CN104511720B - 深水用埋弧焊大口径钢管的缩径制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种深水用埋弧焊大口径钢管的缩径制造方法。为了克服现有采用JCOE工艺生产厚壁钢管存在的压缩强度降低，不能满足深水用管线压溃压力性能要求的不足，本发明包括銑边、预弯边、JCO成型、合缝及预焊、内焊、外焊、机械缩径、质量检查、水压试验、质量检查、倒棱等工艺步骤，其中机械缩径是利用钢管定径压机对钢管全长进行环向压缩。其有益效果是利用钢管定径压机对钢管全长进行环向压缩，使其发生局部变形，减小管径，改善钢管尺寸公差；通过机械缩颈，减小残余应力，提高钢管的直线度，优化了钢管冷成型工艺，提高钢管的压缩屈服强度及压溃压力，通过严格的技术控制，使钢管的各项技术参数符合深水管线要求。

Description

深水用埋弧焊大口径钢管的缩径制造方法
技术领域
本发明涉及一种埋弧焊大口径钢管制造方法，尤其是涉及一种深水用埋弧焊大口径钢管的缩径制造方法。
背景技术
目前开发的深海油气田普遍是在水深2000～3000m水域，而最深的钻井水域及采油井水深已达6000m以上，预计到2015年，深海油田产量将占所有海上产量的25％，海洋天然气的产量仍将继续增加，最终将达到全球天然气产量的50%左右，这将使得天然气基础设施的投资增加，天然气基础设施建设中所需海底管线的数量将大幅增加。
近20年来，JCOE（大口径直缝双面埋弧焊钢管成型工艺）除了用于陆上管线管的生产，也逐渐用于大壁厚海底管线管的生产。深海管道处于周围环境水的高压下，并且在管道敷设时容易弯曲。为了避免管道压溃，需要采用较低的径厚比（D/t）。除了壁厚之外，钢管圆度是影响施工现场对接施焊的最直接因素，圆度好、管径整齐划一的钢管，在高输送压力下服役时各个方向受力均衡，是管线质量的重要保障。特别是深水管线，主要设计载荷是外压，相关的极限状态是压溃状态，要求钢管具有极高的可靠性、良好的圆度和均匀的力学性能。
2012年1月11日公开的中国发明专利《一种海底用X65管线钢直缝埋弧焊管制造方法》（CNCN102310119A），钢管的制造工艺过程包括铣边、预弯边、JCO成型、预焊、内焊、外焊、第一次超声波检查、第一次X射线检查、机械扩径、水压试验、倒棱、坡口加工、第二次超声波检查、第二次X射线检查、管端磁粉检查和外观质量检查。该发明使得X65钢级直径为Φ762mm、壁厚为28.6～30.2mm直缝埋弧焊管在JCO成型过程中各部分变形均匀、性能均匀；解决了钢管在焊接过程中局部受热导致强韧性及延伸率严重降低的问题；解决了钢管在机械扩径时由于加工硬化导致强度增加、韧性和均匀延伸率降低的问题。
尽管现有JCOE工艺可以生产圆度小于0.15%的厚壁钢管，但是其压溃压力显著低于相同钢级和径厚比的无缝钢管，因冷成型（特别是扩径工序）会导致钢管的压溃压力降低30%以上。简言之，由于包辛格效应，扩径使钢管材料沿圆周方向的拉伸强度提高，而使压缩强度降低，不能满足深水管线的性能要求。
发明内容
为了克服现有采用JCOE工艺生产厚壁钢管存在的压缩强度降低，不能满足深水用管线压溃压力性能要求的不足，本发明提供一种深水用埋弧焊大口径钢管的缩径制造方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：深水用埋弧焊大口径钢管的缩径制造方法，包括銑边、预弯边、JCO成型、合缝及预焊、内焊、外焊、水压试验、到棱、超声波检查、X射线检查工艺步骤，具体工艺步骤为：
