Φ660 mm HFW 生产线的工艺装备特点

邵 毅

（天津天管太钢焊管有限公司，天津 300301）

天津天管太钢焊管有限公司（简称天管太钢）Φ660 mm HFW（高频焊接）生产线于2011 年建成。该生产线采用德国SMS Meer 公司的主机生产线设备，部分设备采用国内联合制造，一些关键环节优选国际领先厂商设备，大大提高了装备的整体水平。现对该生产线的优势和特性进行介绍。

1 工艺特点

Φ660 mm HFW 生产线的工艺特点：

（1） 技术可靠、工艺先进、满足节能、环保要求；

（2） 适应高钢级、大壁厚、高标准产品生产；

（3） 1+2 配置，即1 条主机生产线配2 套精整生产线，可以充分匹配前后产能；

（4） 工艺上采用带活套的连续生产工艺，提高了产能、减少了废品；

（5） 采用在线带钢飞切设备，提高产能；

（6） 全线采用MES 制造执行管理系统，对主机生产线和精整线的的生产进行全面自动化管理，同时对物料运转和设备状况进行全程跟踪；

（7） 精整线驱动系统采用优化变频控制，实现节能降耗；

（8） 成型采用德国SMS Meer 公司独有的直缘线性成型技术（图1）。

图1 直缘线性成型

2 主机设备

主机生产线引进德国SMS Meer 公司设计的全套成型机组。这条生产线是集先进的成型、液压、控制于一身的新研发成果。

2.1 带钢准备段

带钢准备段的设计是为将带钢连接对焊的时间缩到最短，保证带钢的张力恒定、运行精确。

（1） 根据带钢钢卷的外径控制带钢的张力和运行速度。

（2） 矫平辊快开和位置自动调整的带钢矫平机。

（3） 带钢自动送进并对头尾进行自动定位焊接。（4） 矫平机采用小直径工作辊和大支撑辊相结合的结构，从而获得优异的矫平效果。

2.2 带钢头尾对焊机

带钢头尾对焊机（图2）的优点：

（1） 自动监测跟踪确定带钢头尾的位置；

（2） 带钢头尾自动对中避免错边；

（3） 焊接过程自动调整跟踪焊缝；

（4） 多丝双头同步焊接。

图2 带钢头尾对焊机

2.3 全自动带钢螺旋活套

为保证生产过程的连续性和稳定性选择使用带钢螺旋活套（图3）。螺旋活套在两个钢卷对焊时为成型焊接提供带钢。使用内进外出的形式即保证了套量又满足大壁厚钢带的需求。螺旋活套采用无人值守的设计，根据工况可以自动在几种不同的工作模式间切换。带钢在活套内的存贮长度和对头位置都会实时地显示在对焊和成型焊接岗位的操作台上。

图3 全自动带钢螺旋活套

2.4 移动式钢带横切剪

通常的生产线在更换规格时，在对头出活套后都要停车切断，这样即浪费时间又影响成材率。因此，天管太钢在Φ660 mm HFW 生产线上增加了一套在线随动带钢剪切设备（图4），在更换规格时不需要停车，只需略微降低开车速度，就可以切断钢带；使上一个带卷的尾端能够继续成型而生产不停止，下一卷头部会停止在成型前，准备下一规格的生产。这样就不会造成由于生产中断而产生的材料及时间损失。

2.5 带钢铣边机

以铣边的方式进行带钢的边部准备是保证高质量、无缺陷焊接的重要的先决条件。避免采用圆盘剪剪边，剪切唇部分的钢带发生变形会影响焊接质量［1-2］。Φ660 mm HFW 生产线采用奥地利林辛格的铣边机（图5）。该铣边机具有如下的优势：

