北钢管业JCOE 生产线装备及工艺技术

2015-04-17李钢

钢管 2015年5期

李钢

（北钢管业（营口）有限公司，辽宁营口 115007）

随着全球各国经济和油气输送管道建设的空前发展，大直径直缝埋弧焊管生产线得到了大力发展。据统计，1990 年以来世界已建及在建的油气输送用大直径直缝埋弧焊管机组已达50 套，主要分布在亚洲地区（共36 套，其中中国13 套、俄罗斯4 套、韩国8 套、印度8 套、伊朗3 套），其次为欧洲（7 套）、美洲（4 套）。我国的天然气引进工程和西气东输工程的输气主干道、复线及支线直缝焊管用量很大，过去一直是进口，现在已实现国产化，为提高管道输送压力，降低在复杂地区管道损坏的可能性，采用高钢级钢管是油气输送主干管的发展方向［1-5］。

北钢管业（营口）有限公司（简称北钢管业）JCOE直缝埋弧焊管生产线2014 年开始设计、招标采购、施工安装，年产能为25 万t，计划2016 年初建成投产，现对该机组情况进行介绍。

1 产品规格及原料保证

1.1 产品规格

北钢管业JCOE 生产线设计年生产直缝埋弧焊管25 万t，产品极限规格、最大壁厚与钢级对应关系见表1，按品种分类的产品方案见表2。

1.2 原料保证

随着国内输气管道的延长和压力要求的提高，X70、X80 将成为主流管线管钢级。鞍山钢铁集团公司的宽厚板轧机轧出的钢板，产品钢级为X52～X100，预留了以后生产Xl20 钢级的发展余地。

表1 产品极限规格、最大壁厚与钢级对照

北钢管业JCOE 生产线采用的原料为定尺单张钢板，厚度6～65 mm，宽度5 200～12 000 mm，长度9 000～18 400 mm；最大质量46 t，同板厚度差≤1.0 mm，不方度≤1%，同张钢板的屈服强度极限值差≤40 MPa；钢板年需要量26 万t。

2 工艺流程

北钢管业JCOE 生产线工艺流程如图1 所示。全线采用自动化物流跟踪系统，单机及辅联设备均可实现自动控制，钢板及钢管的直线运输采用变频电机，钢管横移采用横移车及编码器控制，可以精确定位，实现自动化控制。

表2 按品种分类的产品方案

图1 JCOE 直缝埋弧焊管生产线工艺流程

3 主要工艺装备与工艺技术

3.1 钢板超声波探伤

管线管生产对原料钢板除化学成分、机械性能、板型及尺寸有明确要求外，一些管线标准和技术规范（如西气东输和陕京二线技术规范）还要求对钢板进行超声波探伤［14］。北钢管业JCOE 生产线配备了全板宽的超声波探伤检测设备，对板材进行超声波100%扫描检测，满足板材检测工艺要求，探头采用进口技术，探伤工艺及标准完全满足壳牌等标准要求。

3.2 铣边机

铣边机引进国外公司最新设计产品，采用2 套旋转铣刀头装置，使用成型铣刀可以一次加工出所需形状。在铣刀头圆周上设数十个铣刀块，刀块分多层布置，将钢板铣削成为要求的宽度，并加工出要求的坡口形状。由于刀具数量较多，每个刀具的切削量少，铁屑细小，刀具寿命较高，从而使设备停机减少，作业率提高。为了减少不同铣刀盘的总投入而采用了三明治式铣刀盘形式。另外，铣刀盘为随动式设计，具有仿形功能，可跟踪钢板的浪形得到要求的坡口尺寸及形状。