1）铣边，坡口加工：通过铣边机对钢板两边缘进行双面铣削，使之达到要求的板宽、板边平行度和坡口形状；
2）预弯边：根据钢管曲率要求和管径尺寸要求，利用预弯边机对板边弯曲至符合要求的曲率；
3）JCO成型：
首先，利用JCO成型机将经过预弯边后的钢板的一半进行多次冲压，压成“J”形；
再将其另一半进行同样的多次冲压，压成“C”形；
最后在整个钢板的中间压制一次使其形成开口的“O”形；
4）合缝及预焊：通过调整合缝预焊机压辊的位置，使成型后钢管的焊接坡口良好的匹配在一起，保证错边、缝隙尺寸符合要求，同时采用气体保护焊接方式进行焊接；
5）内焊：采用四丝埋弧自动焊在钢管内侧焊接坡口进行焊接，第一丝采用直流反接，第二至四丝为交流；
6）外焊：采用四丝埋弧自动焊在钢管外侧焊接坡口进行焊接，第一丝采用直流反接，第二至四丝为交流；
7）机械缩径：利用钢管定径压机对钢管全长进行环向压缩；
8）质量检查：超声波检查、X射线检查、管端磁粉检查和外观检查；
9）水压试验：对钢管进行100%的静水压试验；
10）质量检查：超声波检查、X射线检查、管端磁粉检查和外观检查；
11）倒棱：将检验合格的钢管进行管端加工。
步骤7）机械缩径，采用钢管定径压机的主机为一台四梁四柱液压机，前后配备可升降的输送辊道和可升降的旋转辊道，缩径操作时：由主机下活动横梁和辊道协调动作，找出钢管椭圆截面的长轴方向，并使其旋转至垂直方向，逐段送入缩颈模，在压力作用下使圆度误差＜0.3%；沿钢管轴线找出高点，并使其旋转至垂直向上方向，使高点被送入钢管定径压机上模正下方，钢管落在支座上，在钢管定径压机上模压力作用下改善钢管直线度，达到设计要求。
步骤7）直径的测量在距焊缝的不同角度位置进行，分别为±[8、30、60、90、120、150、172]°；缩径后测得的圆度在0.10%～0.15%之间。
步骤9）的静水压试验压力为钢管最小屈服强度的95%～100%。
本发明的有益效果是，利用钢管定径压机对钢管全长进行环向压缩，使其发生局部变形，减小管径，改善钢管尺寸公差；通过机械缩颈，减小残余应力，提高钢管的直线度，优化了钢管冷成型工艺，提高钢管的压缩屈服强度及压溃压力，通过严格的技术控制，使钢管的各项技术参数符合深水管线要求。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。但是，本领域技术人员应该知晓的是，本发明不限于所列出的具体实施方式，只要符合本发明的精神，都应该包括于本发明的保护范围内。
本发明深水用埋弧焊大口径钢管的缩径制造方法，具体工艺步骤为：
1）铣边，坡口加工：通过铣边机对钢板两边缘进行双面铣削，使之达到要求的板宽、板边平行度和坡口形状。
2）预弯边：根据钢管曲率要求和管径尺寸要求，利用预弯边机对板边弯曲至符合要求的曲率。
3）JCO成型。
首先，利用JCO成型机将经过预弯边后的钢板的一半进行多次冲压，压成“J”形；
再将其另一半进行同样的多次冲压，压成“C”形；
最后在整个钢板的中间压制一次使其形成开口的“O”形。
4）合缝及预焊：通过调整合缝预焊机压辊的位置，使成型后钢管的焊接坡口良好的匹配在一起，保证错边、缝隙尺寸符合要求，同时采用气体保护焊接方式进行焊接。
5）内焊：采用四丝埋弧自动焊在钢管内侧焊接坡口进行焊接，第一丝采用直流反接，第二至四丝为交流。
6）外焊：采用四丝埋弧自动焊在钢管外侧焊接坡口进行焊接，第一丝采用直流反接，第二至四丝为交流。
7）机械缩径：利用钢管定径压机对钢管全长进行环向压缩；
