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    不銹鋼焊管工藝國內外發展概況及研究進展

    來源:至德鋼業 日期:2021-06-18 10:38:56 人氣:119

    國內外不銹鋼焊管工藝發展概況

    截止到2008年,國外已建和在建的不銹鋼焊管工程有30多項,見表1-1。其中能夠制造18m長高等級、厚管壁、大直徑管線鋼管的生產線有8條,基本上分布在發達國家。

    自美國1940年首創不銹鋼焊管成形工藝生產大口徑直縫焊管的技術以來,國外不銹鋼焊管焊管機組的發展經歷了四個階段。1951年美國麥基斯波特廠建成了世界上第一臺工業化生產的不銹鋼焊管機組,產品直徑為φ24~26in(φ609.6~914.4mm),最大壁厚12.7mm,最大長度12m,年生產能力10 5 t。這種被稱為第一代的不銹鋼焊管機組缺乏現代檢測設備和自動化控制技術,沒有鋼板邊緣彎邊和預焊工藝,O成形壓力機能力較小,約為160MN,內焊和外焊采用兩絲焊機,鋼管擴徑采用水壓式擴徑方式。

    1955~1967年期間,不銹鋼焊管生產技術得到迅速發展。世界上共建成18套不銹鋼焊管焊管生產機組。產品最大直徑提高到φ42in(φ1066mm),最大壁厚達到25.4mm。在被稱為第二代的不銹鋼焊管機組中,采用了輥式彎邊機對鋼板邊緣進行彎曲的彎邊工藝和間斷式預焊工藝,O成形壓力機能力提高到240MN。除美國A.O.史密斯廠的不銹鋼焊管機組采用閃光焊外,其余機組的內焊和外焊仍采用兩絲焊機;部分機組開始采用機械擴徑方式對鋼管進行擴徑,并開始采用無損探傷設備對焊縫和管端進行探傷檢測。

    1968~1979年期間,不銹鋼焊管生產技術的發展達到了一個鼎盛時期。這期間世界上共建成了16套不銹鋼焊管生產機組,并對2套舊機組進行了技術改造。到上個世紀80年代,焊管的最大直徑達到了φ64in(φ1625.6mm),最大壁厚達到了

    1.5in(38mm),最大管長為18.3m,管線鋼管的鋼級達到X70,機組的年產量約為2×10 5~8×10 5 t,個別機組可達1.1×10 6 t。這個階段發展起來的機組被稱為第三代。第三代不銹鋼焊管機組采用了機械式壓力機對鋼板邊緣進行彎邊。在成形方面,O成形壓力機的能力達到了600MN,部分O成形壓力機還裝有鋼板自動測長、自動定位和設備自動調壓裝置;在焊接方面,采用了保護氣體連續預焊工藝,內焊和外焊分別采用了3絲和4絲焊接工藝;在擴徑方面,全部采用了機械擴徑工藝,并根據生產規模不同,有的機組采用了雙頭擴徑工藝設計;在檢測方面,有些機組采用超聲波對鋼板進行探傷檢測,焊縫和管端用超聲波、X光射線、磁粉探傷裝置進行探傷檢測,普遍采用了計算機進行控制和管理。

    1980年以來,除俄羅斯外,國外無再建新不銹鋼焊管機組,而有的老機組停產了,有的被賣到發展中國家。英國在1993年對哈特爾普爾廠的不銹鋼焊管機組進行了技術改造,將O成形機的能力提高至500MN,產品規格拓寬為φ406~1067mm,壁厚可達到50mm,內焊和外焊分別采用了4絲和5絲焊接工藝。俄羅斯Izhorsky trubny Zavod2005年開始建設的不銹鋼焊管生產機組是目前國外建成的最新的不銹鋼焊管生產線,預計其產品的最大直徑為φ1422.4mm,最大壁厚為40mm,最大鋼級為X80[3,64]。目前,已建成的不銹鋼焊管機組已能生產鋼級為X80、外徑為φ64in(φ1625mm)、壁厚為65mm、長度達18.9m的鋼管,年產量可達10 7 t。

    十年前,不銹鋼焊管管線鋼管制造技術在我國還是一片空白,隨著西氣東輸工程的正式啟動和數十條石油天然氣長輸管線建設項目的規劃,不銹鋼焊管管線鋼管制造技術開始被國內一些管線鋼管制造企業和學術界所關注。上世紀末,在河北青縣、沙市石化等廠家競相建設JCOE大直徑管線鋼管生產線的同時,珠江鋼管有限公司通過引進二手UO成形設備和自制機械擴徑機建成了國內第一條不銹鋼焊管生產線,開創了我國生產不銹鋼焊管大口徑直縫埋弧焊管的先河[1]。隨后,遼陽鋼管公司國產化不銹鋼焊管機組投入生產?!笆晃濉逼陂g,寶鋼通過國際合作開始建設我國第一條高水平的不銹鋼焊管生產線。到目前為止,我國已經建成和正在建設的不銹鋼焊管生產線共計四條。

