COE新型制管工藝應(yīng)用研究

陳 昌，裴銀柱，黃克堅(jiān)，張坤鵬，王良塑

（1.番禺珠江鋼管有限公司，廣州510000；2.番禺珠江鋼管（連云港）有限公司，江蘇 連云港 222000）

COE新型制管工藝應(yīng)用研究

陳 昌1，裴銀柱2，黃克堅(jiān)1，張坤鵬2，王良塑1

（1.番禺珠江鋼管有限公司，廣州510000；2.番禺珠江鋼管（連云港）有限公司，江蘇 連云港 222000）

為了解決小直徑直縫埋弧焊管質(zhì)量不穩(wěn)定、效率低等生產(chǎn)技術(shù)難題，綜合考察了UOE、JCOE、HFW焊管制造工藝。在對(duì)鋼管成型技術(shù)、預(yù)焊技術(shù)和擴(kuò)徑技術(shù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，開發(fā)出COE直縫埋弧焊管制造工藝。應(yīng)用實(shí)踐表明：采用COE制管工藝極大地提高了小直徑埋弧焊管的生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，并且焊管管體成型好，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，在小直徑埋弧焊管制造方面具有良好的推廣前景。

COE；小直徑埋弧焊管；高頻預(yù)焊；水壓擴(kuò)徑

直縫埋弧焊管與其他種類鋼管相比，具有產(chǎn)品規(guī)格覆蓋范圍廣、制造精度高、焊接性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于油氣管線工程建設(shè)領(lǐng)域。目前，國內(nèi)外直縫埋弧焊管生產(chǎn)主要工藝是UOE和JCOE。這兩種工藝成型過程中，板邊預(yù)彎都采用了模壓成型，不同之處在于管體的成型，一種采用U、O模壓成型；另一種采用J、C、O模壓成型。UOE和JCOE工藝比較適合生產(chǎn)直徑559～1 626mm的鋼管，不適合直徑406~559mm小直徑鋼管。由于鋼管曲率半徑小，特別在壁厚相對(duì)較大的情況下，UOE和JCOE制管工藝存在鋼板邊緣壁厚局部變薄的現(xiàn)象，再加上小直徑單根鋼管質(zhì)量比較輕，與大徑鋼管相比，生產(chǎn)效率低，在市場(chǎng)沒有競(jìng)爭優(yōu)勢(shì)。因此，很多企業(yè)不愿意采用UOE或JCOE工藝來生產(chǎn)小直徑直縫埋弧焊管?？紤]到上述因素的存在，小直徑管線設(shè)計(jì)一般選用價(jià)格較高的無縫管或安全系數(shù)較低的高頻焊管。鑒于此，本研究提出了小直徑直縫埋弧焊管COE制造工藝。

1 COE工藝的設(shè)計(jì)思路

直縫埋弧焊管COE制造工藝是以鋼卷為原料，利用排輥對(duì)鋼板進(jìn)行輥壓成型形成管坯，再對(duì)管坯進(jìn)行預(yù)焊、埋弧焊。這種鋼管制造機(jī)組命名依據(jù)GB 50468—2008焊管工藝設(shè)計(jì)規(guī)范，其制造工藝流程如圖1所示。COE工藝?yán)门泡亴?duì)鋼板進(jìn)行彎曲加工，鋼板截面外形輪廓依次發(fā)生C、O變形，“E”代表COE工藝采用擴(kuò)徑技術(shù)（expanding），主要確保鋼管的圓度。

圖1 COE制管工藝流程圖

COE工藝設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想主要包括兩點(diǎn)：

（1）排輥成型具有精度高和效率高的優(yōu)勢(shì)，排輥成型分3階段，分別為空彎成型、側(cè)彎成型和翅片成型，如圖2所示。

（2）COE鋼管焊縫分別經(jīng)歷了高頻預(yù)焊、內(nèi)埋弧焊、外埋弧焊3個(gè)工序。焊縫性質(zhì)屬于埋弧焊縫。由于COE工藝有效結(jié)合了排輥成型和埋弧焊兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，確保了產(chǎn)品焊縫性能穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高，這為小直徑直縫埋弧焊管提高市場(chǎng)占有率創(chuàng)造了有利條件。

