COE新型制管工艺应用研究

陈 昌，裴银柱，黄克坚，张坤鹏，王良塑

（1.番禺珠江钢管有限公司，广州510000；2.番禺珠江钢管（连云港）有限公司，江苏 连云港 222000）

COE新型制管工艺应用研究

陈 昌1，裴银柱2，黄克坚1，张坤鹏2，王良塑1

（1.番禺珠江钢管有限公司，广州510000；2.番禺珠江钢管（连云港）有限公司，江苏 连云港 222000）

为了解决小直径直缝埋弧焊管质量不稳定、效率低等生产技术难题，综合考察了UOE、JCOE、HFW焊管制造工艺。在对钢管成型技术、预焊技术和扩径技术进行分析的基础上，开发出COE直缝埋弧焊管制造工艺。应用实践表明：采用COE制管工艺极大地提高了小直径埋弧焊管的生产效率，降低了生产成本，并且焊管管体成型好，产品质量稳定，在小直径埋弧焊管制造方面具有良好的推广前景。

COE；小直径埋弧焊管；高频预焊；水压扩径

直缝埋弧焊管与其他种类钢管相比，具有产品规格覆盖范围广、制造精度高、焊接性能稳定等优点，主要应用于油气管线工程建设领域。目前，国内外直缝埋弧焊管生产主要工艺是UOE和JCOE。这两种工艺成型过程中，板边预弯都采用了模压成型，不同之处在于管体的成型，一种采用U、O模压成型；另一种采用J、C、O模压成型。UOE和JCOE工艺比较适合生产直径559～1 626mm的钢管，不适合直径406~559mm小直径钢管。由于钢管曲率半径小，特别在壁厚相对较大的情况下，UOE和JCOE制管工艺存在钢板边缘壁厚局部变薄的现象，再加上小直径单根钢管质量比较轻，与大径钢管相比，生产效率低，在市场没有竞争优势。因此，很多企业不愿意采用UOE或JCOE工艺来生产小直径直缝埋弧焊管。考虑到上述因素的存在，小直径管线设计一般选用价格较高的无缝管或安全系数较低的高频焊管。鉴于此，本研究提出了小直径直缝埋弧焊管COE制造工艺。

1 COE工艺的设计思路

直缝埋弧焊管COE制造工艺是以钢卷为原料，利用排辊对钢板进行辊压成型形成管坯，再对管坯进行预焊、埋弧焊。这种钢管制造机组命名依据GB 50468—2008焊管工艺设计规范，其制造工艺流程如图1所示。COE工艺利用排辊对钢板进行弯曲加工，钢板截面外形轮廓依次发生C、O变形，“E”代表COE工艺采用扩径技术（expanding），主要确保钢管的圆度。

图1 COE制管工艺流程图

COE工艺设计的指导思想主要包括两点：

（1）排辊成型具有精度高和效率高的优势，排辊成型分3阶段，分别为空弯成型、侧弯成型和翅片成型，如图2所示。

（2）COE钢管焊缝分别经历了高频预焊、内埋弧焊、外埋弧焊3个工序。焊缝性质属于埋弧焊缝。由于COE工艺有效结合了排辊成型和埋弧焊两种技术的优势，确保了产品焊缝性能稳定、生产效率高，这为小直径直缝埋弧焊管提高市场占有率创造了有利条件。

图2 排辊成型的3阶段

2 COE制造工艺关键技术

2.1 原料采用热轧卷板

COE工艺原材料必须采用热轧卷板，国内很多钢厂通过冶炼、热轧等工序的改进，都已经有能力进行X52~X80热轧卷板的批量生产。特别是近几年，钢厂在卷板生产技术上取得了明显进步，先后进行了X90和X100等高钢级热轧卷板试制，并取得了丰富的经验。

表1是国内一家钢厂X60热轧卷板纵横向性能对比，对比结果表明，钢卷纵向和横向的性能非常接近，可以满足直缝埋弧焊管对母材性能的技术要求。

表1 热轧卷板纵横向性能对比

2.2 采用高频预焊

从开卷上料到定尺下料（如图1所示），COE工艺利用这一工作区间实现整条生产线管坯的快速供应。为确保在线连续生产，在排辊成型结束后，该工作区间要求工件应立即进行预焊合缝。为此开发了高频预焊技术，该技术利用高频电源及感应器，在集肤效应及邻近效应的作用下，焊缝坡口区域的局部金属进入熔融状态，同时通过挤压辊的作用，熔融金属完成锻焊形成预焊缝，有效解决了COE快速成型技术难题。高频预焊及焊缝如图3所示。