    寶山鋼鐵股份有限公司不銹鋼焊管生產線于20081月進行熱負荷試車,成功試制出直徑為φ1016mm的直縫埋弧焊管。該生產線的板邊彎曲成形壓力機、U成形壓力機和O成形壓力機均采用了國外引進的技術,分別由第一重型機械有限公司、太原重型機械有限公司制造。機械擴徑機則采用的是從德國米爾公司引進的設備。應該說,寶鋼的不銹鋼焊管機組是目前世界上最先進的機組之一。其O成形壓機的最大壓力為720MN,是目前世界上最大的O成形壓機。生產線配備了兩臺最大拉力為15MN的機械擴徑機,具備X100鋼級管線鋼管的生產能力。設計年產直縫埋弧焊管5×10 5 t,產品外徑為φ508~1422.4mm,壁厚為6~40mm,長度為6~18.3m。

    不銹鋼焊管工藝研究進展

    作為一種實用技術,不銹鋼焊管大直徑管線鋼管制造工藝已經被一些工業發達國家所掌握[66~72]。由于大直徑管線鋼管不銹鋼焊管成形工藝的研究人員主要來自管線鋼管的制造企業,他們所關注的問題大多集中于技術層面,一直很少有關于不銹鋼焊管應用的基礎層面的研究成果公開發表。在上個世紀七、八十年代,日本的一些學者對不銹鋼焊管成形過程中鋼板的變形規律等問題進行了比較詳細的研究,發表了一些成果[29,73~81],但由于在當時條件下,研究者只能采用近似解析的方法來分析問題,因此在求解過程中,采用了大量的假設和簡化,所以其結果與實際情況偏離較大。于是,有很多學者借助計算機仿真技術對不銹鋼焊管成形工藝過程進行了大量的研究,在其后的很長一段時期內,幾乎沒有人再去研究不銹鋼焊管成形工藝的應用基礎問題。在最近幾年,隨著國際上長輸管線建設新高潮的來臨,又有一些關于不銹鋼焊管成形機理和變形規律方面的研究成果發表。

    國內關于不銹鋼焊管成形工藝方面的基礎問題,早期只有一些零星的研究,而由于研究工作比較分散且缺乏深度,所以一直沒有形成系統的應用基礎體系。近年來,隨著不銹鋼焊管生產線的建設與運行,無論是技術研發還是工業運行,工業界都表現出了對不銹鋼焊管成形相關基礎理論知識的渴求。因此關于這方面的研究工作也逐漸被從事材料加工工藝研究的學者和有關企業界技術人員所關注。其中,華南理工大學、番禺珠江鋼管有限公司、沙市鋼管廠和燕山大學等單位都基于廣泛的工程應用背景,先后開展了比較系統的應用基礎研究工作。

    華南理工大學的阮鋒教授通過理論和數值模擬方法對不銹鋼焊管成形工藝進行了較深入的研究。在彎邊工序方面,推導出了根據板料強度、厚度和最終成形半徑直接計算彎曲半徑的回彈逆解公式,并根據計算公式給出了不同鋼級的不銹鋼焊管在彎邊成形中的彎邊輥半徑優化設計諾謨圖。據此,可以依據材料強度、厚度和焊管名義直徑迅速、簡明地從圖中確定彎邊輥的半徑。同時指出,彎邊工藝可以改善板料O成形后的曲率分布,在彎邊弧度大于25°時,O成形后管坯的邊緣直邊現象得到了明顯改善。隨彎邊弧度的增加,O成形后的管坯曲率逐漸趨于均一。并且,彎邊半徑為焊管名義半徑的1.0~1.3倍時,可以獲得較好的形狀。在O成形工序方面,采用有限元分析方法研究了O成形過程的載荷、板料變形模式和曲率分布變化,揭示了O成形過程的變形機理。根據研究結果,O成形過程可分為4個階段:U形件對口、直邊彎曲、懸弧二次彎曲和懸弧多次彎曲。

    2006年,番禺珠江鋼管有限公司的研究人員通過分析不銹鋼焊管制管工藝O成形時鋼板所受的外力和彎距,指出板料厚度和管坯直徑是影響O成形載荷的主要因素,并分別給出基于板料屈服強度和校正壓縮比兩種O成形載荷的計算方法。利用這兩種計算方法可以在工程上對O成形載荷進行較粗略的預測。事實上來料的幾何形狀對O成形工序的成形載荷也有較大影響,板邊彎曲工藝的成形質量對其影響尤為突出,但在上述文獻中給出的公式并未考慮這些因素的影響。然而值得指出的是,這是目前國內唯一具有參考價值的O成形載荷計算公式。在試驗方面,番禺珠江鋼管有限公司用規格為φ711mm×15.9mm×12200mm直縫焊接鋼管進行了不銹鋼焊管全過程的實驗,考察了試制樣品的成形精度。各項測試結果表明,所擬定的不銹鋼焊管成形工藝技術路線合理,并通過實際生產證明了板料成形過程所采用的彎邊、U成形、O成形以及擴徑等工序相結合的逐次成形方法在高精度直縫焊接鋼管產品的生產中非常有效。