圖2 排輥成型的3階段

2 COE制造工藝關(guān)鍵技術(shù)

2.1 原料采用熱軋卷板

COE工藝原材料必須采用熱軋卷板，國內(nèi)很多鋼廠通過冶煉、熱軋等工序的改進(jìn)，都已經(jīng)有能力進(jìn)行X52~X80熱軋卷板的批量生產(chǎn)。特別是近幾年，鋼廠在卷板生產(chǎn)技術(shù)上取得了明顯進(jìn)步，先后進(jìn)行了X90和X100等高鋼級(jí)熱軋卷板試制，并取得了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

表1是國內(nèi)一家鋼廠X60熱軋卷板縱橫向性能對(duì)比，對(duì)比結(jié)果表明，鋼卷縱向和橫向的性能非常接近，可以滿足直縫埋弧焊管對(duì)母材性能的技術(shù)要求。

表1 熱軋卷板縱橫向性能對(duì)比

2.2 采用高頻預(yù)焊

從開卷上料到定尺下料（如圖1所示），COE工藝?yán)眠@一工作區(qū)間實(shí)現(xiàn)整條生產(chǎn)線管坯的快速供應(yīng)。為確保在線連續(xù)生產(chǎn)，在排輥成型結(jié)束后，該工作區(qū)間要求工件應(yīng)立即進(jìn)行預(yù)焊合縫。為此開發(fā)了高頻預(yù)焊技術(shù)，該技術(shù)利用高頻電源及感應(yīng)器，在集膚效應(yīng)及鄰近效應(yīng)的作用下，焊縫坡口區(qū)域的局部金屬進(jìn)入熔融狀態(tài)，同時(shí)通過擠壓輥的作用，熔融金屬完成鍛焊形成預(yù)焊縫，有效解決了COE快速成型技術(shù)難題。高頻預(yù)焊及焊縫如圖3所示。

圖3 高頻預(yù)焊及焊縫

2.3 組合優(yōu)化工藝布局

為滿足鋼管快速生產(chǎn)的要求，COE工藝設(shè)計(jì)對(duì)內(nèi)、外埋弧焊機(jī)組進(jìn)行如下配置：內(nèi)焊機(jī)組5條，外焊機(jī)組4條。應(yīng)用實(shí)踐證明，這種組合設(shè)計(jì)與排輥成型的速度節(jié)奏相匹配。其內(nèi)焊機(jī)組如圖4所示。

圖4 內(nèi)焊機(jī)組

2.4 采用開發(fā)水壓擴(kuò)徑

在整形工序中，開發(fā)了水壓擴(kuò)徑機(jī)，可一次性完成整條鋼管的擴(kuò)徑，其工作與整條生產(chǎn)線高效率保持匹配。水壓擴(kuò)徑機(jī)組如圖5所示。

圖5 水壓擴(kuò)徑機(jī)組

3 應(yīng)用對(duì)比

3.1 外觀性能的對(duì)比分析

3.1.1 鋼管壁厚偏差

鋼管壁厚偏差是衡量鋼管使用性能的重要參數(shù)指標(biāo)，油氣管道輸送安全要求鋼管壁厚偏差越小越好。表2為UOE、JCOE及COE鋼管壁厚偏差對(duì)比表。

表2 UOE、JCOE及COE鋼管壁厚偏差對(duì)比

從表2可以看出，UOE和JCOE鋼管壁厚偏差分別為0.15mm和0.16mm，COE鋼管壁厚偏差為0.04mm。對(duì)比數(shù)據(jù)表明，COE鋼管壁厚較為均勻，這是因?yàn)閁OE、JCOE工藝分別采用的是模壓預(yù)彎板邊及機(jī)械擴(kuò)徑技術(shù)，造成鋼管局部（焊縫邊緣）壁厚較薄，而COE采用的輥壓成型技術(shù)及水壓整管擴(kuò)徑技術(shù)，壁厚相對(duì)均勻。

COE與HFW鋼管壁厚偏差對(duì)比見表3。兩種工藝都采用空彎邊技術(shù)以及成型定徑，鋼管存在局部變厚的趨勢(shì)。但COE的后續(xù)工藝還采用水壓擴(kuò)徑，對(duì)鋼管進(jìn)行整體控制成型，無局部拉伸因素，水壓擴(kuò)徑后，鋼管壁厚均勻。

