一種大口徑超大壁厚鋼管成型工藝的研究與應用

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渤海石油裝備制造公司獨資興建的法人企業，專業從事石油天然氣輸送用高標準直縫埋弧焊鋼管制造、內外防腐于一體的大型企業。目前，公司生產線的設計能力為管徑Φ508～1422 mm、壁厚40 mm以下，因市場開拓需要，公司承接一個規格為Φ1219×50 mm的項目，該項目已經嚴重超出公司生產線的當初設計能力。為此，公司針對如何生產超大壁厚鋼管，開展一系列的PDCA活動，通過公司技術攻關生產，達到項目的預定目標，為公司擴大生產經營范圍打下良好的基礎。

1 現狀調查

1.1 不同項目技術要求對比

根據Φ1219×50 mm項目技術要求，并與公司之前生產類似項目成品管的噘嘴、錯邊、鋼管橢圓度對比（表1）。通過成型后外觀尺寸對比，該項目技術標準要求嚴格，鋼管壁厚最大，生產過程中將對設備狀態和工藝參數要求極為嚴格。

表1 不同項目鋼管外觀尺寸對比

1.2 關鍵工序工藝參數研究

依據前期公司生產壁厚大于30 mm規格鋼管的銑邊坡口類型、預彎模具組合、成型模具組合、成型步長、預焊電流的統計，壁厚大于30 mm鋼管關鍵工序工藝參數見表2。認為生產Φ1219×50 mm規格鋼管的坡口類型采用V形，且模具組合需要適應更厚鋼板成型：①鋼管的噘嘴主要靠預彎機進行調節，由于預彎機的鋼板折彎所需的壓力和壁厚控制已達到設計極限，如何通過工藝調整控制管型噘嘴，使用現有的模具和工藝理論調節已不合適，需要進行工藝的摸索和優化；②鋼管的錯邊和橢圓度的控制重點由成型機和預焊機調節，由于成型機、預焊機的設計壓力和壁厚控制已達到設計極限，通過工藝調整控制管型錯邊、橢圓度，使用現有的模具和工藝理論調節已不合適，需要進行工藝的摸索和優化；③因壁厚超過工藝設計范圍，容易造成預焊合縫后崩開，成型需要將開口縫控制到更小；④預焊合縫焊接后，因焊接輸入量過小，鋼管合縫后反彈力較大，預焊過程極易引起鋼管崩裂。

表2 壁厚大于30 mm鋼管關鍵工序工藝參數

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目不合格原因統計分析，發現成型管型控制不到位是大壁厚鋼管生產困難的主要原因（表3）。

表3 不合格問題統計

2 實施對策

2.1 選定預彎機特殊曲率的模具

預彎機由4#上模更換為3#上模，預彎機所需的折彎壓力大于等于鋼板折彎面積×鋼板屈服強度，預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，預彎機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，所需壓力滿足預彎機極限壓力。

圖1 預彎機特殊曲率的模具

2.2 選定成型機并選定特殊曲率的模具

安裝激光測距儀，在成型北側推料小車安裝激光測距儀，以及顯示數值裝置，通過激光測距數值變化，可以模擬判斷鋼板理化變化程度，及時調整后續壓制點參數，保證成型后鋼管工藝參數穩定，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字顯示，保障鋼管的性能穩定，鋼管成型后工藝參數值均能滿足工藝標準要求。

圖2 成型激光測距示意

2.3 優化預彎工藝參數

優化預彎工藝參數，降低預彎的玄高和直邊數值，玄高設定為4.1±0.5 mm，直邊設定為10～25 mm。據統計Φ1219×50 mm規格鋼管噘嘴合格率，調整預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

該規格在成型模具參數表上并未列出，為確保鋼板折彎曲率符合要求，根據計算公式，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

根據式（1），上模圓弧半徑應在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模具參數表，下模開檔應為360 mm，由于預彎使用了3#上模，折彎邊不足50 mm（參考1219×33×80 mm），應盡量減小開檔，縮小成型壓制中心與預彎圓弧的距離。

開檔寬度=（（預彎折彎邊長度+上模寬度/2）-20）×2，可得出開檔寬度應小于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 優化成型工藝參數

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，其壓制接觸面也會對應減小，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，有利于預焊合縫，也有利于保證鋼管噘嘴符合工藝標準。縮小下死點位置范圍，下死點位置接近，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。通過優化成型工藝參數，減小步長和開口縫，以及減小壓制下死點數值范圍，確保鋼管圓滑過度，減小鋼管橢圓數值，橢圓度合格率達到了95.25%的目標，Φ1219×50 mm規格鋼管工藝調整參數見表4。

表4 Φ1219×50 mm規格鋼管工藝參數

2.6 優化預焊工藝參數

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，容易出現焊漏現象。因此，在預焊之前應做如下準備工作：①打磨鋼板坡口，提高鈍邊平整度；②減小成型開口縫；③增加預焊各缸預緊力。通過減小預焊電流和焊絲尺寸，降低預焊燒穿鈍邊的情況發生；增加1#和8#輥角度，保證焊縫錯邊≤1.5 mm。通過優化預焊參數后，預焊質量穩定，焊瘤現象較少，無錯邊超標問題出現，錯邊合格率為100%。減少預焊熱輸入量后，鋼管焊縫易開裂，在預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度，避免鋼管焊縫崩裂。

3 項目取得成果及應用效果

通過該成型工藝方案的實施，大口徑超大壁厚直縫埋弧焊鋼管的各項參數得到很好的控制，取得質量改進的效果如下：①完成Φ1219×50 mm超大壁厚生產，該規格鋼管合格率從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。經營銷統計，Φ1219×50 mm超大壁厚鋼管交付業主后，共計獲利數十萬元，利益可觀；③間接社會效益。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，不但達到業主的產品參數的要求順利交貨，而且完善了公司產品覆蓋范圍，也標志著公司有能力批量生產壁厚在40～50 mm的鋼管，是對公司生產線實際生產能力的一次驗證，對后續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化成功具有重大的市場意義。