优化定尺切割在提高HFW焊管成材率中的应用

张新民，郝向利，丁 辉，褚程国，王海峰

（中海石油金洲管道有限公司，浙江 湖州 313000）

HFW高频焊管由于其生产工艺的原因，材料损耗率在10%以上，与埋弧焊管工艺相比成材率低，生产成本高。在多数的管线项目中，客户对定尺管的交货数量有严格的规定，短尺管允许交货的比例通常在2%～5%。而海洋石油管线通常不允许非定尺管交货。但HFW焊管钢卷对头管和停机焊接缺陷管需要切除，会产生不少短尺管，浪费较大。通过优化切割，减少短尺管的产生，对提高产品成材率，降低生产成本非常有意义。

1 中大直径HFW焊管生产特点

1.1 中大直径HFW生产线效能利用的特点

对于配备中大直径如Φ219.1～610 mm高频直缝焊管生产线的钢管厂，国内几家均采用有活套装置的连续生产工艺［1］，生产线前后工艺环节多，距离长，每次生产准备的工作量大，材料和工时都会无法有效利用。只有生产批量大、直径大、壁厚大、钢级高、技术含量高和合同包含规格少的“三大两高一少”项目，才能有较好的经济效益。当单一规格订货批量较大时，调型和首检材料损耗可以忽略。而对于单个规格低于300 t的订单，由于换配套工模具、活套引料、调型及首批检验等影响，调型和试验产生的废品占比增加，非有效生产的工时占比增加，生产线效能利用率变差，因此应尽可能拼单生产。通常，直径406～610 mm，壁厚10～19 mm，批量在300 t以上的订单是比较经济的。而管径在323.9 mm以下的3个规格由于原料需要纵剪后使用，增加了材料消耗和加工费，同时单位时间生产的钢管产量降低，生产线效能利用也会较差。

1.2 HFW焊管成材率的一般状况

对于采用高频直缝电阻焊方式生产的钢管厂，钢材原料成本占生产成本的80%以上，而合格管的成材率对生产成本影响相当大。根据目前的原料价格水平测算，成材率提高1%，剔除废钢残值后生产成本每吨可降低40元左右。除生产因素外，订货批量和大小规格的比重及附加要求，均对成材率影响很大。一般行业指标中，纵剪成材率为98%～99%，焊管成材率为92%～94%，合同管合格品率为 96%～98%，合同管成材率为 88%～90%［2］。

1.3 HFW焊管材料损耗的统计分析

HFW高频焊管在生产过程中，纵剪、切头尾、铣（刨）边、去内外毛刺、切对头管、平端面坡口、外观修磨、短尺管和检验降级等，都会产生原材料损耗，通常达到10%，有时会更高［3－4］。通过对中海石油金洲管道有限公司（简称中海油金洲管道）多年生产数据的统计分析，不考虑调型、首检和试验损耗的情况下，各种损耗占比见表1。

表1 HFW高频焊管工艺典型规格各种材料损耗百分比统计

由表1可见，纵剪边丝、板头板尾、铣（刨）边丝、内外毛刺和对接头管等损耗属于工艺原因，难以避免或降低比例。成品检验不合格降级属于整体生产质量水平原因，需综合提高。短尺管损耗比例较大，应重点控制。特别是大直径大壁厚钢管，每卷材料能够生产的钢管数量较少，短尺管损耗占比增加，更有必要采取控制措施。

2 优化定尺切割提高HFW焊管生产成材率

优化定尺切割就是通过控制措施和技术，使每卷材料生产的钢管最大可能地切割成定尺长度钢管或能交付的短尺管，减少不能交付的短尺管的比例，提高成材率。对于中大直径HFW钢管生产线，优化定尺切割对降低生产成本意义很大［5］。

2.1 钢卷采购长度的优化

根据生产工艺和设备特性，当钢厂原料宽度公差控制比较理想时，确定相对准确的原材料订货宽度，可以减少铣（刨）边量和挤压成型产生的毛刺，最大程度地减少纵剪、铣（刨）边丝和内外毛刺产生的损耗。通过研究，确定了常用规格的原料订货目标宽度，具体见表2（其中Φ219.1 mm和Φ273.1 mm两个规格为纵剪前双倍板宽的原料宽度）。

表2 常用规格原料订货目标宽度 mm

当钢卷板宽和板厚确定后，其长度由质量决定。每卷材料的质量有一定公差，通过协商一般在±0.5 t左右。管厂订货时，通过订货长度优化测算，对每种规格的钢卷质量提出目标质量要求，使钢卷达到测算的目标长度可有效减少短尺管损耗。理论上每卷质量越大，生产的钢管数量越多，而对头管只有一个，损耗占比会减小，所以目标钢卷质量应尽可能接近钢厂能提供的最大钢卷质量。

客户定尺长度确定后，每根钢管的质量随之确定，如Φ406.4 mm×12.7 mm规格，定尺长度为12.2 m时，单根钢管理论质量为1.504 t。如钢厂此规格的钢卷最大允许质量为25 t时，每卷若生产15根钢管，质量为22.56 t，加上必要的损耗（通常约为1根管长），订货的目标质量选择24.2 t比较合适。如果实际交付钢卷质量偏差较大，则必然产生1根较长的短尺管无法交货，浪费量较大。对于不允许交付短尺管的项目，事先测算和确定原料订货长度参数有重要的意义和价值。中海油金洲管道公司根据实际生产经验确定的目标钢卷质量值，具体见表3（钢管定尺长度为12.2 m）。

