一种大口径超大壁厚钢管成型工艺的研究与应用

成 蕾，马 谦，苏景富，汪 超

（渤海装备南京巨龙钢管有限公司，江苏南京 210061）

0 引言

南京巨龙钢管有限公司是中国石油天然气集团渤海石油装备制造公司独资兴建的法人企业，专业从事石油天然气输送用高标准直缝埋弧焊钢管制造、内外防腐于一体的大型企业。目前，公司生产线的设计能力为管径Φ508～1422 mm、壁厚40 mm以下，因市场开拓需要，公司承接一个规格为Φ1219×50 mm的项目，该项目已经严重超出公司生产线的当初设计能力。为此，公司针对如何生产超大壁厚钢管，开展一系列的PDCA活动，通过公司技术攻关生产，达到项目的预定目标，为公司扩大生产经营范围打下良好的基础。

1 现状调查

1.1 不同项目技术要求对比

根据Φ1219×50 mm项目技术要求，并与公司之前生产类似项目成品管的噘嘴、错边、钢管椭圆度对比（表1）。通过成型后外观尺寸对比，该项目技术标准要求严格，钢管壁厚最大，生产过程中将对设备状态和工艺参数要求极为严格。

表1 不同项目钢管外观尺寸对比

1.2 关键工序工艺参数研究

依据前期公司生产壁厚大于30 mm规格钢管的铣边坡口类型、预弯模具组合、成型模具组合、成型步长、预焊电流的统计，壁厚大于30 mm钢管关键工序工艺参数见表2。认为生产Φ1219×50 mm规格钢管的坡口类型采用V形，且模具组合需要适应更厚钢板成型：①钢管的噘嘴主要靠预弯机进行调节，由于预弯机的钢板折弯所需的压力和壁厚控制已达到设计极限，如何通过工艺调整控制管型噘嘴，使用现有的模具和工艺理论调节已不合适，需要进行工艺的摸索和优化；②钢管的错边和椭圆度的控制重点由成型机和预焊机调节，由于成型机、预焊机的设计压力和壁厚控制已达到设计极限，通过工艺调整控制管型错边、椭圆度，使用现有的模具和工艺理论调节已不合适，需要进行工艺的摸索和优化；③因壁厚超过工艺设计范围，容易造成预焊合缝后崩开，成型需要将开口缝控制到更小；④预焊合缝焊接后，因焊接输入量过小，钢管合缝后反弹力较大，预焊过程极易引起钢管崩裂。

表2 壁厚大于30 mm钢管关键工序工艺参数

1.3 不合格原因分析

通过对新粤浙、中俄以及紫金管厂等项目不合格原因统计分析，发现成型管型控制不到位是大壁厚钢管生产困难的主要原因（表3）。

表3 不合格问题统计

2 实施对策

2.1 选定预弯机特殊曲率的模具

预弯机由4#上模更换为3#上模，预弯机所需的折弯压力大于等于钢板折弯面积×钢板屈服强度，预弯上模模具弧度是以渐开线的曲率分布，图1a）箭头所示是4#上模与钢管理论曲率相同的位置，图1b）所示箭头是3#上模与钢管理论曲率相同的位置，预弯机特殊曲率的模具如图1所示。3#上模的折弯边长度较4#上模明显减小，在相同的步长，3#上模的折弯面积更小，所需压力满足预弯机极限压力。

图1 预弯机特殊曲率的模具

2.2 选定成型机并选定特殊曲率的模具

安装激光测距仪，在成型北侧推料小车安装激光测距仪，以及显示数值装置，通过激光测距数值变化，可以模拟判断钢板理化变化程度，及时调整后续压制点参数，保证成型后钢管工艺参数稳定，成型激光测距如图2所示。通过激光测距装置对成型过程中的数字显示，保障钢管的性能稳定，钢管成型后工艺参数值均能满足工艺标准要求。

