COE新型制管工藝應用研究

陳 昌，裴銀柱，黃克堅，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新型制管工藝應用研究

陳 昌1，裴銀柱2，黃克堅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。在對鋼管成型技術(shù)、預焊技術(shù)和擴徑技術(shù)進行分析的基礎(chǔ)上，開發(fā)出COE直縫埋弧焊管制造工藝。應用實踐表明：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；高頻預焊；水壓擴徑

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，主要應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，在市場沒有競爭優(yōu)勢。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。考慮到上述因素的存在，小直徑管線設(shè)計一般選用價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，利用排輥對鋼板進行輥壓成型形成管坯，再對管坯進行預焊、埋弧焊。這種鋼管制造機組命名依據(jù)GB 50468—2008焊管工藝設(shè)計規(guī)范，其制造工藝流程如圖1所示。COE工藝利用排輥對鋼板進行彎曲加工，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)計的指導思想主要包括兩點：

（1）排輥成型具有精度高和效率高的優(yōu)勢，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)歷了高頻預焊、內(nèi)埋弧焊、外埋弧焊3個工序。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，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，都已經(jīng)有能力進行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)上取得了明顯進步，先后進行了X90和X100等高鋼級熱軋卷板試制，并取得了豐富的經(jīng)驗。

表1是國內(nèi)一家鋼廠X60熱軋卷板縱橫向性能對比，對比結(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母材性能的技術(shù)要求。

表1 熱軋卷板縱橫向性能對比

2.2 采用高頻預焊

從開卷上料到定尺下料（如圖1所示），COE工藝利用這一工作區(qū)間實現(xiàn)整條生產(chǎn)線管坯的快速供應。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)間要求工件應立即進行預焊合縫。為此開發(fā)了高頻預焊技術(shù)，該技術(shù)利用高頻電源及感應器，在集膚效應及鄰近效應的作用下，焊縫坡口區(qū)域的局部金屬進入熔融狀態(tài)，同時通過擠壓輥的作用，熔融金屬完成鍛焊形成預焊縫，有效解決了COE快速成型技術(shù)難題。高頻預焊及焊縫如圖3所示。

圖3 高頻預焊及焊縫

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)計對內(nèi)、外埋弧焊機組進行如下配置：內(nèi)焊機組5條，外焊機組4條。應用實踐證明，這種組合設(shè)計與排輥成型的速度節(jié)奏相匹配。其內(nèi)焊機組如圖4所示。

圖4 內(nèi)焊機組

2.4 采用開發(fā)水壓擴徑

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

圖5 水壓擴徑機組

3 應用對比

3.1 外觀性能的對比分析

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，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鋼管壁厚偏差對比表。

表2 UOE、JCOE及COE鋼管壁厚偏差對比

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。對比數(shù)據(jù)表明，COE鋼管壁厚較為均勻，這是因為UOE、JCOE工藝分別采用的是模壓預彎板邊及機械擴徑技術(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)及水壓整管擴徑技術(shù)，壁厚相對均勻。

COE與HFW鋼管壁厚偏差對比見表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。但COE的后續(xù)工藝還采用水壓擴徑，對鋼管進行整體控制成型，無局部拉伸因素，水壓擴徑后，鋼管壁厚均勻。

COE與無縫管壁厚偏差對比見表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，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，加工之后鋼管壁厚均勻性遠遠不如COE鋼管。

表3 COE與HFW鋼管壁厚偏差對比

表4 COE與無縫管壁厚偏差對比

3.1.2 成品鋼管直度偏差對比分析

成品鋼管（12 m）直度對比分析見表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，存在較大的殘余應力，致使鋼管彎曲，在精整過程中，采用機械擴徑方式消除殘余應力，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徑，外包模固定不變成一直線，與UOE和JCOE鋼管相比，變形相對均勻，直線度較好，直線度可達到無縫管、高頻焊管水平。

表5 成品鋼管直度對比分析

3.1.3 圓弧度

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

表6 鋼管圓弧度對比分析

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，管坯進行封閉孔型壓縮，其模具嚴格按鋼管外圓尺寸設(shè)計，因此，管坯圓弧度比較好。在精整階段，JCOE和UOE一般進行機械擴徑，這是一種步進式逐次擴徑形式，特別是擴頭設(shè)計原理是等角度同圓心對鋼管定徑，各脹塊的圓弧曲率只是與鋼管曲率在幾何上近似，擴徑后鋼管還要進行彈性恢復，因此，模具的設(shè)計非常關(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徑，其擴徑模具內(nèi)壁弧度是按鋼管外徑進行設(shè)計，不受壁厚的影響，鋼管經(jīng)過水壓擴徑后，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)場的對接。

