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 匯氣管的結構和應用情況

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

從目前國內外匯氣管的應用現狀來看，匯氣管主要有兩種結構：一種是傳統的開口焊接結構，即先在筒體上開孔，然后再與鋼管或鍛制加厚接管焊接，從而構成匯氣管，其特點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構，即先在筒體上開孔，然后對筒體上開口位置以加熱方式拔出一個分支口，分支口與筒體是一個整體，其過渡區為圓弧過渡形式。對于整體拔制結構的匯氣管，其主管壁厚不僅要滿足高壓下的強度要求，還要滿足支管開孔處的補強要求；因此，整體拔制結構的匯氣管，其筒體的壁厚就相對比較厚；另外，受拔制水平的影響，分支口的拔制高度不會太高，而且分支口直徑與筒體直徑的比值也不能太大。但是對于高壓匯氣管，拔制結構在外觀、結構受力和焊接質量方面都優于焊接結構的匯氣管［4-7］。

分析以上兩種結構匯氣管的特點，可以看出，整體拔制結構匯氣管具有承壓能力高、焊縫質量好等優點，但是整體拔制結構匯氣管在加工制造過程中有諸多難點。首先，整體拔制結構匯氣管要求其筒體壁厚比較厚，這就決定了整體拔制結構匯氣管的長度不能太長，否則就無法生產出所需的筒體；其次，由于整體拔制結構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過多次加熱，這將會導致匯氣管分支口處材料性能的變化，尤其是對于X60或更高鋼級材料而言，其材料性能的變化會非常大，因此匯氣管成型后還需要重新對其進行整體熱處理，同時整體拔制結構匯氣管的結構尺寸也不能太大，否則很難進行整體熱處理；其三，由于整體拔制結構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，國內外管道建設普遍向著高壓、高鋼級、大壁厚、大直徑的方向發展，然而從以上兩種結構的匯氣管來看，對于高壓、高鋼級、大壁厚的匯氣管來說，無論是開口焊接結構的匯氣管，還是整體拔制結構的匯氣管，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，即依據匯氣管的工藝設計要求，先生產出相應規格直徑的拔制三通、筒體、管帽等產品，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構如圖1所示。

圖1 拔制三通組合焊接式匯氣管的結構示意

2.1 拔制三通組合焊接式匯氣管的工藝設計

拔制三通組合焊接式匯氣管是在整體拔制結構匯氣管的基礎上演變而來，但拔制三通組合焊接式匯氣管在設計、制造過程中，又與整體拔制結構匯氣管有很大不同。

拔制三通組合焊接式匯氣管在生產制造前，首先應進行工藝設計。即依據匯氣管的工藝要求，先確定各個拔制三通的規格直徑、筒體的長度尺寸及其他配件的規格尺寸。通常每件匯氣管都會有幾個規格直徑不同的分支口，而且還會給出各個分支口之間的相對位置關系，而拔制三通的規格直徑、筒體的長度尺寸正是依據這一工藝要求來進行設計的。簡單來說，就是將工藝要求的匯氣管從結構尺寸上分解成各個獨立的部分，如圖1所示。

此外，在工藝設計過程中，還應充分考慮分解后的每一個零部件，在生產制造過程中是否有難度，零部件之間相互焊接時是否有難度，零部件之間的焊接是否能滿足相關標準規范的要求，匯氣管焊接成型后是否能夠進行檢驗與測試。在確保沒有任何工藝問題的情況下，方可進行后續的壁厚和強度設計。

2.2 拔制三通組合焊接式匯氣管的壁厚設計

將工藝要求的匯氣管分解成若干個零部件后，匯氣管實際上就是由不同規格的拔制三通、筒體、管帽等組成。匯氣管壁厚的設計，也就變成了拔制三通、筒體、管帽等產品的壁厚設計。

拔制三通壁厚的設計，通常采用等面積補強法來進行設計與校核，在GB 50251—2015《輸氣管道工程設計規范》、SY/T 0518—2002《油氣管道鋼制對焊管件設計規程》、ASME B 31.8—2016《輸氣和配氣管道系統》、ASME B 31.3—2012《工藝管道》等標準規范中，都有詳細的設計計算過程。依據GB 50251—2015，可確定拔制三通等面積補強的數學模型，拔制三通的補強結構如圖2所示［15］。

依據GB 50251—2015要求，建立的拔制三通和管線開孔等面積補強的數學模型如下：

式中tb——與支管相連接管線的計算厚度，mm；

P——設計內壓，MPa；

d——支管外徑，mm；

S——材料的標準許用應力，MPa；

K1——產品的設計系數。

式中tr——與主管相連接管線的計算厚度，mm；

D——主管外徑，mm。

式中Tr——主管肩部實際厚度（去除加工和腐蝕裕量后的厚度），mm；

圖2 拔制三通的補強結構示意

K2——三通主管肩部壁厚系數；

T——拔制三通的設計壁厚，mm。

式中Tb——支管實際厚度（去除加工和腐蝕裕量后的厚度），mm；

K3——三通支管壁厚系數。

式中T0——主管與支管過渡區域的實際厚度（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。

式中r——支口與主口連接外輪廓部分的曲率半徑，mm。

式中L——支管補強區域的高度，mm。

式中AR——開孔處所需補強面積，mm2；

D0——主管與支管過渡區域的內徑（去除加工和腐蝕裕量后的厚度），mm；

K5——開孔處所需補強面積系數。

當三通主管端面至中心的距離C≤D0，即：

當C∧D0，即：

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

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

管帽及其他附件的設計，可參照GB 150—2011《壓力容器》等標準的相關規范要求進行。

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零部件之間的焊縫在焊接前，必須先依據GB 150—2011、NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》等規范，選擇合適的焊接工藝，然后進行焊接工藝評定試驗，待焊接工藝評定試驗合格后，方可進行焊接。

拔制三通組合焊接式匯氣管各個零部件之間的焊縫，通常可以采用焊條電弧焊、氣體保護焊、STT氣保護半自動焊+藥芯自保護焊、焊條電弧焊/氣體保護焊+埋弧自動焊等工藝來進行焊接。同時，考慮各個零部件之間焊縫的實際情況，通常只能從零部件或匯氣管的外部進行焊接；因此，只能采用單面焊接、雙面成型的工藝來進行焊接。當然，對于大直徑的匯氣管來說，可進行雙面焊接。綜合考慮匯氣管的工藝要求及生產效率，單面焊接、雙面成型的焊接工藝適用性會更好一點。

此外，由于在設計拔制三通壁厚過程中，要考慮分支口的補強，其設計壁厚通常要比筒體、管帽等零件的設計壁厚厚很多；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GB 50251—2015標準附錄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行組對焊接。

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、焊接完成后，還需分別對每一條焊縫進行無損檢測，即超聲波檢測、磁粉檢測和X射線檢測。焊縫的檢測驗收標準可參考JB/T 4730—2005《承壓設備無損檢測》、ASME等。

3 拔制三通組合焊接式匯氣管的優點

從拔制三通組合焊接式匯氣管的制造工藝可以看出，這一種結構的匯氣管就是由若干個零部件組合焊接而成，有很多優點。

（1）拔制三通組合焊接式匯氣管所需的拔制三通、筒體、管帽等各個零部件加工制造難度小，且拔制三通、管帽可作為標準件來生產；

（2）拔制三通組合焊接式匯氣管的承壓能力強，能夠滿足管道發展需求；

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

（4）拔制三通組合焊接式匯氣管制造成本低，產品性能穩定、可靠。