長輸管道X80 高鋼級加熱彎管制作技術(shù)

張紅兵

（國家石油天然氣管網(wǎng)集團有限公司工程部，北京 100020）

前言

隨著我國原油天然氣管道工程建設(shè)的蓬勃發(fā)展，特別是西二線、中緬線、西三線及其支線等項目的陸續(xù)建設(shè)和竣工，加速了我國X80 高鋼級管線鋼的發(fā)展，與此同時，作為管線建設(shè)重要組成部分，X80 高鋼級加熱彎管的需求也隨之增大。通過選擇合適工藝參數(shù)，局部淬火取代傳統(tǒng)整體淬火，升級改造設(shè)備工裝的等方面的努力，有效解決了大批量生產(chǎn)時工作效率低、技術(shù)不成熟、控制精度低等缺點。

1 彎管原材料分析

選擇某工程用φ1 016 mm×16.8 mm，X80 彎管進行原材料分析，母管采用φ1 016 mm×16.8 mm，X80，雙面埋弧直縫焊管（SAWL），其化學(xué)成分及力學(xué)性能試驗結(jié)果見表1、表2、表3。

表1 φ1 016×16.8 X80 母管化學(xué)成分

表2 X80 母管的拉伸性能試驗結(jié)果

表3 X80 母管的夏比沖擊試驗結(jié)果

2 確定X80 彎管制作局部加熱方式

2.1 兩種加熱方式的對比

現(xiàn)有的加熱彎管制作方法主要有全程加熱（直管段也加熱）和局部加熱兩種。為避免急熱急冷導(dǎo)致的X80 加熱彎管過渡區(qū)晶粒粗大，組織性能差，未加熱的直管段強度偏低等因素，國內(nèi)較為廣泛采用全程加熱法（即直管段也需要加熱）制作彎管，從而解決這一問題。

但直管段加熱的工序較為復(fù)雜，嚴(yán)重制約了彎管制作的工作效率。

（1） 開車工序流程的增加

通過對兩種方法的工序流程對比發(fā)現(xiàn)，全程加熱增加了中頻感應(yīng)圈前后移動的工序，感應(yīng)圈前后移動共1 000 mm（彎管直管段為500 mm）。以φ1 016 mm×16.8 mm，X80 彎管為例，推制速度約為25 mm/min，可以看出，僅感應(yīng)圈移動就需要多花費40 min 時間。

（2） 全程加熱時需要增加工藝短節(jié)

彎管推制過程中，前直管段需要被搖臂機構(gòu)的卡頭夾緊，從而導(dǎo)致前直管段無法被加熱。為實現(xiàn)前直管段加熱，就必須在直管段前增加工藝短節(jié)，以起到夾持作用，焊接500 mm 的工藝短節(jié)是國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的方法，但該方法以φ1 016 mm×16.8 mm，X80彎管為例，每焊接一道焊口至少需要3～4 h，批量生產(chǎn)2 000 只彎管計算，共要焊接長約6 000 m 的厚度為16.8 mm 的焊縫，消耗焊材量約10 t，效率低，且造成了極大的浪費。

由上述對比發(fā)現(xiàn)，全程加熱方法極大的影響了X80 彎管加熱彎管的生產(chǎn)效率，因此必須選用局部加熱方式，同時保證產(chǎn)品質(zhì)量。

2.2 優(yōu)化推制及熱處理工藝參數(shù)，確定局部加熱方式

通過多次試驗如表4 所示，不斷調(diào)整推制及熱處理參數(shù)，從而選擇確定最佳的工藝參數(shù)，最終確定為局部加熱方式，推制溫度為1 000 ℃，推制速度為40 mm/min，冷卻水流量為44 m3/h，熱處理確定為560℃的高溫回火，保溫80 min 后直接出爐快速空冷，避免出現(xiàn)隨回火溫度的升高，沖擊韌性反而下降的第二類回火脆性現(xiàn)象。經(jīng)試驗驗證，獲得了良好的機械性能，試驗結(jié)果符合SY/T5257-2004或CDP-S-OGP-PL-016-2011-2 的相關(guān)規(guī)定。

表4 X80 彎管推制及熱處理工藝參數(shù)

由五種工藝參數(shù)X80 拉伸性能對比圖圖可以看出，工藝1 與工藝2 得到的屈服及抗拉強度都偏低，試驗表明加熱溫度越低，冷卻水量越小，則彎管強度都偏低，反之，亦然。