图2 成型激光测距示意

2.3 优化预弯工艺参数

优化预弯工艺参数，降低预弯的玄高和直边数值，玄高设定为4.1±0.5 mm，直边设定为10～25 mm。据统计Φ1219×50 mm规格钢管噘嘴合格率，调整预弯的玄高值和直边后，成型后的噘嘴合格率控制在95.2%。

2.4 选定成型模具

该规格在成型模具参数表上并未列出，为确保钢板折弯曲率符合要求，根据计算公式，上模圆弧半径选择：

式中 R——上模圆弧半径，mm

Rp——上模理论圆弧半径，mm

根据式（1），上模圆弧半径应在270～450 mm。圆弧半径为300 mm的窄上模，能够减少成型压制所需压力。下模开档选择按照成型机模具参数表，下模开档应为360 mm，由于预弯使用了3#上模，折弯边不足50 mm（参考1219×33×80 mm），应尽量减小开档，缩小成型压制中心与预弯圆弧的距离。

开档宽度=（（预弯折弯边长度+上模宽度/2）-20）×2，可得出开档宽度应小于340 mm。较大的开档宽度有利成型减小压制力，故选择开档宽度为340 mm。

2.5 优化成型工艺参数

减小成型压制步长，成型上模选择圆弧半径为300 mm的模具，相比理论圆弧半径519 mm，圆弧半径减小程度较大，较小的圆弧半径，其压制接触面也会对应减小，所以需要减小步长，使得相邻两步之间的接触面能够重叠，使得钢管圆滑过度。减小开口缝，较小的开口缝，有利于预焊合缝，也有利于保证钢管噘嘴符合工艺标准。缩小下死点位置范围，下死点位置接近，反映每一步之间压力接近，钢板折弯程度基本一致，有利于减小钢管椭圆度。通过优化成型工艺参数，减小步长和开口缝，以及减小压制下死点数值范围，确保钢管圆滑过度，减小钢管椭圆数值，椭圆度合格率达到了95.25%的目标，Φ1219×50 mm规格钢管工艺调整参数见表4。

表4 Φ1219×50 mm规格钢管工艺参数

2.6 优化预焊工艺参数

该壁厚钢板坡口是通过火焰切割加工而成，钝边和坡口尺寸精度不高，钢管合缝后，焊缝存在较大间隙，容易出现焊漏现象。因此，在预焊之前应做如下准备工作：①打磨钢板坡口，提高钝边平整度；②减小成型开口缝；③增加预焊各缸预紧力。通过减小预焊电流和焊丝尺寸，降低预焊烧穿钝边的情况发生；增加1#和8#辊角度，保证焊缝错边≤1.5 mm。通过优化预焊参数后，预焊质量稳定，焊瘤现象较少，无错边超标问题出现，错边合格率为100%。减少预焊热输入量后，钢管焊缝易开裂，在预焊后增加一道手工气保焊，增加其热输入量，保证焊缝有足够的强度，避免钢管焊缝崩裂。

3 项目取得成果及应用效果

通过该成型工艺方案的实施，大口径超大壁厚直缝埋弧焊钢管的各项参数得到很好的控制，取得质量改进的效果如下：①完成Φ1219×50 mm超大壁厚生产，该规格钢管合格率从75%提升到95.1%，成型管型控制不到位对钢管的影响也从91.6%降低到28.8%；②直接效益。经营销统计，Φ1219×50 mm超大壁厚钢管交付业主后，共计获利数十万元，利益可观；③间接社会效益。公司本次通过成型工艺研究，成功完成Φ1219×50 mm超大壁厚钢管的生产，不但达到业主的产品参数的要求顺利交货，而且完善了公司产品覆盖范围，也标志着公司有能力批量生产壁厚在40～50 mm的钢管，是对公司生产线实际生产能力的一次验证，对后续市场开拓有把握承接类似的钢管订单，有信心拿下更多的市场赢单。因此，此次Φ1219×50 mm超大壁厚直缝钢管管型控制工艺优化成功具有重大的市场意义。