在運輸業(yè)高度發(fā)達的今天，管道運輸已經(jīng)成為現(xiàn)代運輸體系(公路、鐵路、海運、航空、管道運輸)的一個重要組成部分，作為現(xiàn)代管線工業(yè)技術(shù)進步的重要標志，大口徑、高輸送壓力、長距離輸送已經(jīng)成為管線工業(yè)發(fā)展的總趨勢。在此形勢下，我國在近幾年進行了大規(guī)模的大口徑制管機組改造和引進，這為高等級、高品質(zhì)的管線用管的生產(chǎn)提供了一定的基礎(chǔ)。
對常輸管線鋼管來說，焊接工藝非常關(guān)鍵。從生產(chǎn)工藝上來分，焊接鋼管主要分為電阻焊管ERW(Electric Resistance Welding)、螺旋埋弧焊管SSAW(Spirally Submerged Arc Welding)和直縫雙面埋弧焊管LSAW(Longitudinally Submerged Arc Welding)。雖然近10年來ERW發(fā)展很快，但仍然屬于中小口徑的焊管，例如日本的ERWΦ610、Φ660生產(chǎn)線、我國大慶建成的ERWΦ660 生產(chǎn)線。在一定時期內(nèi)，適應當前發(fā)展的大口徑焊管仍然要由SSAW和LSAW工藝所生產(chǎn)。
螺旋埋弧焊管存在工藝缺陷
螺旋焊管一般是以熱軋鋼帶卷作管坯，經(jīng)螺旋成型，采用高頻電阻焊法或埋弧焊接成型。該工藝能用較窄的坯料生產(chǎn)管徑較大的焊管，還可以用同樣寬度的坯料生產(chǎn)管徑不同的焊管。成型工藝如圖1所示。
在上世紀五六十年代，螺旋焊管在油氣管道輸送中占據(jù)統(tǒng)治地位，但從七八十年代開始，螺旋焊管受到大口徑UOE焊管和中小口徑ERW焊管的嚴重挑戰(zhàn)。目前，在國外輸送管線建設(shè)中，從總體上講，大口徑(Φ508mm ~610mm 以上)直縫埋弧焊管基本上取代了螺旋焊管，特別是海洋用管和輸氣用管。在國際高壓管線工程建設(shè)方面，都明確限定應用直縫焊管建造高壓輸送天然氣管線和水下管線。
螺旋焊管在油、氣輸送中之所以受到挑戰(zhàn)，是由于其工藝本身存在無法克服的缺陷。主要表現(xiàn)在：
焊縫長度比直縫焊管焊縫長增加30%~100%。焊管的缺陷主要在焊縫上，焊縫長就意味著可靠性差，并且成型與焊接同時進行，焊縫缺陷幾率明顯偏高，焊縫質(zhì)量不易保證。
螺旋焊管生產(chǎn)線普遍不具有擴徑工序，無法降低成型和焊接殘余應力，致使焊管內(nèi)部具有較大的殘余應力，其殘余應力為拉應力(可達200Mpa ~300Mpa)，而焊管受內(nèi)壓后，管壁亦產(chǎn)生環(huán)向拉應力，二者疊加，使焊管承壓能力減弱。并且殘余拉應力，特別是焊縫位置殘余拉應力的存在也大大降低了焊管抗應力腐蝕的能力，在酸性油氣輸送管線中必須嚴格限制殘余拉應力。
螺旋焊管在曲面上進行焊接，焊縫形狀欠佳，內(nèi)焊縫的馬鞍形和外焊縫的脊背形難以克服，應力集中難以避免。
螺旋焊管焊縫熱影響區(qū)大，且硬度高，韌性和抗應力腐蝕能力下降。
雖然俄羅斯、加拿大允許螺旋焊管用于油氣輸送管線，但有嚴格的技術(shù)條件和強化無損檢測。在我國，螺旋焊管輸送管線技術(shù)已達到很高水平，但由于螺旋焊管的上述不足，在重要交通樞紐、地質(zhì)條件復雜、人口稠密地區(qū)以及海洋方面，仍然要用直縫埋弧焊管。管道工業(yè)的發(fā)展對管線的可靠性要求越來越高，螺旋焊管面臨嚴峻的考驗。因此，我國在最近幾年加速了大口徑直縫埋弧焊管的建設(shè)。
直縫埋弧焊管工藝漸成主流