表3 几种典型规格钢卷订货目标质量值 t

2.2 非正常停机的时机优化

在生产过程中，由于内外毛刺清除刀具异常、工艺参数调整、焊头处试验取样和非关键设备异常等原因，有时需要在钢卷生产中停机处理，再次开机后的缺陷位置无法修补，产生的焊接缺陷管需要切除。而这种停机的时机多数是可以选择和优化的，可使已焊接钢管长度刚好能切割成定尺管。

焊管飞锯切断岗位与控制生产线开停机的成型焊接岗位相距较远，在生产线人为停机时，无法掌握前一个对头管（或缺陷管）位置距目前焊接位置的长度。因此，在成型焊接岗位附近，设计安装了一套动态测长设备，通过测长编码器和PLC控制，能够实时提供目前焊接位置距前一个对接头（或缺陷管）位置的钢管长度值，结合定尺参数要求和设备之间的实际距离长度，达到理想切割位置区段时给出可停机操作报警信号，操作员在需要时可根据信号立即进行停机，实现优化切割的目的。

动态测长设备由测速辊装置、编码器、PLC控制设备、操作报警装置组成，可实时正反向测量钢管长度，设置修改定尺参数，显示钢管位置信息，对停机时机进行声光报警。在钢管焊接位置到达钢卷对头处，或非正常停机产生焊接缺陷时，手动或开机时自动向系统发送一个位置跟踪信号（对头管或停机缺陷管），系统收到信号后，动态测长数值复位，开始重新测长。当已焊合格管长度大于定尺长度整数倍的3 m以内，发出停机提示信号，否则发出不适合停机信号。考虑到对头管环焊缝两侧各3 m为不稳定区域，重新开机后1 m为不稳定区域，系统计算已焊合格管长度时应进行修正，先减去相应长度（3 m或1 m）。在线动态测长非正常停机提醒系统操作界面如图1所示。

图1 在线动态测长非正常停机提醒系统操作界面

2.3 设备定尺长度的参数设置优化

目前HFW生产线配备的飞锯设备，都是通过计算机和PLC自动控制，能够实时测量生产速度并自动按定尺长度切断钢管，定尺长度参数能够设定并实时修改。但一般飞锯设备均无法测量切断位置距下一个对接头（或缺陷管）位置的距离，不能计算剩余合格管长度和能够切割钢管的数量，使得最后一根钢管短尺长度较长而浪费较大。多数项目允许交付2%～5%短尺管，利用设备定尺长度参数优化和实时修改，可最大可能利用原料长度。

HFW焊管生产线生产工艺布局大多类似，一般钢管焊接位置与钢管切断位置相距约140 m，中间包括热处理设备、空冷段、水冷段和定径设备。在钢管焊接位置到达对头处时，或者非对头位置停机产生焊接缺陷时，人工或开机时自动向飞锯设备发送一个位置跟踪信号。这样飞锯设备完成每次切割后，就能通过编程自动计算剩余合格管长度和能够切割的钢管数量，自动修改最后两三根钢管的定尺参数，减少不能交付的短尺管数量。

考虑到对头管环焊缝两侧各3 m为不稳定区域，重新开机前0.3 m为不安全切割区域，系统计算已焊剩余合格管长度时应进行修正，先减去相应长度（3 m或0.3 m）。一般情况下，飞锯设备切割速度能满足短尺管切割长度的要求，接管平台和离线切割平台能满足存放“对接管+定尺管”长度的要求，不需要考虑设备对切割长度限制的影响。最后一根短尺管和对头管可连在一起，在离线平台上再切成可交付的短尺管。因此，根据常见的两种最小短尺管长度值，设计了两种优化流程方案。

（1）优化流程方案一。假设L为目前切割位置至下一对头管（或缺陷管）位置的合格钢管长度，L1为定尺长度12 m，L2为允许交货的短尺长度（最小值8 m），L′为继续切断一根定尺管后的剩余长度，优化切割流程选择编程方案一，具体见表4。

（2）优化流程方案二。假设L为目前切割位置至下一对头管（或缺陷管）位置的合格钢管长度，L1为12 m，L2为允许交货的短尺长度（最小值10 m），优化流程选择编程方案二，具体见表4。

表4 优化流程编程方案

飞锯设备程序优化后增加的操作界面如图2所示。通过实际安装应用，操作人员反映实用方便，能有效增加可交付短尺管的数量。

图2 飞锯设备程序优化后增加的操作界面

3 结 语

中大直径HFW焊管生产成材率对成本的影响较大，应从原料订货开始全面考虑提高成材率。利用现代检测控制技术，通过设备改造，优化定尺切割程序，可使原料利用率提高。通过钢卷采购长度优化、非正常停机时机优化和设备定尺长度参数设置优化等措施和技术的应用，使钢管成材率平均提高了1%以上，具有一定的参考价值。