3.2 理化性能對比分析

3.2.1 拉伸性能

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

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鋼管有個壓縮的過程，所以屈服強度略有下降。COE制管工藝的這個特點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屈強比指標的要求，一般這些特殊管線鋼管屈強比指標要求低于0.85。

表7 鋼管拉伸性能對比分析

3.2.2 焊縫彎曲性能

表8為鋼管彎曲性能對比分析表。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。

表8 鋼管彎曲性能對比分析

3.2.3 焊縫沖擊性能

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

3.2.4 落錘性能

表10是落錘性能對比分析。從表10可以看出，落錘性能基本相當，都合格。因為落錘試驗與母材的關(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進行衡量，這里主要通過焊縫無損檢測結(jié)果進行說明（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；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，在薄板的預彎及成型中，會產(chǎn)生管體管端的變形量差別，板邊會產(chǎn)生曲翹，在預焊時會產(chǎn)生錯邊、預焊停焊和手工補焊，且單根成型管端預焊通常也要手工補焊，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，在預焊手工補焊位置容易形成夾渣和氣孔。而COE是連續(xù)板邊預彎、成型及預焊，板邊變形一樣，預焊完后再鋸切，對預焊來說為全長自動預焊接，沒有管端和管體的差別，整根鋼管預焊質(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，COE技術(shù)有明顯的質(zhì)量優(yōu)勢。

表11 不同工藝鋼管無損檢測結(jié)果

3.4 經(jīng)濟性

（1）與UOE和JCOE工藝相比，COE采用卷板作為原材料，價格比平板低。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，上料之前需對卷板進行開平，其開平費及倒運費會讓鋼管成本有所上升。

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

（3）COE采用的是連續(xù)成型、連續(xù)預焊工藝，實現(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預焊工藝由于都采用氣體保護焊，速度不宜過快，最高速度一般可達3.5 m/s。其生產(chǎn)效率對比結(jié)果見表12。

表12 不同工藝鋼管生產(chǎn)效率對比

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

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

[1]楊秀琴.關(guān)于我國焊接專用管的發(fā)展情況[J].鋼管，2012，41（2）：1-8.

[2]劉彪.我國油氣管道建設(shè)及鋼材需求情況[N].世界金屬導報，2014，09（29）：B15.

[3]王曉香.以焊管裝備技術(shù)進步推動焊管產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[J].鋼管，2012，41（5）：1-5.

[4]王紅菊，張延萍.全球油氣管道建設(shè)概況[J].油氣儲運，2015，34（1）：15-18.

[5]彭在美，沈發(fā)楚，嵇紹偉.我國UOE/JCOE直縫埋弧焊管機組的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].鋼管，2013，42（2）：1-5.

[6]趙春友.COE中直徑直縫雙面埋弧焊管的研制與生產(chǎn)[J].新產(chǎn)品研發(fā)，2014，43（4）：33-36.

[7]趙春友.生產(chǎn)中口徑直縫雙面埋弧焊鋼管的機組及鋼管成型方法：中國，200910137974.3[P].2012-02-08.

[8]趙春友.中口徑直縫雙面埋弧焊鋼管管體初成型裝置：中國，200920012464.9[P].2010-01-20.

[9]番禺珠江鋼管有限公司.大直徑埋弧焊管快速生產(chǎn)方法：中國，200710033068.X[P].2008-07-09.

[10]催建立.直縫埋弧焊管制造方法:中國，CN201110003728[P].2012-10-10.

[11]周秀峰.直縫埋弧焊管新工藝研究及實踐[J].石油機械，2015，43（6）：128-131.

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 文獻標志碼：B DOI:10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.05.007

陳 昌（1946—），男，廣東番禺人，高級經(jīng)濟師，中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會鋼管分會副理事長，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踐經(jīng)驗，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踐經(jīng)驗，聚五百余幅圖表和詳實的第一手數(shù)據(jù)為素材,對高頻直縫焊管的近現(xiàn)代生產(chǎn)理論進行了較為完整的論述，并針對焊管生產(chǎn)工藝中的關(guān)鍵技術(shù)、存在的技術(shù)問題，提出了相應的解決方案。

本書共分14個章節(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)計及焊管生產(chǎn)管理等，側(cè)重焊管成型和孔型設(shè)計，注重理論聯(lián)系實際。本書內(nèi)容反映了高頻直縫焊管的最新理論和實踐成果，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

聯(lián)系電話：13052987096

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