COE與無縫管壁厚偏差對(duì)比見表4。無縫鋼管采用的管坯為鑄造管坯，本身存在較大的壁厚偏差，在后續(xù)的加工過程中，由于穿孔模具加工過程存在較大震動(dòng)，且穿孔桿作為頂桿使用，在加載過程中，存在彈性撓度彎曲的趨勢(shì)，加工之后鋼管壁厚均勻性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如COE鋼管。

表3 COE與HFW鋼管壁厚偏差對(duì)比

表4 COE與無縫管壁厚偏差對(duì)比

3.1.2 成品鋼管直度偏差對(duì)比分析

成品鋼管（12 m）直度對(duì)比分析見表5。從表5可以看出，無縫管和高頻焊管的直度較好。在小直徑直縫埋弧焊管生產(chǎn)中，UOE和JCOE鋼管由于模壓成型方式及內(nèi)外埋弧焊接，存在較大的殘余應(yīng)力，致使鋼管彎曲，在精整過程中，采用機(jī)械擴(kuò)徑方式消除殘余應(yīng)力，使得直線度有所改善。COE鋼管則采用排輥成型，管坯直線度比UOE管和JCOE管更好，盡管也是采用了內(nèi)外埋弧焊工藝，但在精整過程中采用的是整管水壓擴(kuò)徑，外包模固定不變成一直線，與UOE和JCOE鋼管相比，變形相對(duì)均勻，直線度較好，直線度可達(dá)到無縫管、高頻焊管水平。

表5 成品鋼管直度對(duì)比分析

3.1.3 圓弧度

用圓弧長150mm的弧規(guī)板測(cè)量鋼管周向有無直邊和噘嘴，鋼管圓弧度對(duì)比分析見表6。

表6 鋼管圓弧度對(duì)比分析

從表6中可以看出，高頻焊管圓弧度最好，COE次之，UOE和JCOE稍差，這主要與各自工藝制造過程有關(guān)。JCOE和UOE由于在預(yù)彎和折彎過程中內(nèi)模都不是理想的圓弧（壁厚不同內(nèi)圓弧不同），一般幾個(gè)厚度只有一套內(nèi)模，因此弧度有偏差。COE鋼管在成型過程中，采用輥彎形式對(duì)鋼板彎曲，變形量逐次分配均勻，特別在管坯成型后續(xù)階段，管坯進(jìn)行封閉孔型壓縮，其模具嚴(yán)格按鋼管外圓尺寸設(shè)計(jì)，因此，管坯圓弧度比較好。在精整階段，JCOE和UOE一般進(jìn)行機(jī)械擴(kuò)徑，這是一種步進(jìn)式逐次擴(kuò)徑形式，特別是擴(kuò)頭設(shè)計(jì)原理是等角度同圓心對(duì)鋼管定徑，各脹塊的圓弧曲率只是與鋼管曲率在幾何上近似，擴(kuò)徑后鋼管還要進(jìn)行彈性恢復(fù)，因此，模具的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，否則鋼管的圓度很難滿足要求。而COE鋼管在焊后精整階段采用的是外包式水壓擴(kuò)徑，其擴(kuò)徑模具內(nèi)壁弧度是按鋼管外徑進(jìn)行設(shè)計(jì)，不受壁厚的影響，鋼管經(jīng)過水壓擴(kuò)徑后，緊貼包模內(nèi)壁，所以COE的圓弧度邊比較好，更利于在管線施工現(xiàn)場(chǎng)的對(duì)接。

3.2 理化性能對(duì)比分析

3.2.1 拉伸性能

原料與鋼管拉伸性能對(duì)比分析見表7。從表7可以看出，制管后COE鋼管屈強(qiáng)比指標(biāo)由0.800下降到0.785，下降幅度較大，與HFW管指標(biāo)比較接近。

造成這樣的原因，主要是COE和HFW的成型方式都是在封閉孔型中對(duì)鋼管有個(gè)壓縮的過程，所以屈服強(qiáng)度略有下降。COE制管工藝的這個(gè)特點(diǎn)非常有利于滿足海洋管道輸送工程和抗酸性氣體管道工程對(duì)屈強(qiáng)比指標(biāo)的要求，一般這些特殊管線鋼管屈強(qiáng)比指標(biāo)要求低于0.85。