采用钢管定径压机的主机为一台四梁四柱液压机，前后配备可升降的输送辊道和可升降的旋转辊道，缩径操作时：
由主机下活动横梁和辊道协调动作，找出钢管椭圆截面的长轴方向，并使其旋转至垂直方向，逐段送入缩颈模，在压力作用下使圆度误差＜0.3%；
沿钢管轴线找出高点，并使其旋转至垂直向上方向，使高点被送入钢管定径压机上模正下方，钢管落在支座上，在钢管定径压机上模压力作用下改善钢管直线度，达到设计要求。
直径的测量在距焊缝的不同角度位置进行，分别为±[8、30、60、90、120、150、172]°；缩径后测得的圆度在0.10%～0.15%之间。
8）质量检查：超声波检查、X射线检查、管端磁粉检查和外观检查；
9）水压试验：对钢管进行100%的静水压试验，静水压试验压力为钢管最小屈服强度的95%～100%；
10）质量检查：超声波检查、X射线检查、管端磁粉检查和外观检查；
11）倒棱：将检验合格的钢管进行管端加工。
实施例：
采用宽度为1525mm、厚度为25.4mm的X65控轧钢板进行φ508直缝埋弧焊钢管的制造。步骤如下：
1）铣边，坡口加工：通过铣边机对钢板两边缘进行双面铣削，使之达到要求的板宽、板边平行度和坡口形状。
2）预弯边：根据钢管的设计技术要求，利用预弯边机对板边弯曲至符合要求的曲率。
3）JCO成型：
首先，利用JCO成型机将经过预弯边后的钢板的一半进行多次冲压，压成“J”形；
再将其另一半进行同样的多次冲压，压成“C”形；
最后在整个钢板的中间压制一次使其形成开口的“O”形。
4）合缝及预焊：通过调整合缝预焊机压辊的位置，使成型后钢管的焊接坡口良好的匹配在一起，保证错边、缝隙尺寸符合设计要求，同时采用气体保护焊接方式进行焊接。
5）内焊：采用四丝埋弧自动焊在钢管内侧焊接坡口进行焊接，焊丝为JW-9Z，第一丝采用直流反接，第二至四丝为交流。焊接工艺参数为：第一丝电流950A、电压34V；第二丝电流950A、电压38V；第三丝电流800A、电压38V；第四丝电流700A、电压40V；焊丝间距为18～20mm，焊接速度为150mm/min。
6）外焊：采用四丝埋弧自动焊在钢管外侧焊接坡口进行焊接，焊丝为JW-9Z，第一丝采用直流反接，第二至四丝为交流。焊接工艺参数为：第一丝电流1100A、电压34V；第二丝电流750A、电压38V；第三丝电流600A、电压40V；第四丝电流500A、电压42V；焊丝间距为18～20mm，焊接速度为175mm/min。
7）机械缩径：钢管焊接完成后，采用1.0%净压缩率对钢管全长进行压缩，即缩径。缩径按逐段渐进的方式进行的，每次压缩后钢管轴向移动的步长为600mm，保证每个压缩步长终端之间足够的重叠量；然后进行几何尺寸测量和力学性能测定。
圆度测量：为了效果对比，测量缩径前和缩径后的圆度。用卡尺和千分尺测量直径，直径的测量在距焊缝的不同角度位置进行，分别为±[8、30、60、90、120、150、172]°，然后计算测得的最大直径与最小直径的差，再除以钢管公称直径得到的百分数即为钢管圆度。缩径前其圆度大约为0.6%。缩径后测得的圆度在0.10%～0.15%之间。
8）质量检查：超声波检查、X射线检查、管端磁粉检查和外观检查。
残余应力测量：残余应力的测定在100mm长的管环上进行。先用锯将管环切开，从切开后的开口可以确定管子的残余应力。缩径使残余应力幅值减小，从未缩径时的133MPa减小至缩径1.1%时的26MPa。
9）水压试验：对钢管进行100%的静水压试验，静水压试验压力为钢管最小屈服强度的95%～100%；