图3 高频预焊及焊缝

2.3 组合优化工艺布局

为满足钢管快速生产的要求，COE工艺设计对内、外埋弧焊机组进行如下配置：内焊机组5条，外焊机组4条。应用实践证明，这种组合设计与排辊成型的速度节奏相匹配。其内焊机组如图4所示。

图4 内焊机组

2.4 采用开发水压扩径

在整形工序中，开发了水压扩径机，可一次性完成整条钢管的扩径，其工作与整条生产线高效率保持匹配。水压扩径机组如图5所示。

图5 水压扩径机组

3 应用对比

3.1 外观性能的对比分析

3.1.1 钢管壁厚偏差

钢管壁厚偏差是衡量钢管使用性能的重要参数指标，油气管道输送安全要求钢管壁厚偏差越小越好。表2为UOE、JCOE及COE钢管壁厚偏差对比表。

表2 UOE、JCOE及COE钢管壁厚偏差对比

从表2可以看出，UOE和JCOE钢管壁厚偏差分别为0.15mm和0.16mm，COE钢管壁厚偏差为0.04mm。对比数据表明，COE钢管壁厚较为均匀，这是因为UOE、JCOE工艺分别采用的是模压预弯板边及机械扩径技术，造成钢管局部（焊缝边缘）壁厚较薄，而COE采用的辊压成型技术及水压整管扩径技术，壁厚相对均匀。

COE与HFW钢管壁厚偏差对比见表3。两种工艺都采用空弯边技术以及成型定径，钢管存在局部变厚的趋势。但COE的后续工艺还采用水压扩径，对钢管进行整体控制成型，无局部拉伸因素，水压扩径后，钢管壁厚均匀。

COE与无缝管壁厚偏差对比见表4。无缝钢管采用的管坯为铸造管坯，本身存在较大的壁厚偏差，在后续的加工过程中，由于穿孔模具加工过程存在较大震动，且穿孔杆作为顶杆使用，在加载过程中，存在弹性挠度弯曲的趋势，加工之后钢管壁厚均匀性远远不如COE钢管。

表3 COE与HFW钢管壁厚偏差对比

表4 COE与无缝管壁厚偏差对比

3.1.2 成品钢管直度偏差对比分析

成品钢管（12 m）直度对比分析见表5。从表5可以看出，无缝管和高频焊管的直度较好。在小直径直缝埋弧焊管生产中，UOE和JCOE钢管由于模压成型方式及内外埋弧焊接，存在较大的残余应力，致使钢管弯曲，在精整过程中，采用机械扩径方式消除残余应力，使得直线度有所改善。COE钢管则采用排辊成型，管坯直线度比UOE管和JCOE管更好，尽管也是采用了内外埋弧焊工艺，但在精整过程中采用的是整管水压扩径，外包模固定不变成一直线，与UOE和JCOE钢管相比，变形相对均匀，直线度较好，直线度可达到无缝管、高频焊管水平。

表5 成品钢管直度对比分析

3.1.3 圆弧度

用圆弧长150mm的弧规板测量钢管周向有无直边和噘嘴，钢管圆弧度对比分析见表6。

表6 钢管圆弧度对比分析

从表6中可以看出，高频焊管圆弧度最好，COE次之，UOE和JCOE稍差，这主要与各自工艺制造过程有关。JCOE和UOE由于在预弯和折弯过程中内模都不是理想的圆弧（壁厚不同内圆弧不同），一般几个厚度只有一套内模，因此弧度有偏差。COE钢管在成型过程中，采用辊弯形式对钢板弯曲，变形量逐次分配均匀，特别在管坯成型后续阶段，管坯进行封闭孔型压缩，其模具严格按钢管外圆尺寸设计，因此，管坯圆弧度比较好。在精整阶段，JCOE和UOE一般进行机械扩径，这是一种步进式逐次扩径形式，特别是扩头设计原理是等角度同圆心对钢管定径，各胀块的圆弧曲率只是与钢管曲率在几何上近似，扩径后钢管还要进行弹性恢复，因此，模具的设计非常关键，否则钢管的圆度很难满足要求。而COE钢管在焊后精整阶段采用的是外包式水压扩径，其扩径模具内壁弧度是按钢管外径进行设计，不受壁厚的影响，钢管经过水压扩径后，紧贴包模内壁，所以COE的圆弧度边比较好，更利于在管线施工现场的对接。