表7 鋼管拉伸性能對(duì)比分析

3.2.2 焊縫彎曲性能

表8為鋼管彎曲性能對(duì)比分析表。從表8可以看出，COE與其他成型方法相比，焊縫正、反彎都合格，性能相當(dāng)。

表8 鋼管彎曲性能對(duì)比分析

3.2.3 焊縫沖擊性能

焊縫沖擊性能對(duì)比分析見表9。由表9可以看出，在-20℃母材沖擊功大體相當(dāng)?shù)那闆r下，COE、UOE和JCOE鋼管的焊縫沖擊試驗(yàn)由于都是采用同樣的焊接參數(shù)進(jìn)行內(nèi)外埋弧焊接，所以數(shù)值基本相當(dāng)，比采用電阻焊HFW鋼管的焊縫沖擊功要高。

表9 -20℃母材和焊縫沖擊性能對(duì)比分析

3.2.4 落錘性能

表10是落錘性能對(duì)比分析。從表10可以看出，落錘性能基本相當(dāng)，都合格。因?yàn)槁溴N試驗(yàn)與母材的關(guān)聯(lián)非常大，做成鋼管后沒有明顯變化。

3.3 產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性

產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性可通過很多方面的指標(biāo)進(jìn)行衡量，這里主要通過焊縫無損檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行說明（見表11）。從表11可以看出，在Φ406mm×12.7mm鋼管生產(chǎn)中，UT和RT的合格率基本相當(dāng)；而在Φ406mm×7.1mm鋼管生產(chǎn)中，COE鋼管的合格率明顯要高于UOE、JCOE及HFW鋼管。這主要是由于JCOE、UOE及HFW鋼管是單根成型，在薄板的預(yù)彎及成型中，會(huì)產(chǎn)生管體管端的變形量差別，板邊會(huì)產(chǎn)生曲翹，在預(yù)焊時(shí)會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)邊、預(yù)焊停焊和手工補(bǔ)焊，且單根成型管端預(yù)焊通常也要手工補(bǔ)焊，從而影響內(nèi)外埋弧焊接。特別是薄壁管的內(nèi)焊為了防止燒穿，電流不能過大，在預(yù)焊手工補(bǔ)焊位置容易形成夾渣和氣孔。而COE是連續(xù)板邊預(yù)彎、成型及預(yù)焊，板邊變形一樣，預(yù)焊完后再鋸切，對(duì)預(yù)焊來說為全長自動(dòng)預(yù)焊接，沒有管端和管體的差別，整根鋼管預(yù)焊質(zhì)量明顯提高，利于內(nèi)外焊接。所以在生產(chǎn)薄壁直縫埋弧焊管時(shí)，COE技術(shù)有明顯的質(zhì)量優(yōu)勢(shì)。

表11 不同工藝鋼管無損檢測(cè)結(jié)果

3.4 經(jīng)濟(jì)性

（1）與UOE和JCOE工藝相比，COE采用卷板作為原材料，價(jià)格比平板低。盡管UOE和JCOE工藝也可選用卷板為原料，但是由于UOE和JCOE工藝采用單根方式生產(chǎn)，若選用卷板為原料，上料之前需對(duì)卷板進(jìn)行開平，其開平費(fèi)及倒運(yùn)費(fèi)會(huì)讓鋼管成本有所上升。

（2）UOE和JCOE預(yù)焊工藝采用氣保焊接，需要消耗焊絲及保護(hù)性氣體等原材料。而COE工藝的預(yù)焊采用高頻預(yù)焊，無需填充焊絲和保護(hù)氣體等輔助原料。

（3）COE采用的是連續(xù)成型、連續(xù)預(yù)焊工藝，實(shí)現(xiàn)了管坯的連續(xù)供料，生產(chǎn)效率更高，生產(chǎn)成本也大大降低。UOE和JCOE預(yù)焊工藝由于都采用氣體保護(hù)焊，速度不宜過快，最高速度一般可達(dá)3.5 m/s。其生產(chǎn)效率對(duì)比結(jié)果見表12。