工藝3、4、5 的強度都較高，均符合技術(shù)規(guī)格書中Rt0.5≥555 MPa，Rm≥625 MPa，則可以看出提高了感應(yīng)加熱溫度及冷卻水流量，使得彎管冷卻更充分，彎管強度變得更高[2]。

上述3 種工藝參數(shù)合格后，對這三種試樣進行夏比沖擊試驗，結(jié)果顯示，第三種工藝參數(shù)下夏比沖擊性能嚴(yán)重降低，X80 沖擊功要求管體沖擊功平均值≥90 J，單個試樣最小值≥60 J。原因分析為溫度超過1 100 ℃時，含碳量低于0.72%的超低碳鋼，會發(fā)生晶粒粗大，導(dǎo)致沖擊性能明顯降低的現(xiàn)象，而工藝3 和工藝4 在熱處理溫度提高到560 ℃時，即保證了較高的強度，也提供了合適的韌性，綜合考慮為最佳的工藝參數(shù)，且局部加熱節(jié)約了時間，提高了工作效率，在X80 彎管制作時，最終確定選用優(yōu)化后的工藝參數(shù)5做為最終的工藝（表5、表6）。

表5 X80 彎管全程加熱合格試驗結(jié)果

表6 X80 彎管局部加熱合格試驗結(jié)果

3 升級改造X80 彎管制作設(shè)備

由于彎管機組各系統(tǒng)尤其是中頻加熱系統(tǒng)非常復(fù)雜，X80 高鋼級加熱彎管制作時，彎管機組負荷更大，設(shè)備故障率會隨著使用年限和使用頻率等因素的增加而相應(yīng)增多，對于大批量生產(chǎn)彎管的控制精度就更難以保障，如加熱溫度控制在±25 ℃以內(nèi)[3]，因此，為了使彎管機組工作穩(wěn)定可靠，提高彎管制作過程的控制精度，對設(shè)備的升級改造是很有必要的。

發(fā)展部以與呈示部相同的主題材料展開。進入C大調(diào)，然后是沿著五度循環(huán)的一系列轉(zhuǎn)調(diào)：F大調(diào)（第116小節(jié)）、降B大調(diào)（第124小節(jié)）、降E大調(diào)（第126小節(jié)）、降A(chǔ)大調(diào)（第128小節(jié)）。到達降A(chǔ)大調(diào)之后，通過左手的還原E音轉(zhuǎn)入f小調(diào)，而這個和弦正是樂章開頭的調(diào)式音階的Ⅱ級，它堅持不懈地重復(fù)了七個小節(jié)之后，水到渠成地進入再現(xiàn)部。

3.1 提高中頻變壓器連續(xù)工作的穩(wěn)定性

中頻變壓器是控制加熱溫度的關(guān)鍵設(shè)備和主要影響因素，大批量生產(chǎn)中，需要變壓器能更長時間的連續(xù)工作，并且保證輸出功率穩(wěn)定，這是提高控制精度的一個關(guān)鍵點。

電源在運行過程電抗器、晶閘管、電容器等器件全部采用水冷卻的方式，如果運行當(dāng)中在冷卻水出現(xiàn)故障和水溫過高，將會導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，電源的大部分故障常常都是因為水的原因引起的。通過增加變壓器水- 水交換器，提高變壓器內(nèi)循環(huán)冷卻能力，改造后的變壓器具備了長時間連續(xù)穩(wěn)定工作的能力，大大減少了故障率，保證了大批量生產(chǎn)時，彎管加熱過程的穩(wěn)定性。

水- 水交換器即純水冷卻系統(tǒng)是全封閉自循環(huán)系統(tǒng)[4]。內(nèi)循環(huán)水泵將水從冷卻水箱抽出，送往板式換熱器將熱量交換到外循環(huán)水。從板式換熱器出來的冷卻水被送到各冷卻部位吸收熱量后在流回水箱。內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)包括板式換熱器，不銹鋼冷卻水箱，冷卻水泵，管路和閥門，儀表及電控報警系統(tǒng)。

3.2 中頻加熱裝置改造

中頻感應(yīng)加熱圈的型式是彎管機設(shè)備上最重要的部件之一，它的加熱穩(wěn)定性直接決定彎管產(chǎn)品的質(zhì)量。改進彎管生產(chǎn)過程中中頻加熱圈的型式，改以往的圓銅管，采用方紫銅管自制中頻感應(yīng)加熱圈，并設(shè)計改造冷卻水的進水溫度、出水溫度、水壓和流量，在中頻感應(yīng)加熱圈后再增加壓縮空氣風(fēng)圈，吹開生產(chǎn)過程中的水霧及冷卻水的回流，保證彎管生產(chǎn)過程中加熱溫度的均勻性、設(shè)備的穩(wěn)定性從而提高了X80 高鋼級彎管的合格率。

