優(yōu)化定尺切割在提高HFW焊管成材率中的應用

張新民，郝向利，丁 輝，褚程國，王海峰

（中海石油金洲管道有限公司，浙江 湖州 313000）

HFW高頻焊管由于其生產工藝的原因，材料損耗率在10%以上，與埋弧焊管工藝相比成材率低，生產成本高。在多數的管線項目中，客戶對定尺管的交貨數量有嚴格的規(guī)定，短尺管允許交貨的比例通常在2%～5%。而海洋石油管線通常不允許非定尺管交貨。但HFW焊管鋼卷對頭管和停機焊接缺陷管需要切除，會產生不少短尺管，浪費較大。通過優(yōu)化切割，減少短尺管的產生，對提高產品成材率，降低生產成本非常有意義。

1 中大直徑HFW焊管生產特點

1.1 中大直徑HFW生產線效能利用的特點

對于配備中大直徑如Φ219.1～610 mm高頻直縫焊管生產線的鋼管廠，國內幾家均采用有活套裝置的連續(xù)生產工藝［1］，生產線前后工藝環(huán)節(jié)多，距離長，每次生產準備的工作量大，材料和工時都會無法有效利用。只有生產批量大、直徑大、壁厚大、鋼級高、技術含量高和合同包含規(guī)格少的“三大兩高一少”項目，才能有較好的經濟效益。當單一規(guī)格訂貨批量較大時，調型和首檢材料損耗可以忽略。而對于單個規(guī)格低于300 t的訂單，由于換配套工模具、活套引料、調型及首批檢驗等影響，調型和試驗產生的廢品占比增加，非有效生產的工時占比增加，生產線效能利用率變差，因此應盡可能拼單生產。通常，直徑406～610 mm，壁厚10～19 mm，批量在300 t以上的訂單是比較經濟的。而管徑在323.9 mm以下的3個規(guī)格由于原料需要縱剪后使用，增加了材料消耗和加工費，同時單位時間生產的鋼管產量降低，生產線效能利用也會較差。

1.2 HFW焊管成材率的一般狀況

對于采用高頻直縫電阻焊方式生產的鋼管廠，鋼材原料成本占生產成本的80%以上，而合格管的成材率對生產成本影響相當大。根據目前的原料價格水平測算，成材率提高1%，剔除廢鋼殘值后生產成本每噸可降低40元左右。除生產因素外，訂貨批量和大小規(guī)格的比重及附加要求，均對成材率影響很大。一般行業(yè)指標中，縱剪成材率為98%～99%，焊管成材率為92%～94%，合同管合格品率為 96%～98%，合同管成材率為 88%～90%［2］。

1.3 HFW焊管材料損耗的統計分析

HFW高頻焊管在生產過程中，縱剪、切頭尾、銑（刨）邊、去內外毛刺、切對頭管、平端面坡口、外觀修磨、短尺管和檢驗降級等，都會產生原材料損耗，通常達到10%，有時會更高［3－4］。通過對中海石油金洲管道有限公司（簡稱中海油金洲管道）多年生產數據的統計分析，不考慮調型、首檢和試驗損耗的情況下，各種損耗占比見表1。

表1 HFW高頻焊管工藝典型規(guī)格各種材料損耗百分比統計

由表1可見，縱剪邊絲、板頭板尾、銑（刨）邊絲、內外毛刺和對接頭管等損耗屬于工藝原因，難以避免或降低比例。成品檢驗不合格降級屬于整體生產質量水平原因，需綜合提高。短尺管損耗比例較大，應重點控制。特別是大直徑大壁厚鋼管，每卷材料能夠生產的鋼管數量較少，短尺管損耗占比增加，更有必要采取控制措施。

2 優(yōu)化定尺切割提高HFW焊管生產成材率

優(yōu)化定尺切割就是通過控制措施和技術，使每卷材料生產的鋼管最大可能地切割成定尺長度鋼管或能交付的短尺管，減少不能交付的短尺管的比例，提高成材率。對于中大直徑HFW鋼管生產線，優(yōu)化定尺切割對降低生產成本意義很大［5］。

2.1 鋼卷采購長度的優(yōu)化

根據生產工藝和設備特性，當鋼廠原料寬度公差控制比較理想時，確定相對準確的原材料訂貨寬度，可以減少銑（刨）邊量和擠壓成型產生的毛刺，最大程度地減少縱剪、銑（刨）邊絲和內外毛刺產生的損耗。通過研究，確定了常用規(guī)格的原料訂貨目標寬度，具體見表2（其中Φ219.1 mm和Φ273.1 mm兩個規(guī)格為縱剪前雙倍板寬的原料寬度）。

表2 常用規(guī)格原料訂貨目標寬度 mm

當鋼卷板寬和板厚確定后，其長度由質量決定。每卷材料的質量有一定公差，通過協商一般在±0.5 t左右。管廠訂貨時，通過訂貨長度優(yōu)化測算，對每種規(guī)格的鋼卷質量提出目標質量要求，使鋼卷達到測算的目標長度可有效減少短尺管損耗。理論上每卷質量越大，生產的鋼管數量越多，而對頭管只有一個，損耗占比會減小，所以目標鋼卷質量應盡可能接近鋼廠能提供的最大鋼卷質量。

客戶定尺長度確定后，每根鋼管的質量隨之確定，如Φ406.4 mm×12.7 mm規(guī)格，定尺長度為12.2 m時，單根鋼管理論質量為1.504 t。如鋼廠此規(guī)格的鋼卷最大允許質量為25 t時，每卷若生產15根鋼管，質量為22.56 t，加上必要的損耗（通常約為1根管長），訂貨的目標質量選擇24.2 t比較合適。如果實際交付鋼卷質量偏差較大，則必然產生1根較長的短尺管無法交貨，浪費量較大。對于不允許交付短尺管的項目，事先測算和確定原料訂貨長度參數有重要的意義和價值。中海油金洲管道公司根據實際生產經驗確定的目標鋼卷質量值，具體見表3（鋼管定尺長度為12.2 m）。

