一種大口徑超大壁厚鋼管成型工藝的研究與應(yīng)用

成 蕾，馬 謙，蘇景富，汪 超

（渤海裝備南京巨龍鋼管有限公司，江蘇南京 210061）

0 引言

南京巨龍鋼管有限公司是中國石油天然氣集團(tuán)渤海石油裝備制造公司獨(dú)資興建的法人企業(yè)，專業(yè)從事石油天然氣輸送用高標(biāo)準(zhǔn)直縫埋弧焊鋼管制造、內(nèi)外防腐于一體的大型企業(yè)。目前，公司生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)能力為管徑Φ508～1422 mm、壁厚40 mm以下，因市場開拓需要，公司承接一個(gè)規(guī)格為Φ1219×50 mm的項(xiàng)目，該項(xiàng)目已經(jīng)嚴(yán)重超出公司生產(chǎn)線的當(dāng)初設(shè)計(jì)能力。為此，公司針對如何生產(chǎn)超大壁厚鋼管，開展一系列的PDCA活動(dòng)，通過公司技術(shù)攻關(guān)生產(chǎn)，達(dá)到項(xiàng)目的預(yù)定目標(biāo)，為公司擴(kuò)大生產(chǎn)經(jīng)營范圍打下良好的基礎(chǔ)。

1 現(xiàn)狀調(diào)查

1.1 不同項(xiàng)目技術(shù)要求對比

根據(jù)Φ1219×50 mm項(xiàng)目技術(shù)要求，并與公司之前生產(chǎn)類似項(xiàng)目成品管的噘嘴、錯(cuò)邊、鋼管橢圓度對比（表1）。通過成型后外觀尺寸對比，該項(xiàng)目技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求嚴(yán)格，鋼管壁厚最大，生產(chǎn)過程中將對設(shè)備狀態(tài)和工藝參數(shù)要求極為嚴(yán)格。

表1 不同項(xiàng)目鋼管外觀尺寸對比

1.2 關(guān)鍵工序工藝參數(shù)研究

依據(jù)前期公司生產(chǎn)壁厚大于30 mm規(guī)格鋼管的銑邊坡口類型、預(yù)彎模具組合、成型模具組合、成型步長、預(yù)焊電流的統(tǒng)計(jì)，壁厚大于30 mm鋼管關(guān)鍵工序工藝參數(shù)見表2。認(rèn)為生產(chǎn)Φ1219×50 mm規(guī)格鋼管的坡口類型采用V形，且模具組合需要適應(yīng)更厚鋼板成型：①鋼管的噘嘴主要靠預(yù)彎機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，由于預(yù)彎機(jī)的鋼板折彎所需的壓力和壁厚控制已達(dá)到設(shè)計(jì)極限，如何通過工藝調(diào)整控制管型噘嘴，使用現(xiàn)有的模具和工藝?yán)碚撜{(diào)節(jié)已不合適，需要進(jìn)行工藝的摸索和優(yōu)化；②鋼管的錯(cuò)邊和橢圓度的控制重點(diǎn)由成型機(jī)和預(yù)焊機(jī)調(diào)節(jié)，由于成型機(jī)、預(yù)焊機(jī)的設(shè)計(jì)壓力和壁厚控制已達(dá)到設(shè)計(jì)極限，通過工藝調(diào)整控制管型錯(cuò)邊、橢圓度，使用現(xiàn)有的模具和工藝?yán)碚撜{(diào)節(jié)已不合適，需要進(jìn)行工藝的摸索和優(yōu)化；③因壁厚超過工藝設(shè)計(jì)范圍，容易造成預(yù)焊合縫后崩開，成型需要將開口縫控制到更??；④預(yù)焊合縫焊接后，因焊接輸入量過小，鋼管合縫后反彈力較大，預(yù)焊過程極易引起鋼管崩裂。

表2 壁厚大于30 mm鋼管關(guān)鍵工序工藝參數(shù)

1.3 不合格原因分析

通過對新粵浙、中俄以及紫金管廠等項(xiàng)目不合格原因統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)成型管型控制不到位是大壁厚鋼管生產(chǎn)困難的主要原因（表3）。

表3 不合格問題統(tǒng)計(jì)

2 實(shí)施對策

2.1 選定預(yù)彎機(jī)特殊曲率的模具

預(yù)彎機(jī)由4#上模更換為3#上模，預(yù)彎機(jī)所需的折彎壓力大于等于鋼板折彎面積×鋼板屈服強(qiáng)度，預(yù)彎上模模具弧度是以漸開線的曲率分布，圖1a）箭頭所示是4#上模與鋼管理論曲率相同的位置，圖1b）所示箭頭是3#上模與鋼管理論曲率相同的位置，預(yù)彎機(jī)特殊曲率的模具如圖1所示。3#上模的折彎邊長度較4#上模明顯減小，在相同的步長，3#上模的折彎面積更小，所需壓力滿足預(yù)彎機(jī)極限壓力。

圖1 預(yù)彎機(jī)特殊曲率的模具

2.2 選定成型機(jī)并選定特殊曲率的模具

安裝激光測距儀，在成型北側(cè)推料小車安裝激光測距儀，以及顯示數(shù)值裝置，通過激光測距數(shù)值變化，可以模擬判斷鋼板理化變化程度，及時(shí)調(diào)整后續(xù)壓制點(diǎn)參數(shù)，保證成型后鋼管工藝參數(shù)穩(wěn)定，成型激光測距如圖2所示。通過激光測距裝置對成型過程中的數(shù)字顯示，保障鋼管的性能穩(wěn)定，鋼管成型后工藝參數(shù)值均能滿足工藝標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖2 成型激光測距示意