自制方紫銅管中頻感應(yīng)加熱圈的流程：

（1） 自制感應(yīng)加熱圈胎具：根據(jù)加熱鋼管的外徑大小，切割一段約100 mm 寬的鋼管，從中間單面切開外徑大于所需加熱工件的外徑約15～20 mm，點焊固定在操作平臺上。

（2） 中頻感應(yīng)加熱圈成型：采用氣焊加熱，根據(jù)自制胎具熱煨彎曲成型，使用木錘敲擊保證感應(yīng)加熱圈的圓度，并最終進行局部校圓。

（3） 開孔：在中頻感應(yīng)加熱圈上約60°和120°位置設(shè)置兩個主進水口并采用2 mm 鉆具對成型的中頻感應(yīng)加熱圈45～50 度進行鉆孔，間距約10 mm 一個，保證冷卻水的進水、出水、水壓和流量。

（4） 銅焊接連接板：根據(jù)中頻變壓器的連接方式進行下料，采用δ=8～10mm 的紫銅板焊接并開螺栓孔方便固定在設(shè)備的鋼結(jié)構(gòu)架上。

自制空氣壓縮風(fēng)圈的流程：

（1） 采用以往的感應(yīng)加熱圓銅圈將多余的連接部分進行切割后補焊。

（2） 在彎管機底部設(shè)置一個采用φ60～φ108 mm 鋼管自制的三通，長度約1 m。

（3） 采用橡膠膠皮管與空氣壓縮機連接，并連接到三通上再連接到自制的空氣壓縮風(fēng)圈上。

空氣壓縮風(fēng)圈在中頻感應(yīng)加熱圈之后約100 mm，保證彎管加熱過程中能將水霧吹開及阻止冷卻水的回流，保證了生產(chǎn)過程中溫度控制的精確性，提高了產(chǎn)品穩(wěn)定性[5]。

3.3 中頻變壓器調(diào)節(jié)機構(gòu)

由于彎管的形狀特性，在推制過程中，彎管徑向中心會不斷向外弧側(cè)偏移。感應(yīng)圈與工件的間會在推制過程中不斷變化，即外弧側(cè)間距逐漸變小，內(nèi)弧側(cè)間距逐漸變大。理論和實踐均發(fā)現(xiàn)感應(yīng)加熱的溫度與感應(yīng)圈距工件的間距有關(guān)，間距越小，加熱溫度越高，間距越大，加熱溫度越低，這就會導(dǎo)致內(nèi)弧側(cè)溫度偏低，外弧側(cè)溫度增加，使得彎管內(nèi)外弧側(cè)理化性能不一致。同時為了保證在整個橫截面上間距均相同，這就要求感應(yīng)圈具備可以上下左右移動的能力。而現(xiàn)有設(shè)備僅能報證左右移動，且移動采用C 形滑塊實現(xiàn)，極易損壞，更換維修不方便，且需要手動調(diào)節(jié)。

同時為了保證彎管采用全程加熱工藝，也需要感應(yīng)圈可以前后移動，經(jīng)創(chuàng)新改造后，將現(xiàn)有機構(gòu)改為3維6 個方向調(diào)節(jié)機構(gòu)，實現(xiàn)電動自動調(diào)節(jié)。該調(diào)節(jié)機構(gòu)采用絲桿螺母調(diào)節(jié)方式，運行平穩(wěn)，無噪音。絲桿采用直流電機帶動，實現(xiàn)電動調(diào)節(jié)。操作人員僅需按動控制盒上的方向按鈕就能自動調(diào)整變壓器的位置，從而使感應(yīng)圈到達理想的加熱位置。

4 結(jié)論

（1） 通過優(yōu)化調(diào)整工藝參數(shù)，從而選擇局部加熱方式，提高X80 高鋼級加熱彎管工作效率，同時報證了產(chǎn)品質(zhì)量。

（2） 通過升級改造設(shè)備工裝，如中頻變壓器的水- 水交換器的引用，中頻感應(yīng)裝置的改造及中頻感應(yīng)圈調(diào)整裝置的改造，對大批量生產(chǎn)彎管的過程控制起到了很好的促進作用，提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性。