铣边机设备的主要技术参数：

含引弧板的管长 9 000～18 900 mm

板宽 1 200～5 200 mm

长度 9.0～18.4 m

板厚 6.4～65.0 mm

单边最大铣削量 20 mm

钢级 API Spec 5L：A、B；

X42~X120

最大屈服强度 1 050 MPa

铣边功率 2×75 kW

刀盘直径 600 mm

铣边速度 380 m/min

进给交流伺服电机功率 41 kW

进给速度 1 500～6 000 mm/min

最大快速进退速度 60 000 mm/min

液压站油箱 160 L

泵电机功率 18.5 kW

最大工作压力 16.5 MPa

3.3 预弯边机

预弯边机适用的产品范围更宽，特别是对于可成型高钢级、大壁厚钢管。北钢管业预弯机为引进德国技术，国内制造。主要有以下优点：

（1）预弯机机架由两个C 型机架组合而成，每个C 型机架由上段、中段、下段组成，通过4根主拉力柱及4 根副拉力柱联结为一体。机架均为焊接结构件，保证足够的强度及刚性。通过对拉力柱施加一定的预紧力，将机架连接为刚性体［15］。机器工作时的压力完全由拉力柱承受，机架始终承受的是压应力。由于中间机架为焊接件结构，其受压后机架的变形很小，此时上机架与中间机架之间的接触面间无位移发生，机架受力后变形量非常微小。

（2）根据钢管产品规格，采用渐开线曲面模具，只要几套模具即可覆盖全部规格，大大降低了设备成本及使用成本。

（3）进出口输送辊道配备随动托料装置［16］，避免钢板在压制过程中由于自重引起挠度变形使得预弯后的钢板变形。

（4）主液压站与充液液压站共用一个液压站，液压系统采用了组合油缸电液比例同步液压控制技术［17］，液压系统压力采用比例溢流阀控制，液压系统方向控制采用三位四通高频响阀先导带电气限位控制和集成电控装置（OBE）的比例方向阀。

（5）电气系统采用两套专用的数控系统分别控制左、右两边的油缸，位置检测元件光栅尺直接安装在下模两侧，借由光栅尺的位置反馈完成数控系统对下模位置的闭环控制［18］，同时根据光栅尺的位置变化配合数控系统对比例方向阀的流量进行控制，完成下模两油缸的速度同步控制。重复定位精度±0.01 mm，定位精度±0.03 mm。

3.4 成型机

成型机采用18 m、1 万t 成型机的第二代新技术。成型机主要技术参数：

成型机长度 21 000 mm

成型机宽度 15 000 mm

成型机高度（总） 10 500 mm

成型机高度（地面以上） 7 800 mm

设备质量 1 600 t

成型梁的压力 100 MN

单位压力 5.2 MN/m

成型梁总行程 360 mm

有效弯曲长度 19 100 mm

成型梁前进速度（快速） 50 mm/s压力100 MN 时速度 20 mm/s返回速度 50 mm/s负载时同步精度 ±0.25 mm

3.4.1 成型模具

成型机的上模具有两种结构形式，分别对应不同规格产品生产时使用。

（1）折弯压板。成型工具是一个坚固的带有固定成型曲率的压板，通过螺栓固定在上梁，不能安装模具。压板沿高度方向有恒定的宽度，约为100 mm。折弯压板可以适应全规格产品的生产，在生产高钢级、大壁厚、小直径钢管时优势明显，但生产大规格钢管时效率会降低。

（2）成型压板与模具。成型压板通过螺栓固定在上梁，配有一个可以推入工具的夹持器。单独的成型模具在轴向上夹紧，防止任何纵向移动。压板每侧有磨损保护板。理论上讲，每个规格的成型钢管都需要配备不同的模具，才能达到最佳成型效果与成型效率。但从生产成本考虑，对模具进行优化组合，保证在一定规格范围内的模具可以通用，既能适当降低备件储备，也能保证成型的效果与生产效率。

3.4.2 框架式主机结构描述

（1）成型机框架包括9 个相互连接的单独封闭框架。每个框架通过一个上焊接钢结构和下焊接钢结构组成［19］。上下框架通过两个侧面零件连接。

（2）上梁的导向位于上部。在整个成型过程中允许上梁偏移而不损坏导向。下梁的导向固定在下部，用于保证下梁在横向的位置并且防止在成型过程中的扭转。在轴向上，下梁固定在控制台一侧。

（3）下梁用来固定成型模具，放置在支撑楔块和两个固定支撑上。在成型过程中，下梁的偏移通过长度基准棒测量，通过使用支撑楔块调整来做出相应的补偿控制，使开口管满足成型的技术要求。

