拔制三通組合焊接式匯氣管的制造工藝

白雷杰，劉 旭，白福良

（巨龍鋼管有限公司，河北 青縣 062658）

1 匯氣管的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用情況

匯氣管作為天然氣集輸和分配中必不可少的重要設(shè)備之一，具有壓力高、數(shù)量大的特點(diǎn)，同時(shí)，其在管道運(yùn)行中具有平穩(wěn)氣流、緩沖的作用［1-3］。

從目前國內(nèi)外匯氣管的應(yīng)用現(xiàn)狀來看，匯氣管主要有兩種結(jié)構(gòu)：一種是傳統(tǒng)的開口焊接結(jié)構(gòu)，即先在筒體上開孔，然后再與鋼管或鍛制加厚接管焊接，從而構(gòu)成匯氣管，其特點(diǎn)是制造工藝比較成熟、簡單，適用于壓力比較低的匯氣管和壓力容器；另一種是整體拔制結(jié)構(gòu)，即先在筒體上開孔，然后對(duì)筒體上開口位置以加熱方式拔出一個(gè)分支口，分支口與筒體是一個(gè)整體，其過渡區(qū)為圓弧過渡形式。對(duì)于整體拔制結(jié)構(gòu)的匯氣管，其主管壁厚不僅要滿足高壓下的強(qiáng)度要求，還要滿足支管開孔處的補(bǔ)強(qiáng)要求；因此，整體拔制結(jié)構(gòu)的匯氣管，其筒體的壁厚就相對(duì)比較厚；另外，受拔制水平的影響，分支口的拔制高度不會(huì)太高，而且分支口直徑與筒體直徑的比值也不能太大。但是對(duì)于高壓匯氣管，拔制結(jié)構(gòu)在外觀、結(jié)構(gòu)受力和焊接質(zhì)量方面都優(yōu)于焊接結(jié)構(gòu)的匯氣管［4-7］。

分析以上兩種結(jié)構(gòu)匯氣管的特點(diǎn)，可以看出，整體拔制結(jié)構(gòu)匯氣管具有承壓能力高、焊縫質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，但是整體拔制結(jié)構(gòu)匯氣管在加工制造過程中有諸多難點(diǎn)。首先，整體拔制結(jié)構(gòu)匯氣管要求其筒體壁厚比較厚，這就決定了整體拔制結(jié)構(gòu)匯氣管的長度不能太長，否則就無法生產(chǎn)出所需的筒體；其次，由于整體拔制結(jié)構(gòu)匯氣管的分支口在拔制成型過程中，匯氣管分支口處需要經(jīng)過多次加熱，這將會(huì)導(dǎo)致匯氣管分支口處材料性能的變化，尤其是對(duì)于X60或更高鋼級(jí)材料而言，其材料性能的變化會(huì)非常大，因此匯氣管成型后還需要重新對(duì)其進(jìn)行整體熱處理，同時(shí)整體拔制結(jié)構(gòu)匯氣管的結(jié)構(gòu)尺寸也不能太大，否則很難進(jìn)行整體熱處理；其三，由于整體拔制結(jié)構(gòu)匯氣管分支口是直接在筒體上拔制而成的，如果分支口直徑與筒體直徑的比值太大，分支口則很難成型［8-14］。

2 拔制三通組合焊接式匯氣管的制造工藝

目前，國內(nèi)外管道建設(shè)普遍向著高壓、高鋼級(jí)、大壁厚、大直徑的方向發(fā)展，然而從以上兩種結(jié)構(gòu)的匯氣管來看，對(duì)于高壓、高鋼級(jí)、大壁厚的匯氣管來說，無論是開口焊接結(jié)構(gòu)的匯氣管，還是整體拔制結(jié)構(gòu)的匯氣管，都不能滿足工藝需求。為此，將介紹一種拔制三通組合焊接式匯氣管，即依據(jù)匯氣管的工藝設(shè)計(jì)要求，先生產(chǎn)出相應(yīng)規(guī)格直徑的拔制三通、筒體、管帽等產(chǎn)品，然后再將拔制三通、筒體和管帽組合焊接而成。拔制三通組合焊接式匯氣管的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 拔制三通組合焊接式匯氣管的結(jié)構(gòu)示意

2.1 拔制三通組合焊接式匯氣管的工藝設(shè)計(jì)