大口徑直縫埋弧焊管(LSAW)一般是以鋼板為原料，經(jīng)過不同的成型工藝，采用雙面埋弧焊接和焊后擴徑等工序形成焊管。直縫埋弧焊管技術(shù)基本上克服了螺旋焊管技術(shù)的不足。直縫埋弧焊管生產(chǎn)工藝不管采用哪種生產(chǎn)方法，在鋼板準備工序，如鋼板超聲波檢查、切邊、邊緣處理和成型后的管坯點焊、內(nèi)、外埋孤焊、超聲波探傷、擴徑、水壓試管等工序基本上是大同小異，關(guān)鍵是成型工序不同。因此，根據(jù)成型工序，LSAW又可以具體分為輥彎成型工藝(RBE)、JCOE成型工藝、C成型工藝、連續(xù)扭轉(zhuǎn)成型工藝和 UOE成型工藝五種，其中JCOE和C成型法基本相同。排輥成型工藝(CFE)也可用于直縫埋弧焊鋼管的成型.但其主要用于電阻焊鋼管的成型。LSAW焊管的主要成型方式及機組特點如表1所示。
下面簡要介紹一下RBE輥彎成型工藝、JCOE成型工藝、連續(xù)扭轉(zhuǎn)成型工藝和UOE成型工藝。
RB輥彎成型工藝 RB(Roller Bending)輥彎成型法是一種比較傳統(tǒng)的成型工藝，如圖2所示。該成型法是將鋼板壓邊后(或者將壓邊放在輥彎成型后)，在三輥或四輥之間經(jīng)多次滾壓卷制成圓筒型，然后采用埋弧雙面焊接成型。如不采用脹管整形，則稱為RB焊管;如采用脹管整形，則稱為RBE焊管。由于脹管后改善了內(nèi)應力分布和大小，此種方法生產(chǎn)出的焊管在使用性能和可靠性上均接近UOE焊管。該成型方式的優(yōu)點是設(shè)備小、重量輕、投資少、管徑范圍大、產(chǎn)量適中且生產(chǎn)靈活，對市場適應性強，但也存在管筒開口大、易錯邊、不易控制等缺點。并且由于該成型法成型上輥中部無支撐，受其剛度的限制，對于高鋼級產(chǎn)品，往往出現(xiàn)中間寬，兩頭窄的現(xiàn)象，成型鋼管直徑不能小于508 mm(20 inch)。
JCOE成型工藝 JCOE成型法是臺灣遠東機械工業(yè)股份有限公司在上世紀90年代初推出的一種焊管成型工藝。其生產(chǎn)過程是首先在水壓機上把已經(jīng)預彎邊的鋼板壓成J形，然后對另一邊進行沖壓，使整塊鋼板成C形，再將C形壓成開口的O形，后經(jīng)焊接和冷擴徑(Expanding)等工序成型。JCOE法其產(chǎn)品質(zhì)量與UOE焊管接近，而生產(chǎn)線價格遠低于UOE機組，但其生產(chǎn)效率較低，模壓成型和JCO成型后的管筒開口較大，焊后宏觀整體應力較大。在我國已有多家企業(yè)引進JCOE大口徑直縫埋弧焊管機組，是國內(nèi)生產(chǎn)大口徑管線用管的主要制造方法。JCOE生產(chǎn)線板料彎曲成型工藝如圖3所示。
連續(xù)扭轉(zhuǎn)成型工藝 連續(xù)扭轉(zhuǎn)成型工藝采用芯棒扭轉(zhuǎn)成型，區(qū)別于其他直縫焊管成型工藝。連續(xù)扭轉(zhuǎn)成型生產(chǎn)線的扭轉(zhuǎn)成型工藝如圖4所示。其技術(shù)核心是用卷制法將平整的鋼板通過一個縱向夾鉗夾住及三輥卷板，加工成較長節(jié)段的圓管筒。卷板成型機由三輥組成，上輥為成型輥，固定著縱向夾鉗，為主動輥，其直徑大小需按生產(chǎn)規(guī)格而變換。下輥為兩個從動輥，其直徑一定，位置固定，不隨生產(chǎn)鋼管規(guī)格而變動，起著限位、固定、支撐等作用。該法生產(chǎn)率較高，投資較小。連續(xù)扭轉(zhuǎn)生產(chǎn)線由于本身具有更換規(guī)格快而簡單，品種靈活，產(chǎn)品規(guī)格范圍大，可生產(chǎn)規(guī)格范圍內(nèi)的任意直徑尺寸的鋼管等特點，因而在大口徑直縫焊管生產(chǎn)方面具有一定的優(yōu)勢。但在生產(chǎn)不同鋼管直徑和壁厚尺寸的組合時，需要很多成型芯輥，并且小直徑大長度的焊管成型精度較差，防偏裝置接觸處的質(zhì)量要嚴加控制。由于是連續(xù)扭轉(zhuǎn)成型，成型內(nèi)應力均勻，經(jīng)擴徑后，殘余應力分布要優(yōu)于步進式JCOE壓彎成型法生產(chǎn)的焊管。