（4）成型机上梁连接主液压缸［20］，执行上梁的成型行程和返回动作。上梁包含导向元件，其确保了成型时导向的安全。每次变形时，上梁的变形通过纵向参考棒进行测量，通过主液压缸进行控制；使开口管满足变形的技术要求。

（5）纵向参考棒分别装在基础上的一个桥架上，消除了成型机框架弹性变形产生的任何影响。

（6）支撑结构位于设备的两侧，在每一个成型步骤之后钢板的下落过程中，该机构可以防止横移台架的损坏。

3.4.3 成型机的主功能使用VSP 液压系统

将“变速泵”液压系统（VSP）用于主液压缸组，进行压机的主要动作。通过伺服电机连接到泵，根据油的流量和压力进行单独设定，VSP 液压系统不需要通过比例阀操作。伺服电机通过变频器进行控制［21］，形成一个闭环。PLC 仅设定主要参数。变频器通过总线系统在主、副配置中进行相互的通信。VSP 系统不仅大大提高系统工作效率，也降低电耗达25%左右，液压系统设备的结构也非常简单。

3.4.4 Shape 自动化系统

Shape 自动化系统包括3 个模块：“共享成型专家”软件包（Shape），Shape view 管型测量硬件；Shape control 管型控制自动化模块。

（1）共享成型专家。Shape 软件用于JCO 成型过程的计算和控制。Shape 软件对工艺进行计算，提供合适的设备参数。操作者只需要将用于计算基础设定的主要参数值（如钢管直径、壁厚、钢级）输入到系统即可；共享成型专家系统将自动优选成型策略，将上模具曲率、垫片组厚度作为计算结果输出，并对成型步骤数量及每步的理论回缩深度作出建议，回缩深度根据工艺控制是可以调整的。

对于JCO 过程控制，Shape 程序与测量系统和设备的PLC 进行通讯。在成型过程中，测量系统对完整的钢管内部形状进行连续的监测。在每个成型步骤之后，Shape 对名义管型和实际管型进行对比并分析出偏差。基于工艺模型，Shape 软件计算出针对下一个成型步骤的回缩深度的必要修正值。当前的回缩深度传送到设备的PLC。通过这种方式，实现了回缩深度的连续优化。

（2）形状测量与管型控制。一个紧凑式的传感器测量头，包括6 个激光断面传感器，固定在成型压板的中间，对成型区和相邻区域进行无接触式的测量。管型测量通过“压板位置”和“成型压力”信号激活。在每个成型步骤之后的单个测量形状相互叠加，最终形成开口管的整个内部形状。部分或整个管型在管型测量系统的HMI 人机界面上进行监测。每次成型后测量的数据通过以太网（TCP/IP）发送到Shape 计算机。实际形状与名义形状进行对比，重新计算实际成型参数并发往成型机的PLC，即成型过程与实际成型状态进行匹配［22］。

3.5 预焊机

预焊机用于使成型后的管筒合缝并采用气体保护焊进行连续焊接，具有自动送料、合缝预焊和自动出料等多种功能，能连续、高效、优质、低耗地完成大直缝埋弧焊管的合缝预焊。

预焊机采用框架辊笼式合缝结构，最大牵引力300 kN，采用数控系统控制，电液伺服驱动13 个液压合拢辊，将JCO 成形的开口管筒主动连续合缝和预焊。在合缝过程中，根据激光跟踪系统显示的误差，实时调整和纠正错边量与合缝间隙，实现自动送料、连续焊接、优质高效。

预焊机主要技术参数：

含引弧板的最大管长 19 100 mm（两头管端部的引弧板长度分别为300，400 mm，管长

18 400 mm）

最大管质量 46 000 kg

最大牵引力 300 kN

满载牵引速度 1～10 m/min，变频调速

空载牵引速度 1～20 m/min，变频调速

输送辊道最大速度 30 m/min，变频调速

合拢辊数量 9 组

电液伺服合缝辊 6 组（1~3 与6~8 号辊）

电液伺服控制辊 1 组（9 号辊）

机械预选合缝辊 2 组（4~5 号辊）

电液合缝辊单缸输出力 1 000 kN（1~3 与6~8 号辊）

电液控制辊单缸输出力 1 000 kN（9 号辊）

合缝辊伸出行程 725 mm

环形架升降行程 750 mm

（1）采用数控系统和电液伺服系统，根据激光跟踪系统显示的误差，全数字实时调整和纠错边量与合缝间隙。

（2）电液合缝辊由前后两个液压缸驱动，编码器检测，在数控系统和电液伺服系统控制下同步运行和精确定位，定位精度0.2 mm，重复精度0.1 mm。在负载条件下实时调整电液合缝辊。电液合缝辊可调整为全开或半开状态，也可调整为锥形，方便管筒推入，安全可靠。