10）质量检查：超声波检查、X射线检查、管端磁粉检查和外观检查；
11）倒棱：将检验合格的钢管进行管端加工。
应用本发明制造的深水用埋弧焊大口径钢管技术参数见表1：
表1钢管缩径前后的几何尺寸、材料性能和压溃压力
缩径工艺显著提高了外侧的弹性极限，并且使响应曲线的拐点变得更陡，压溃压力提高了45%。
采用本发明制造深水用埋弧焊大口径钢管的有益效果如下：
（1）利用钢管定径压机，对钢管全长进行环向压缩，使其发生局部变形，使管径减小，改善钢管尺寸公差，在全管长度范围的内径公差小于0.5mm，且圆度小于0.3%；
（2）通过机械缩颈，可以减小残余应力，提高钢管的直线度；
（3）通过机械缩颈，将扩径替换为压缩，即提高钢管在“O”阶段的压缩率，或将扩径率降低到1.0%以下，冷成型工艺得以优化，提高了钢管的压缩屈服强度和压溃压力。
应该注意的是上述实施例是示例而非限制本发明，本领域技术人员将能够设计很多替代实施例而不脱离本专利的权利要求范围。

Claims (4)

1.一种深水用埋弧焊大口径钢管的缩径制造方法，包括銑边、预弯边、JCO成型、合缝及预焊、内焊、外焊、水压试验、到棱、超声波检查、X射线检查工艺步骤，具体工艺步骤为：
1）铣边，坡口加工：通过铣边机对钢板两边缘进行双面铣削，使之达到要求的板宽、板边平行度和坡口形状；
2）预弯边：根据钢管曲率要求和管径尺寸要求，利用预弯边机对板边弯曲至符合要求的曲率；
3）JCO成型：
首先，利用JCO成型机将经过预弯边后的钢板的一半进行多次冲压，压成“J”形；
再将其另一半进行同样的多次冲压，压成“C”形；
最后在整个钢板的中间压制一次使其形成开口的“O”形；
4）合缝及预焊：通过调整合缝预焊机压辊的位置，使成型后的钢管焊接坡口良好的匹配在一起，保证错边、缝隙尺寸符合设计要求，同时采用气体保护焊接方式进行焊接；
5）内焊：采用四丝埋弧自动焊在钢管内侧焊接坡口进行焊接，第一丝采用直流反接，第二至四丝为交流；
6）外焊：采用四丝埋弧自动焊在钢管外侧焊接坡口进行焊接，第一丝采用直流反接，第二至四丝为交流；
其特征是：
7）机械缩径：利用钢管定径压机对钢管全长进行环向压缩；
8）质量检查：超声波检查、X射线检查、管端磁粉检查和外观检查；
9）水压试验：对钢管进行100%的静水压试验；
10）质量检查：超声波检查、X射线检查、管端磁粉检查和外观检查；
11）倒棱：将检验合格的钢管进行管端加工。
2.根据权利要求1所述深水用埋弧焊大口径钢管的缩径制造方法，其特征是：所述步骤7）机械缩径，采用钢管定径压机的主机为一台四梁四柱液压机，前后配备可升降的输送辊道和可升降的旋转辊道，缩径操作时：
由主机下活动横梁和辊道协调动作，找出钢管椭圆截面的长轴方向，并使其旋转至垂直方向，逐段送入缩颈模，在压力作用下使圆度误差＜0.3%；
沿钢管轴线找出高点，并使其旋转至垂直向上方向，使高点被送入钢管定径压机上模正下方，钢管落在支座上，在钢管定径压机上模压力作用下改善钢管直线度，达到设计要求。
3.根据权利要求2所述深水用埋弧焊大口径钢管的缩径制造方法，其特征是：所述步骤7）直径的测量在距焊缝的不同角度位置进行，分别为±[8、30、60、90、120、150、172]°；缩径后测得的圆度在0.10%-0.15%之间。
4.根据权利要求1所述深水用埋弧焊大口径钢管的缩径制造方法，其特征是：所述步骤9）的静水压试验压力为钢管最小屈服强度的95%～100%。
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