表12 不同工藝鋼管生產(chǎn)效率對(duì)比

4 結(jié) 論

COE技術(shù)為直縫埋弧焊鋼管提供了一種新型制管工藝，把排輥快速和埋弧焊接兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)有效地結(jié)合起來，解決了小直徑直縫埋弧焊管生產(chǎn)效率低的難題。

（1）COE技術(shù)實(shí)現(xiàn)了以卷板為原料的直縫埋弧焊管生產(chǎn)方式，有效提高了制管效率，降低了生產(chǎn)成本以及改善了部分鋼管的性能，在小直徑埋弧焊管制造方面具有良好的推廣前景。

（2）高頻預(yù)焊技術(shù)的開發(fā)解決了COE直縫埋弧焊管的預(yù)焊技術(shù)難題，把排輥快速成型和內(nèi)外埋弧焊接工藝有機(jī)結(jié)合起來。

（3）水壓擴(kuò)徑技術(shù)應(yīng)用于鋼管整形，在滿足COE新型制管效率的同時(shí)，還能確保鋼管的制造精度。

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Application Research of New Type COE Pipe Manufacturing Technology

CHEN Chang1，PEI Yinzhu2，HUANG Kejian1，ZHANG Kunpeng2，WANG Liangsu1
（1.Panyu ChuKong Steel Pipe Co.,Ltd.,Guangzhou 510000，China；2.Panyu ChuKong Steel Pipe（Lianyungang）Co.,Ltd.,Lianyungang 222000，Jiangsu，China）

In order to solve the technical difficulties of small diameter submerged arc welded pipe，such as unstable quality，low efficiency etc.，the manufacturing process of UOE，JCOE and HFW welded pipe were investigated comprehensively.A new kind of COE longitudinal submerged arc welded pipe manufacturing technology was developed on the basis of analyzing the steel pipe forming technology,prewelding technology and expanding technology.Actual application showed that COE technology greatly enhanced the production efficiency of small diameter submerged arc welded pipe，reduced production cost，and steel pipe forming was good，the product quality was stable，it was with good promotion prospect in the small diameter of submerged arc welding pipe manufacture.

COE； small diameter submerged arc welded pipe；high frequency prewelding；hydraulic expanding

TE973 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI:10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.05.007

陳 昌（1946—），男，廣東番禺人，高級(jí)經(jīng)濟(jì)師，中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)鋼管分會(huì)副理事長，長期從事鋼管生產(chǎn)經(jīng)營和管理工作。

2016-03-01

李紅麗

《高頻直縫焊管理論與實(shí)踐》正式出版

由曹國富先生等編著，冶金工業(yè)出版社出版的《高頻直縫焊管理論與實(shí)踐》一書已于2016年5月正式出版發(fā)行。

曹國富先生具有較為豐富的高頻直縫焊管的理論研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在高頻直縫焊管行業(yè)具有多年的從業(yè)經(jīng)歷。本書以高頻直縫焊管生產(chǎn)工藝流程為主線，集作者30多年焊管理論研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，聚五百余幅圖表和詳實(shí)的第一手?jǐn)?shù)據(jù)為素材,對(duì)高頻直縫焊管的近現(xiàn)代生產(chǎn)理論進(jìn)行了較為完整的論述，并針對(duì)焊管生產(chǎn)工藝中的關(guān)鍵技術(shù)、存在的技術(shù)問題，提出了相應(yīng)的解決方案。

本書共分14個(gè)章節(jié)，全書65萬余字，內(nèi)容主要包括：焊管用管坯與設(shè)備、圓管成型焊接定徑、異型管成型焊接定徑、軋輥孔型設(shè)計(jì)及焊管生產(chǎn)管理等，側(cè)重焊管成型和孔型設(shè)計(jì)，注重理論聯(lián)系實(shí)際。本書內(nèi)容反映了高頻直縫焊管的最新理論和實(shí)踐成果，圖文并茂，內(nèi)容豐富。

本書已于2016年6月在各地新華書店發(fā)售，定價(jià)79元，讀者也可通過電話直接與作者聯(lián)系訂購。

聯(lián)系人：曹國富

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