UOE成型工藝 UOE法是生產(chǎn)大口徑直縫焊管的主要方法。伴隨著石油天然氣工業(yè)的發(fā)展， UOE焊管生產(chǎn)方法發(fā)展很快。UOE法是以熱軋厚鋼板為原料，經(jīng)過刨邊、開坡口和預彎邊等預處理工序后，依次進入U成型壓力機和O成型壓力機壓制成管筒，經(jīng)焊接后，對焊接管坯進行擴徑(E)等制造大口徑直縫焊管的一種工藝，其成型工藝原理如圖5所示。將預彎邊的鋼板在U壓力機的成型模內(nèi)壓成U型，然后在O 壓力機的成型模內(nèi)再壓成O型焊接成管后再整體擴徑。UOE法是當今國際上最先進的成型方法之一，至今世界上已有這種成型焊管機組40多套，UOE法以生產(chǎn)效率高和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定著稱。UOE制管法的O成型壓力機噸位由上世紀五十年代的18000噸發(fā)展到現(xiàn)在的60000噸。隨著壓力機噸位的提高，UOE焊管也向大口徑、大壁厚和高強度方向發(fā)展。近年來，我國也有數(shù)家企業(yè)引進UOE生產(chǎn)線，研制出具有國際先進水平的大口徑高剛級的管線用鋼管，滿足國內(nèi)管線建設(shè)的需要。
UOE成長輸鋼管主要工藝 UOE焊管生產(chǎn)工序主要包括：
板邊加工：板邊加工一般用銑邊機或刨邊機，其目的是將鋼板加工成所需要的寬度，且根據(jù)焊接工藝要求，加工出一定形狀的坡口。
彎邊：彎邊是在彎邊機上實現(xiàn)的，彎邊機又稱為C壓力機。在O成型壓力機上成型時，一般在圓周方向用1%以下的壓縮量加工，但邊緣部分容易殘留有直線段，得不到良好的管型，因而在O成型前預先進行彎邊。輥式彎邊機一般用于較薄鋼板的彎曲成型。壓力彎邊機適用于厚板的彎曲成型。后者根據(jù)成品管的外徑、壁厚和鋼級分別選擇模具和使用壓力，按鋼板的長度，一塊鋼板一般需壓3次～5次。
U成型：經(jīng)過彎邊后的鋼板進入下一工序，即U成型。鋼板首先在U成型機上定位后，鋼板在豎直壓模和模具的作用下，彎曲成U形斷面。
O成型：U形鋼板隨后送到O成型壓力機上，O成型壓力機上裝有兩個對開的帶半柱面的壓模，將U形鋼板壓成O形。其加工過程是先將U形兩側(cè)彎曲，使其沿壓模變形為O型，再進行壓縮和減徑等變形，并控制成型后的彈復程度。
焊接：在焊接開始和結(jié)束時，焊接電流不穩(wěn)定等原因，易出現(xiàn)缺陷，故正式焊接前須兩端焊上相應形狀的引弧板，然后在鋼管內(nèi)面和外面分別施以自動埋弧焊。為提高焊接速度，多采用三絲電焊法，先內(nèi)焊后外焊。焊接以后，切去引弧板，并將管端約100 mm處的焊縫磨平，以利于鋼管的環(huán)向?qū)雍附印?/p>
擴徑(Expanding)：擴徑是通過擴徑機來實現(xiàn)的，其作用為：矯正由焊接熱造成的鋼管變形，使鋼管的橢圓度和平直度達到要求的精度;消除由O型壓力機壓縮加工所產(chǎn)生的包申格效應，增加鋼管的強度;減小焊接時造成的焊縫部位的殘余應力和成型過程產(chǎn)生的成型殘余應力。
在線質(zhì)量檢測是嚴格保證鋼管質(zhì)量，檢測是不可缺少的手段。質(zhì)量檢查貫穿于從原料到成品整個生產(chǎn)過程中。
隨著管線建設(shè)向著長距離、高壓力方向發(fā)展，對管線用鋼管的要求越來越高，大口徑直縫焊接鋼管成為主要管線用管。大口徑直縫焊接鋼管制造工藝多種多樣，各有特點，根本區(qū)別在于成形方式不同，從成形質(zhì)量、效率、經(jīng)濟性和成形能力看，目前JCOE和UOE仍是長輸管線用管的主要制造工藝。
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