表3 幾種典型規(guī)格鋼卷訂貨目標質量值 t

2.2 非正常停機的時機優(yōu)化

在生產過程中，由于內外毛刺清除刀具異常、工藝參數調整、焊頭處試驗取樣和非關鍵設備異常等原因，有時需要在鋼卷生產中停機處理，再次開機后的缺陷位置無法修補，產生的焊接缺陷管需要切除。而這種停機的時機多數是可以選擇和優(yōu)化的，可使已焊接鋼管長度剛好能切割成定尺管。

焊管飛鋸切斷崗位與控制生產線開停機的成型焊接崗位相距較遠，在生產線人為停機時，無法掌握前一個對頭管（或缺陷管）位置距目前焊接位置的長度。因此，在成型焊接崗位附近，設計安裝了一套動態(tài)測長設備，通過測長編碼器和PLC控制，能夠實時提供目前焊接位置距前一個對接頭（或缺陷管）位置的鋼管長度值，結合定尺參數要求和設備之間的實際距離長度，達到理想切割位置區(qū)段時給出可停機操作報警信號，操作員在需要時可根據信號立即進行停機，實現優(yōu)化切割的目的。

動態(tài)測長設備由測速輥裝置、編碼器、PLC控制設備、操作報警裝置組成，可實時正反向測量鋼管長度，設置修改定尺參數，顯示鋼管位置信息，對停機時機進行聲光報警。在鋼管焊接位置到達鋼卷對頭處，或非正常停機產生焊接缺陷時，手動或開機時自動向系統發(fā)送一個位置跟蹤信號（對頭管或停機缺陷管），系統收到信號后，動態(tài)測長數值復位，開始重新測長。當已焊合格管長度大于定尺長度整數倍的3 m以內，發(fā)出停機提示信號，否則發(fā)出不適合停機信號?？紤]到對頭管環(huán)焊縫兩側各3 m為不穩(wěn)定區(qū)域，重新開機后1 m為不穩(wěn)定區(qū)域，系統計算已焊合格管長度時應進行修正，先減去相應長度（3 m或1 m）。在線動態(tài)測長非正常停機提醒系統操作界面如圖1所示。

圖1 在線動態(tài)測長非正常停機提醒系統操作界面

2.3 設備定尺長度的參數設置優(yōu)化

目前HFW生產線配備的飛鋸設備，都是通過計算機和PLC自動控制，能夠實時測量生產速度并自動按定尺長度切斷鋼管，定尺長度參數能夠設定并實時修改。但一般飛鋸設備均無法測量切斷位置距下一個對接頭（或缺陷管）位置的距離，不能計算剩余合格管長度和能夠切割鋼管的數量，使得最后一根鋼管短尺長度較長而浪費較大。多數項目允許交付2%～5%短尺管，利用設備定尺長度參數優(yōu)化和實時修改，可最大可能利用原料長度。

HFW焊管生產線生產工藝布局大多類似，一般鋼管焊接位置與鋼管切斷位置相距約140 m，中間包括熱處理設備、空冷段、水冷段和定徑設備。在鋼管焊接位置到達對頭處時，或者非對頭位置停機產生焊接缺陷時，人工或開機時自動向飛鋸設備發(fā)送一個位置跟蹤信號。這樣飛鋸設備完成每次切割后，就能通過編程自動計算剩余合格管長度和能夠切割的鋼管數量，自動修改最后兩三根鋼管的定尺參數，減少不能交付的短尺管數量。

考慮到對頭管環(huán)焊縫兩側各3 m為不穩(wěn)定區(qū)域，重新開機前0.3 m為不安全切割區(qū)域，系統計算已焊剩余合格管長度時應進行修正，先減去相應長度（3 m或0.3 m）。一般情況下，飛鋸設備切割速度能滿足短尺管切割長度的要求，接管平臺和離線切割平臺能滿足存放“對接管+定尺管”長度的要求，不需要考慮設備對切割長度限制的影響。最后一根短尺管和對頭管可連在一起，在離線平臺上再切成可交付的短尺管。因此，根據常見的兩種最小短尺管長度值，設計了兩種優(yōu)化流程方案。

（1）優(yōu)化流程方案一。假設L為目前切割位置至下一對頭管（或缺陷管）位置的合格鋼管長度，L1為定尺長度12 m，L2為允許交貨的短尺長度（最小值8 m），L′為繼續(xù)切斷一根定尺管后的剩余長度，優(yōu)化切割流程選擇編程方案一，具體見表4。

（2）優(yōu)化流程方案二。假設L為目前切割位置至下一對頭管（或缺陷管）位置的合格鋼管長度，L1為12 m，L2為允許交貨的短尺長度（最小值10 m），優(yōu)化流程選擇編程方案二，具體見表4。

表4 優(yōu)化流程編程方案

飛鋸設備程序優(yōu)化后增加的操作界面如圖2所示。通過實際安裝應用，操作人員反映實用方便，能有效增加可交付短尺管的數量。

圖2 飛鋸設備程序優(yōu)化后增加的操作界面

3 結 語

中大直徑HFW焊管生產成材率對成本的影響較大，應從原料訂貨開始全面考慮提高成材率。利用現代檢測控制技術，通過設備改造，優(yōu)化定尺切割程序，可使原料利用率提高。通過鋼卷采購長度優(yōu)化、非正常停機時機優(yōu)化和設備定尺長度參數設置優(yōu)化等措施和技術的應用，使鋼管成材率平均提高了1%以上，具有一定的參考價值。