（3）根据管筒合缝时的锥形曲面，合缝辊入口处的前3 个辊轮按不同的导入曲线分布，有效降低前3 个辊轮的负载。合缝辊轮采用一体化厚壁外圈专用轴承辊，承载力大，抗冲击能力强，经久耐用。

（4）采用进口大功率变频电机与行星减速机组合单元传动，两个推料挡块循环推料，无需空程返回。

（5）数控系统采用工业嵌入式计算机作为硬件平台、自主开发16 轴实时同步控制算法为核心的开放式软件构架，全数字实时控制整合合缝预焊工艺过程，除管筒开口对中和焊接系统要求暂停外，其他工作过程均可自动完成。

3.6 内外埋弧焊机

北钢管业JCOE 生产线的焊接设备包括3 套四丝内缝自动焊机和3 套五丝外缝自动焊机。整套设备采用当前成熟可靠的先进工艺和技术，产品实物质量、生产成本、各项消耗指标和劳动生产率等达到国际先进水平。内外埋弧焊机主要采用了以下技术及设置：

（1）多丝焊接技术。目前世界上普遍采用四丝及五丝焊接技术以替代过去的双丝或三丝焊接。多丝焊接具有可焊厚度和焊接速度增加、有利于改善焊接热影响区晶粒长大、线能量小、效率高、热影响区窄等优点。

（2）数字控制技术。数字化焊接电源［23］具有焊接参数提前预置、焊接电流及电压波动小、焊缝质量稳定、焊缝成型美观、操作方便、低耗节能等一系列优点，代表焊接电源的发展趋势。同时采用激光跟踪和焊接参数自动控制技术，通过多丝参数的控制，能够满足大壁厚、高韧性钢管的焊接要求。

（3）焊接系统的优化设计，提高小直径钢管合格率。小直径钢管焊接过程中，电弧容易受到电磁场的干扰，导致焊接过程不稳定，焊缝缺陷率较高，特别是管头和管尾更加严重，影响钢管的一次合格率。有的工厂甚至不得不采用切管头的方式来生产，生产效率低下，成材率较低，生产成本高。北钢管业对焊接系统回路［24］进行设计优化，改进导电机构，成功地解决了小直径钢管焊接时焊接过程不稳定的问题，使焊管合格率得到很大提高。直缝埋弧焊管内外焊设备主要技术参数：

焊头数 4 丝

焊接速度 0.5～3.0 m/min焊丝直径 3.2～4.0 mm

焊丝干伸长变化范围 ±1 mm

内焊跟踪滑板行程随动、电动水平方向各±20 mm，垂直方向

±10 mm

跟踪精度水平方向≤±0.5 mm，

垂直方向≤±0.5 mm

悬臂升降高度≥200 mm

接地装置升降高度≥1 500 mm外焊

自动跟踪精度水平方向≤±0.2 mm，

垂直方向≤±0.2 mm

跟踪滑板行程水平方向±100 mm，垂直方向±100 mm

机头及接地装置升降高度1 500 mm跟踪轮结构方式机械跟踪轮与焊枪采用分体结构，焊接过程中焊枪可横向调节

焊剂

输送距离 ≥22 m

回收距离 ≥26 m

回收高度 ≥6 m

暂载率 100%

焊接小车驱动方式齿轮齿条驱动

焊接小车行走速度 0.1～18.0 m/min（预留焊

接冶金复合管的能力）

3.7 扩径机

JCOE 生产线设计了一台公称拉力为1 500 t 的扩径机，9.0～12.5 m 钢管一次全长扩径；12.5～18.0 m 钢管采用两端扩径工艺，由旋转车将一端扩径后的钢管旋转，完成另一端的扩径。