拔制三通組合焊接式匯氣管是在整體拔制結(jié)構(gòu)匯氣管的基礎(chǔ)上演變而來，但拔制三通組合焊接式匯氣管在設(shè)計(jì)、制造過程中，又與整體拔制結(jié)構(gòu)匯氣管有很大不同。

拔制三通組合焊接式匯氣管在生產(chǎn)制造前，首先應(yīng)進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)。即依據(jù)匯氣管的工藝要求，先確定各個(gè)拔制三通的規(guī)格直徑、筒體的長度尺寸及其他配件的規(guī)格尺寸。通常每件匯氣管都會(huì)有幾個(gè)規(guī)格直徑不同的分支口，而且還會(huì)給出各個(gè)分支口之間的相對(duì)位置關(guān)系，而拔制三通的規(guī)格直徑、筒體的長度尺寸正是依據(jù)這一工藝要求來進(jìn)行設(shè)計(jì)的。簡單來說，就是將工藝要求的匯氣管從結(jié)構(gòu)尺寸上分解成各個(gè)獨(dú)立的部分，如圖1所示。

此外，在工藝設(shè)計(jì)過程中，還應(yīng)充分考慮分解后的每一個(gè)零部件，在生產(chǎn)制造過程中是否有難度，零部件之間相互焊接時(shí)是否有難度，零部件之間的焊接是否能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，匯氣管焊接成型后是否能夠進(jìn)行檢驗(yàn)與測試。在確保沒有任何工藝問題的情況下，方可進(jìn)行后續(xù)的壁厚和強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

2.2 拔制三通組合焊接式匯氣管的壁厚設(shè)計(jì)

將工藝要求的匯氣管分解成若干個(gè)零部件后，匯氣管實(shí)際上就是由不同規(guī)格的拔制三通、筒體、管帽等組成。匯氣管壁厚的設(shè)計(jì)，也就變成了拔制三通、筒體、管帽等產(chǎn)品的壁厚設(shè)計(jì)。

拔制三通壁厚的設(shè)計(jì)，通常采用等面積補(bǔ)強(qiáng)法來進(jìn)行設(shè)計(jì)與校核，在GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》、SY/T 0518—2002《油氣管道鋼制對(duì)焊管件設(shè)計(jì)規(guī)程》、ASME B 31.8—2016《輸氣和配氣管道系統(tǒng)》、ASME B 31.3—2012《工藝管道》等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，都有詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算過程。依據(jù)GB 50251—2015，可確定拔制三通等面積補(bǔ)強(qiáng)的數(shù)學(xué)模型，拔制三通的補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)如圖2所示［15］。