2.3 優(yōu)化預(yù)彎工藝參數(shù)

優(yōu)化預(yù)彎工藝參數(shù)，降低預(yù)彎的玄高和直邊數(shù)值，玄高設(shè)定為4.1±0.5 mm，直邊設(shè)定為10～25 mm。據(jù)統(tǒng)計(jì)Φ1219×50 mm規(guī)格鋼管噘嘴合格率，調(diào)整預(yù)彎的玄高值和直邊后，成型后的噘嘴合格率控制在95.2%。

2.4 選定成型模具

該規(guī)格在成型模具參數(shù)表上并未列出，為確保鋼板折彎曲率符合要求，根據(jù)計(jì)算公式，上模圓弧半徑選擇：

式中 R——上模圓弧半徑，mm

Rp——上模理論圓弧半徑，mm

根據(jù)式（1），上模圓弧半徑應(yīng)在270～450 mm。圓弧半徑為300 mm的窄上模，能夠減少成型壓制所需壓力。下模開檔選擇按照成型機(jī)模具參數(shù)表，下模開檔應(yīng)為360 mm，由于預(yù)彎使用了3#上模，折彎邊不足50 mm（參考1219×33×80 mm），應(yīng)盡量減小開檔，縮小成型壓制中心與預(yù)彎圓弧的距離。

開檔寬度=（（預(yù)彎折彎邊長度+上模寬度/2）-20）×2，可得出開檔寬度應(yīng)小于340 mm。較大的開檔寬度有利成型減小壓制力，故選擇開檔寬度為340 mm。

2.5 優(yōu)化成型工藝參數(shù)

減小成型壓制步長，成型上模選擇圓弧半徑為300 mm的模具，相比理論圓弧半徑519 mm，圓弧半徑減小程度較大，較小的圓弧半徑，其壓制接觸面也會(huì)對應(yīng)減小，所以需要減小步長，使得相鄰兩步之間的接觸面能夠重疊，使得鋼管圓滑過度。減小開口縫，較小的開口縫，有利于預(yù)焊合縫，也有利于保證鋼管噘嘴符合工藝標(biāo)準(zhǔn)?？s小下死點(diǎn)位置范圍，下死點(diǎn)位置接近，反映每一步之間壓力接近，鋼板折彎程度基本一致，有利于減小鋼管橢圓度。通過優(yōu)化成型工藝參數(shù)，減小步長和開口縫，以及減小壓制下死點(diǎn)數(shù)值范圍，確保鋼管圓滑過度，減小鋼管橢圓數(shù)值，橢圓度合格率達(dá)到了95.25%的目標(biāo)，Φ1219×50 mm規(guī)格鋼管工藝調(diào)整參數(shù)見表4。

表4 Φ1219×50 mm規(guī)格鋼管工藝參數(shù)

2.6 優(yōu)化預(yù)焊工藝參數(shù)

該壁厚鋼板坡口是通過火焰切割加工而成，鈍邊和坡口尺寸精度不高，鋼管合縫后，焊縫存在較大間隙，容易出現(xiàn)焊漏現(xiàn)象。因此，在預(yù)焊之前應(yīng)做如下準(zhǔn)備工作：①打磨鋼板坡口，提高鈍邊平整度；②減小成型開口縫；③增加預(yù)焊各缸預(yù)緊力。通過減小預(yù)焊電流和焊絲尺寸，降低預(yù)焊燒穿鈍邊的情況發(fā)生；增加1#和8#輥角度，保證焊縫錯(cuò)邊≤1.5 mm。通過優(yōu)化預(yù)焊參數(shù)后，預(yù)焊質(zhì)量穩(wěn)定，焊瘤現(xiàn)象較少，無錯(cuò)邊超標(biāo)問題出現(xiàn)，錯(cuò)邊合格率為100%。減少預(yù)焊熱輸入量后，鋼管焊縫易開裂，在預(yù)焊后增加一道手工氣保焊，增加其熱輸入量，保證焊縫有足夠的強(qiáng)度，避免鋼管焊縫崩裂。

3 項(xiàng)目取得成果及應(yīng)用效果

通過該成型工藝方案的實(shí)施，大口徑超大壁厚直縫埋弧焊鋼管的各項(xiàng)參數(shù)得到很好的控制，取得質(zhì)量改進(jìn)的效果如下：①完成Φ1219×50 mm超大壁厚生產(chǎn)，該規(guī)格鋼管合格率從75%提升到95.1%，成型管型控制不到位對鋼管的影響也從91.6%降低到28.8%；②直接效益。經(jīng)營銷統(tǒng)計(jì)，Φ1219×50 mm超大壁厚鋼管交付業(yè)主后，共計(jì)獲利數(shù)十萬元，利益可觀；③間接社會(huì)效益。公司本次通過成型工藝研究，成功完成Φ1219×50 mm超大壁厚鋼管的生產(chǎn)，不但達(dá)到業(yè)主的產(chǎn)品參數(shù)的要求順利交貨，而且完善了公司產(chǎn)品覆蓋范圍，也標(biāo)志著公司有能力批量生產(chǎn)壁厚在40～50 mm的鋼管，是對公司生產(chǎn)線實(shí)際生產(chǎn)能力的一次驗(yàn)證，對后續(xù)市場開拓有把握承接類似的鋼管訂單，有信心拿下更多的市場贏單。因此，此次Φ1219×50 mm超大壁厚直縫鋼管管型控制工藝優(yōu)化成功具有重大的市場意義。