（1）采用钢管在线校直装置。北钢管业JCOE生产线的扩径机采用了钢管在线校直装置，可以在扩径过程对钢管在水平及垂直方向的位置变化进行控制，使之达到理想的直线度。扩径机的钢管夹持系统在送进钢管的同时，改变夹钳高度，使钢管受弯，可以起到较好校直作用。该钢管在线校直装置与钢管夹持系统的校直功能综合使用，不仅能使钢管沿焊缝方向的大刀弯得到校直，还能有效改善钢管的侧弯曲量。

（2）采用国产扩径工具。北钢管业JCOE 生产线采用国产扩径头。扩径头扩径直缝埋弧焊管的钢级、壁厚可达：X70 钢级的壁厚≤45 mm，X80 钢级的壁厚≤40 mm，X100 钢级的壁厚≤36 mm。

（3）扩径拉杆采用高等级的核电转子钢作为制作拉杆的材料，并采用二次熔炼的电渣锭作为锻件坯料，经精锻机进行快速锻造后成型，再经过调质、定型、精加工、珩磨等11 道工序后制作出成品，并且严格进行材料理化分析、金相组织分析、无损探伤检测、机械性能检测。拉杆经热处理后，硬度在350～380 HB 时，其屈服强度≥1 120 MPa、抗拉强度≥1 250 MPa、伸长率≥13%。

（4）电气控制系统有技术优势。主要有整体的S120 驱动器配置设计方案，有源整流回馈单元+逆变单元使传动设备有效节能；软启动器减轻电网压力和机械冲击，且具有自保护功能和过载保护功能；带有DP 通信的绝对值编码器可以实现设备位置的自动寻参。

3.8 钢管探伤

S7-414 3PN/DP PLC 带有2 个以太网口，可以用于上位机控制和ERP 管理系统，供方在监控工控机里做了数据备份程序，可以自动保存扩径机的运行数据，以便于需方和供方交流、分析设备运行情况，诊断、处理设备故障。

（5）液压系统压力可根据不同负载进行切换。主动力源压力采用比例调节，即主液压系统压力可以根据扩径不同规格、壁厚、钢级的直缝埋弧焊管所形成的不同扩径负载作系统压力的切换，通过操作屏设定相应的压力值，由比例压力阀调整主液压系统［25］获得合理的压力。此项改进能平稳切换不同压力，较好地消除系统压力冲击，减少因压力调整不合理而在节流元件上损失的过多能耗。

北钢管业JCOE 生产线终检超声波检验系统由检测机械（探头架、探头架驱动设备等）、检测电子（超声波探伤主机、超声波检测结果的处理系统）、检测电气（电气控制系统）及耦合水处理系统等4 部分组成。

（1）采用了最先进的射流式耦合，其优点在于：超声波探头的入射角0°~90°连续可调，从而对任何直径、任何壁厚的钢管均可将设备调整到最理想的探伤角度，在弧面状态下可真正意义上满足壳牌标准中对入射角的要求；探伤机械与钢管表面的接触由滑动摩擦变为滚动摩擦，大大提高了机械设备运行的可靠性与连续性，避免了钢管表面焊接飞溅及钢管椭圆度、不直度对探伤结果的不利影响，从而提高了探伤结果的可靠性；更换钢管规格时不需更换探头楔及其他任何机械附件，不需针对不同钢管配备不同的附件，即减少了以后的运营费用，又大大缩短了更换钢管规格时的设备调整时间；探头可以骑在焊缝上直接检测横向缺陷。

（2）采用了前置放大器、统计降噪、隔离电源等多项抗干扰措施，从而保证了系统在工厂环境中的可靠运行。

（3）采用射界面波跟踪和浮动闸门技术，从而极大地降低了漏报、误报率，提高了检测的可靠性。

（4）采用一组探头—多项功能技术，即同一组探头即可以采用自发、自收检测焊缝中的缺陷，又可以采用一发、一收随时监测设备的调整及耦合状态。这种设备的自我监测功能很好地保证了设备的可靠性。