    湖北沙市鋼管廠的李宏、謝志民等人于2006年和2007年分別發表文章,先后對彎邊工藝進行了詳細的分析。文中推導了上模曲率半徑、彎邊長度、彎邊卷角和彎邊力等主要彎邊工藝參數的計算公式。運用這些公式確定的彎邊工藝參數被應用于生產實際中,使彎邊質量達到了工藝要求。

    燕山大學自1999年就開展了不銹鋼焊管成形工藝的研究工作,但主要集中在機械擴徑工藝的研究上。2001年,郭寶峰教授在完成的博士學位論文《管線鋼管機械擴徑工藝的數值模擬與實驗研究》中詳細的分析了擴徑變形過程及變形特征、擴徑工藝參數對制品質量的影響及模具形狀參數對制品質量的影響,推導出了擴徑力、擴徑行程的計算方法和回彈近似預測方法。在隨后的研究工作中,先后建立了基于有限元分析的機械擴徑工藝過程的多目標優化方法和基于BP神經網絡的機械擴徑工藝參數預測方法。

    基于有限元分析的機械擴徑工藝過程的多目標優化方法可以在同時滿足制品橫斷面尺寸和形狀精度的條件下,從理論層面上確定管坯的尺寸規格、形狀誤差以及與之相對應的模具尺寸和變形程度。采用這種方法,可以在一定程度上改變在制定機械擴徑工藝時完全依賴經驗的現狀。特別是對于新產品開發,可以顯著地減少實驗工作量而更具應用價值?;?/span>BP神經網絡的機械擴徑工藝參數預測方法與基于有限元分析的遺傳優化算法比較,其計算效率更高,同樣能夠得到與制品規格相對應的擴徑率、管坯橫斷面圓度和模具外徑與制品內徑之比的最優組合,進而可以確定管坯的外徑和壁厚與模具直徑。因此,該方法能夠很好地預測管筒形零件機械擴徑的工藝參數。

    在這期間,周維海博士采用了修正的Lagrarge描述的大變形彈塑性有限元法分析了U成形的變形過程?;?/span>Prandtl-Reuss流動理論,結合Misses屈服準則,構建出本構方程,分析了變形過程中沿板寬和板厚方向的應力分布規律,并就板厚、材料及模具形狀對回彈量的影響給出了詳盡的分析結果。但文中只定性地分析了各種因素對回彈量的影響,并沒有對U成形板料直壁段的回彈角和底部彎曲半徑的回彈量進行定量的分析。

    雖然目前已經有一些研究成果陸續公開發表,但由于不銹鋼焊管成形工藝路線較長,涉及的成形工藝參數和模具結構參數多,加之各種參數對最終制品的成形質量交互影響,其變形機理和變形規律相對復雜。目前,將不銹鋼焊管工藝各工序連續變形統籌考慮,建立一種有利于保障成形質量的質量評價體系及質量控制策略的研究工作還未見報導。

    課題來源及本文主要研究內容

    本課題來源于國家自然科學基金項目(50475080)“管筒形零件機械擴徑精確成形的理論與應用基礎研究”,并以上海寶山鋼鐵股份有限公司與燕山大學的合作項目“不銹鋼焊管成型工藝過程仿真系統開發及仿真研究”為依托,對不銹鋼焊管成形工藝的基礎問題進行研究,在此基礎上,建立板料在不銹鋼焊管成形過程中多步成形的協調機制,制定不銹鋼焊管方法成形大直徑直縫焊管成形過程的質量控制策略。并利用MARC軟件平臺的二次開發技術,研究和開發集可視化菜單輸入功能、參數化自動建模功能、可控的人機交互式仿真計算功能、質量評價指標自動生成功能和缺陷分析功能于一體的不銹鋼焊管成形工藝過程仿真系統,為不銹鋼焊管成形工藝技術的自主研發和不銹鋼焊管管線鋼管成形工藝設計提供理論、技術支持。

    本文的主要研究內容包括:

    (1)根據彈塑性理論,研究和完善管線鋼管不銹鋼焊管成形工藝的基本理論,對各工序的成形載荷、模具行程、回彈等進行分析和預測。

    (2)建立不銹鋼焊管成形過程的連續仿真有限元模型,對成形過程進行分析,研究板料的變形機理。

    (3)定性和定量地研究不銹鋼焊管成形質量的影響因素,構建不銹鋼焊管成形質量的評價體系,制定不銹鋼焊管成形過程的質量控制策略。

    (4)基于不銹鋼焊管成形質量的評價體系,引入CAE參數化技術,開發不銹鋼焊管成形工藝過程仿真系統。

    (5)O成形過程進行實驗研究,深入了解不銹鋼焊管來料質量和工藝參數對O成形工序成形質量及成形載荷的影響,驗證理論分析和數值模擬的結果。

    本文標簽:不銹鋼焊管 

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