)了整套的鋼管生產(chǎn)管理系統(tǒng)，以物流跟蹤系統(tǒng)為主線，實(shí)現(xiàn)鋼管實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫管理。生產(chǎn)過程中的每根鋼管都附有完整的生產(chǎn)、質(zhì)量、工藝數(shù)據(jù)［13-15］。這些數(shù)據(jù)的追蹤和采集均由系統(tǒng)自動(dòng)完成，并在PLC 層面實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。該生產(chǎn)管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)訂單、工藝規(guī)程、檢驗(yàn)、設(shè)備、軋輥工具、備品備件、計(jì)量、試驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)等管理工作。

9 結(jié) 語

Φ660 mm HFW 生產(chǎn)線的優(yōu)勢(shì)在后續(xù)生產(chǎn)和新品種開發(fā)中逐漸顯現(xiàn)出來。該生產(chǎn)線分別進(jìn)行了各種規(guī)格極限品種的試生產(chǎn)，其中包括X70 鋼級(jí)Φ660.0 mm×17.5 mm 、X52 鋼級(jí)Φ660.0 mm×22.2 mm 、P110 及N80 鋼級(jí)Φ244.48 mm×11.00 mm 套管［16］；這些產(chǎn)品均在中國石油天然氣集團(tuán)公司管材研究所進(jìn)行產(chǎn)品性能評(píng)定，完全符合API Spec 5L—2013《管線管規(guī)范》和API Spec 5CT—2011《套管和油管規(guī)范》要求。此外，該生產(chǎn)線也生產(chǎn)了超大徑厚比X52 鋼級(jí)Φ610.0 mm×6.3 mm、X42 鋼級(jí)Φ508 mm×5 mm 管線鋼管，經(jīng)嚴(yán)格檢驗(yàn)完全滿足客戶和標(biāo)準(zhǔn)要求；并批量生產(chǎn)了多種高鋼級(jí)、大壁厚油缸管。

10 參考文獻(xiàn)

［1］ 介升旗，劉永平. 國內(nèi)ERW 焊管發(fā)展現(xiàn)狀及其質(zhì)量控制［J］. 焊管，2006，29（6）：74-79.

［2］ 介升旗. ERW 焊管壓扁實(shí)驗(yàn)性能的評(píng)價(jià)與提高［J］. 焊管，2005，28（5）：77-80.

［3］ 魏玉鵬，高成章. 六輥冷軋機(jī)快速換輥裝置［J］. 一重技術(shù)，2007（6）：11-12.

［4］ 趙旭，李挺，薛俊. 快速換輥裝置的研制［J］. 焊管，2012，35（10）：48-51.

［5］ 劉志儉.ERW 直縫焊管成型裝置的發(fā)展［J］.鋼管，2007，36（1）：1-8.

［6］ 彭在美，竇樹柏. 試論我國高品質(zhì)ERW 焊管發(fā)展的技術(shù)路線［J］. 鋼管，2008，37（3）：9-12.

［7］ 胡松林. 從日本焊管制造技術(shù)的發(fā)展看國內(nèi)ERW 焊管的技術(shù)創(chuàng)新［J］. 焊管，2006，29（6）：53-57.

［8］ 蔚長春.高頻制管金相檢驗(yàn)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與控制［J］. 焊管，1995，18（5）：51-54.

［9］ 畢洪運(yùn)，陸明和. ERW 直縫焊管焊縫形態(tài)與金相檢驗(yàn)評(píng)價(jià)［J］. 寶鋼技術(shù)，2006（3）：23-26.

［10］ 李記科，齊玉釵，高建忠. 國內(nèi)ERW 鋼管生產(chǎn)情況［J］. 焊管，2006，29（6）：63-67.

［11］ 孫永喜. 610 ERW 焊管生產(chǎn)線技術(shù)裝備的先進(jìn)性及ERW 焊管的發(fā)展方向［J］. 焊管，2006，29（6）：68-71.

［12］ 彭在美.當(dāng)前市場(chǎng)的形勢(shì)和今后發(fā)展方向的探討［C］//第十四屆中國（北方）鋼管與管道技術(shù)交流會(huì)會(huì)議論文集，2011：10-18.

［13］ 孫鶴，董韶華. 基于MES 的ERW 焊管生產(chǎn)計(jì)劃管理系統(tǒng)研究［J］. 企業(yè)物流，2008，27（8）：172-173.

［14］ 李斌，劉紅軍，孫志剛，等. MES 在焊管生產(chǎn)線的應(yīng)用［J］. 焊管，2011，34（2）：33-35.

［15］ 徐毅，王成杰. 焊管制造信息化系統(tǒng)［J］. 科技創(chuàng)業(yè)，2010（3）：50-51.

［16］ 楊在安，邵毅，郝明剛. 高鋼級(jí)HFW 石油套管的研制［J］. 鋼管，2014，43（3）：44-48.