依據(jù)GB 50251—2015要求，建立的拔制三通和管線開孔等面積補(bǔ)強(qiáng)的數(shù)學(xué)模型如下：

式中tb——與支管相連接管線的計(jì)算厚度，mm；

P——設(shè)計(jì)內(nèi)壓，MPa；

d——支管外徑，mm；

S——材料的標(biāo)準(zhǔn)許用應(yīng)力，MPa；

K1——產(chǎn)品的設(shè)計(jì)系數(shù)。

式中tr——與主管相連接管線的計(jì)算厚度，mm；

D——主管外徑，mm。

式中Tr——主管肩部實(shí)際厚度（去除加工和腐蝕裕量后的厚度），mm；

圖2 拔制三通的補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)示意

K2——三通主管肩部壁厚系數(shù)；

T——拔制三通的設(shè)計(jì)壁厚，mm。

式中Tb——支管實(shí)際厚度（去除加工和腐蝕裕量后的厚度），mm；

K3——三通支管壁厚系數(shù)。

式中T0——主管與支管過渡區(qū)域的實(shí)際厚度（去除加工和腐蝕裕量后的厚度），mm；

K4——三通主管與支管連接處壁厚系數(shù)。

式中r——支口與主口連接外輪廓部分的曲率半徑，mm。

式中L——支管補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域的高度，mm。

式中AR——開孔處所需補(bǔ)強(qiáng)面積，mm2；

D0——主管與支管過渡區(qū)域的內(nèi)徑（去除加工和腐蝕裕量后的厚度），mm；

K5——開孔處所需補(bǔ)強(qiáng)面積系數(shù)。

當(dāng)三通主管端面至中心的距離C≤D0，即：

當(dāng)C∧D0，即：

P、D、d、S、C、K1、K2、K3、K4、K5參數(shù)為已知參數(shù)；T參數(shù)為未知參數(shù)。

筒體壁厚的設(shè)計(jì)，與直管的壁厚設(shè)計(jì)方法一樣，通常采用公式（2）來進(jìn)行計(jì)算，但考慮筒體的設(shè)計(jì)壁厚與拔制三通的設(shè)計(jì)壁厚差別比較大，而且兩者還需要進(jìn)行組合焊接；因此，筒體壁厚的設(shè)計(jì)，不僅要滿足承壓能力的要求，還應(yīng)滿足焊接規(guī)范要求。

管帽及其他附件的設(shè)計(jì)，可參照GB 150—2011《壓力容器》等標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行。

2.3 拔制三通組合焊接式匯氣管的組合焊接

拔制三通組合焊接式匯氣管所需的拔制三通、筒體、管帽等零部件生產(chǎn)制造完成后，則需要按匯氣管的工藝要求，將這些零部件依次組合焊接起來。

考慮匯氣管承受壓力大，因此，拔制三通組合焊接式匯氣管的各個(gè)零部件之間的焊縫在焊接前，必須先依據(jù)GB 150—2011、NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》等規(guī)范，選擇合適的焊接工藝，然后進(jìn)行焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，待焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)合格后，方可進(jìn)行焊接。

拔制三通組合焊接式匯氣管各個(gè)零部件之間的焊縫，通常可以采用焊條電弧焊、氣體保護(hù)焊、STT氣保護(hù)半自動(dòng)焊+藥芯自保護(hù)焊、焊條電弧焊/氣體保護(hù)焊+埋弧自動(dòng)焊等工藝來進(jìn)行焊接。同時(shí)，考慮各個(gè)零部件之間焊縫的實(shí)際情況，通常只能從零部件或匯氣管的外部進(jìn)行焊接；因此，只能采用單面焊接、雙面成型的工藝來進(jìn)行焊接。當(dāng)然，對(duì)于大直徑的匯氣管來說，可進(jìn)行雙面焊接。綜合考慮匯氣管的工藝要求及生產(chǎn)效率，單面焊接、雙面成型的焊接工藝適用性會(huì)更好一點(diǎn)。

此外，由于在設(shè)計(jì)拔制三通壁厚過程中，要考慮分支口的補(bǔ)強(qiáng)，其設(shè)計(jì)壁厚通常要比筒體、管帽等零件的設(shè)計(jì)壁厚厚很多；因此，拔制三通與筒體、拔制三通與管帽之間的焊接，通常是“不等壁厚型式”的焊接。依據(jù)GB 50251—2015標(biāo)準(zhǔn)附錄H中的要求，可采取圖3所示的拔制三通與筒體和管帽的焊接坡口型式來進(jìn)行組對(duì)焊接。

圖3 拔制三通與筒體和管帽的焊接坡口型式

拔制三通組合焊接式匯氣管最終組對(duì)、焊接完成后，還需分別對(duì)每一條焊縫進(jìn)行無損檢測，即超聲波檢測、磁粉檢測和X射線檢測。焊縫的檢測驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)可參考JB/T 4730—2005《承壓設(shè)備無損檢測》、ASME等。

3 拔制三通組合焊接式匯氣管的優(yōu)點(diǎn)

從拔制三通組合焊接式匯氣管的制造工藝可以看出，這一種結(jié)構(gòu)的匯氣管就是由若干個(gè)零部件組合焊接而成，有很多優(yōu)點(diǎn)。

（1）拔制三通組合焊接式匯氣管所需的拔制三通、筒體、管帽等各個(gè)零部件加工制造難度小，且拔制三通、管帽可作為標(biāo)準(zhǔn)件來生產(chǎn)；

（2）拔制三通組合焊接式匯氣管的承壓能力強(qiáng)，能夠滿足管道發(fā)展需求；

（3）拔制三通組合焊接式匯氣管的材質(zhì)、規(guī)格直徑可不受制約，可擴(kuò)大其應(yīng)用范圍；

（4）拔制三通組合焊接式匯氣管制造成本低，產(chǎn)品性能穩(wěn)定、可靠。