图5 带钢铣边机

（1） 可以满足高质量材料的精度要求；

（2） 可以实现精确的侧面成型；

（3） 机加工表面的金属结构不会改变，且不易产生微裂纹；

（4） 具有高度方向的仿形功能，小的颠簸不会对刀片造成任何麻烦；

（5） 具有横向的仿形功能，补偿带钢的弯曲；

（6） 优异的刚度设计使机器的振动很小，在高强度铣切情况下依然保证较长的刀具寿命；

（7） 优化设计铣切参数，避免无谓的提速降低刀具的寿命。

2.6 等刚性机架

Φ660 mm HFW 生产线使用德国SMS Meer 公司专利产品——等刚性设计URD （Uniform Rigid Design）机架，如图6 所示。

图6 等刚性机架

包括五辊的焊接挤压机架和所有的四辊机架，均采用闭合板式框架结构设计，取代了以往的柱式设计。这种URD 等刚性闭合板式框架结构设计保证了机架分别在水平和垂直方向上均匀一致吸收成型承载的能力。与传统的老式机架柱式结构设计相比，大大改善了水平方面吸收承载的能力。这种结构使URD 等刚性设计闭合板式框架结构能够实现水平和垂直辊辊径比1 ∶1，从而使管子的成型和定径在钢管周向达到均匀一致。

此外，这种机架设计形式可以真正实现快速换辊。就是将4 个辊子连同辊座一同通过液压缸从水平方向推出进行换辊。

Φ660 mm HFW 生产线在定径段配置了全浮动矫直机架，同时肩负定径和矫直的作用；采用同一截面4 辊同时浮动起到矫直作用。

2.7 快速换辊系统

利用快速换辊系统（图7）可以将换道时间大大缩短，为厂家带来非常可观的效益［3-4］。针对每种规格的产品，生产线的机架都会根据已经存贮和优化的设定参数进行自动设定，无需人为干预，快速又准确。这一特点保证了调整参数的不断优化，也使高质量产品生产过程固化重现。

图7 快速换辊系统

结合一整套的快速换辊机构和工具，能在最短的时间内更换完一套轧辊，提高了效率，使机组更能适应小批量、多规格的生产模式。与在线换辊相配套的离线换辊系统也是该Φ660 mm HFW 机组的一大特点。借助液压装置完成离线换辊的操作，保证换辊精度和速度。

挤压机架也同样采用URD 等刚性设计机架的原理，故用于精成型机架和定径机架的换辊车同样也可用于挤压机架的快速换辊。

2.8 粗成型

粗成型是由集成柔性粗轧机架预成型和排辊线性成型两部分组成。

预成型部分也同样使用了线性成型方法，在弯边后对钢带进行预成型。它分为2 段，是由配备有若干个轧辊的外部直缘线性成型装置组成的，实现较短的成型距离完成预成型。这种成型装置可以横向、纵向和旋转调节，能适应成型过程中的的任何条件要求。

线性成型部分对进入精成型机架前的带钢进一步成型。线性成型部分分为3 段，也同样具有横向、纵向和旋转调节，可以很好地适应不同外径规格和壁厚的产品变化，有效解决其他成型方式出现的“波纹”、“折皱”、“鼓包”［5-7］。

2.9 高频焊机

高频焊机应用稳定可靠的IGBT 逆变专利技术，可以实现高质量的高频输出，可以在焊接过程中形成良好的腰鼓形［8-9］。该高频焊机具有以下优势：

（1） 主输入端到工作线圈端的效率∧85%；

（2） 在变化很大的管径范围内，持续实现自动负载匹配，消除额外损耗。确保在改变钢管尺寸时，达到最佳的焊接性能；

（3） 在所有输出功率上，功率因数都高达0.95以上，使无功功率消耗降到最小；

（4） 配置专门的保护系统，防止由于工作线圈引起短路或开路造成的破坏；

（5） 特大型的电流模块防止因一个模块断开所造成的停机，多余电流会被剩余模块分担，从而使焊接速度保持不变；

（6） 光滑的整流输出电流，产生高质量的焊缝；

（7） 故障自我诊断系统，使故障检测变得容易；

（8） 采用了模块化设计，大大减少用户所需储存备品、备件；

（9） 感应器可以通过两个螺栓快速更换。

3 无损检测系统

全线配置完善的无损检测技术。包括钢板超声波探伤、在线焊缝超声波探伤、离线管端超声波探伤、离线焊缝超声波探伤、离线全管体超声波探伤和内毛刺刮除监测设备。

（1） 钢板探伤可以全幅面的检验成型前的钢板，并自动标记缺陷，记入生产管理系统，实现缺陷全线自动跟踪。

（2） 在线超声波探伤系统可检查焊缝和热影响区中的缺陷，包括冷焊、裂纹等。

（3） 离线超声波探伤系统可检查管体和管端的缺陷，具有焊缝位置自动跟踪系统，防止焊缝跑偏［10］。

（4） 系统具有声光报警功能并可提供缺陷准确位置的报告。

（5） 系统具有设备报警功能。

（6） 对焊缝、管端、管体和内毛刺检测检验分工同时进行，提高效率。

4 焊缝热处理系统

（1） 该系统的频率和电流输出可根据不同负载（钢管尺寸以及壁厚）进行自动匹配，以保证更高的焊接效率［11］。

（2） IGBT 电源可以实现恒定功率因数0.95。

（3） 根据不同壁厚钢管的生产，可优化选择不同频率。

（4） 焊缝热处理配置8 台独立的焊缝热处理装置，功率总计6 800 kW，可实现淬火+回火、正火、淬火+正火等热处理工艺，不仅可以消除焊缝热影响区应力，还细化了晶粒［12］。

（5） 感应器的支撑机构具有二维移动和旋转功能，可根据标记线自动跟踪焊缝，防止焊缝偏转［10］。

5 铣切飞锯

Φ660 mm HFW 生产线配置铣切式飞锯（图8），能保证精确的钢管定尺和切口质量。

图8 铣切式飞锯

（1） 具有高精度仿形功能，对钢管的适应性较好。

（2） 具有精确的周向仿形功能，可以满足各种钢管（包括方管）截面的形状变化。

（3） 可以实现对头和缺陷的优化切割，提高成材率。

6 精整线

为了解决主机和精整能力匹配的问题，Φ660 mm HFW 生产线采用双精整线配置。1 条主机生产线配置2 台水压机、2 套离线探伤、2 套平头机和测量装置。为了提高钢管表面的涂油质量，配置2条UV 紫外光涂漆装置。同时精整处理钢管的最大长度为18.5 m，满足各种管线钢管的需求。负荷率在69%时，Φ660 mm HFW 生产线的产能可达30 万t。

7 理化检测设备

（1） 为了满足主机速度在45 m/s 的情况下连续取样试验，选用了国内压扁速度最快的压扁机，并实现了自动送样和自动压下试验，提高了检验速度。

（2） 采用德国进口的光谱仪，为快速检验原料化学成分提供了保障。

（3） 采用蔡司金相显微镜、大能量落锤试验机，为提高检测精度、控制产品质量提供了设备支持。

（4） 配备了先进的拉伸、冲击、硬度计等检验设备。

（5） 配置齐全的试样加工机床。

8 生产管理系统

为了提高质量管理水平，引进了整套的钢管生产管理系统，以物流跟踪系统为主线，实现钢管实时数据库管理。生产过程中的每根钢管都附有完整的生产、质量、工艺数据［13-15］。这些数据的追踪和采集均由系统自动完成，并在PLC 层面实现网络通信。该生产管理系统可以实现订单、工艺规程、检验、设备、轧辊工具、备品备件、计量、试验、统计等管理工作。

9 结 语

Φ660 mm HFW 生产线的优势在后续生产和新品种开发中逐渐显现出来。该生产线分别进行了各种规格极限品种的试生产，其中包括X70 钢级Φ660.0 mm×17.5 mm 、X52 钢级Φ660.0 mm×22.2 mm 、P110 及N80 钢级Φ244.48 mm×11.00 mm 套管［16］；这些产品均在中国石油天然气集团公司管材研究所进行产品性能评定，完全符合API Spec 5L—2013《管线管规范》和API Spec 5CT—2011《套管和油管规范》要求。此外，该生产线也生产了超大径厚比X52 钢级Φ610.0 mm×6.3 mm、X42 钢级Φ508 mm×5 mm 管线钢管，经严格检验完全满足客户和标准要求；并批量生产了多种高钢级、大壁厚油缸管。

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