3.2 理化性能对比分析

3.2.1 拉伸性能

原料与钢管拉伸性能对比分析见表7。从表7可以看出，制管后COE钢管屈强比指标由0.800下降到0.785，下降幅度较大，与HFW管指标比较接近。

造成这样的原因，主要是COE和HFW的成型方式都是在封闭孔型中对钢管有个压缩的过程，所以屈服强度略有下降。COE制管工艺的这个特点非常有利于满足海洋管道输送工程和抗酸性气体管道工程对屈强比指标的要求，一般这些特殊管线钢管屈强比指标要求低于0.85。

表7 钢管拉伸性能对比分析

3.2.2 焊缝弯曲性能

表8为钢管弯曲性能对比分析表。从表8可以看出，COE与其他成型方法相比，焊缝正、反弯都合格，性能相当。

表8 钢管弯曲性能对比分析

3.2.3 焊缝冲击性能

焊缝冲击性能对比分析见表9。由表9可以看出，在-20℃母材冲击功大体相当的情况下，COE、UOE和JCOE钢管的焊缝冲击试验由于都是采用同样的焊接参数进行内外埋弧焊接，所以数值基本相当，比采用电阻焊HFW钢管的焊缝冲击功要高。

表9 -20℃母材和焊缝冲击性能对比分析

3.2.4 落锤性能

表10是落锤性能对比分析。从表10可以看出，落锤性能基本相当，都合格。因为落锤试验与母材的关联非常大，做成钢管后没有明显变化。

3.3 产品质量稳定性

产品质量稳定性可通过很多方面的指标进行衡量，这里主要通过焊缝无损检测结果进行说明（见表11）。从表11可以看出，在Φ406mm×12.7mm钢管生产中，UT和RT的合格率基本相当；而在Φ406mm×7.1mm钢管生产中，COE钢管的合格率明显要高于UOE、JCOE及HFW钢管。这主要是由于JCOE、UOE及HFW钢管是单根成型，在薄板的预弯及成型中，会产生管体管端的变形量差别，板边会产生曲翘，在预焊时会产生错边、预焊停焊和手工补焊，且单根成型管端预焊通常也要手工补焊，从而影响内外埋弧焊接。特别是薄壁管的内焊为了防止烧穿，电流不能过大，在预焊手工补焊位置容易形成夹渣和气孔。而COE是连续板边预弯、成型及预焊，板边变形一样，预焊完后再锯切，对预焊来说为全长自动预焊接，没有管端和管体的差别，整根钢管预焊质量明显提高，利于内外焊接。所以在生产薄壁直缝埋弧焊管时，COE技术有明显的质量优势。

表11 不同工艺钢管无损检测结果

3.4 经济性

（1）与UOE和JCOE工艺相比，COE采用卷板作为原材料，价格比平板低。尽管UOE和JCOE工艺也可选用卷板为原料，但是由于UOE和JCOE工艺采用单根方式生产，若选用卷板为原料，上料之前需对卷板进行开平，其开平费及倒运费会让钢管成本有所上升。

（2）UOE和JCOE预焊工艺采用气保焊接，需要消耗焊丝及保护性气体等原材料。而COE工艺的预焊采用高频预焊，无需填充焊丝和保护气体等辅助原料。

（3）COE采用的是连续成型、连续预焊工艺，实现了管坯的连续供料，生产效率更高，生产成本也大大降低。UOE和JCOE预焊工艺由于都采用气体保护焊，速度不宜过快，最高速度一般可达3.5 m/s。其生产效率对比结果见表12。

表12 不同工艺钢管生产效率对比

4 结 论

COE技术为直缝埋弧焊钢管提供了一种新型制管工艺，把排辊快速和埋弧焊接两种技术的优势有效地结合起来，解决了小直径直缝埋弧焊管生产效率低的难题。

（1）COE技术实现了以卷板为原料的直缝埋弧焊管生产方式，有效提高了制管效率，降低了生产成本以及改善了部分钢管的性能，在小直径埋弧焊管制造方面具有良好的推广前景。

（2）高频预焊技术的开发解决了COE直缝埋弧焊管的预焊技术难题，把排辊快速成型和内外埋弧焊接工艺有机结合起来。

（3）水压扩径技术应用于钢管整形，在满足COE新型制管效率的同时，还能确保钢管的制造精度。

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Application Research of New Type COE Pipe Manufacturing Technology

CHEN Chang1，PEI Yinzhu2，HUANG Kejian1，ZHANG Kunpeng2，WANG Liangsu1
（1.Panyu ChuKong Steel Pipe Co.,Ltd.,Guangzhou 510000，China；2.Panyu ChuKong Steel Pipe（Lianyungang）Co.,Ltd.,Lianyungang 222000，Jiangsu，China）

In order to solve the technical difficulties of small diameter submerged arc welded pipe，such as unstable quality，low efficiency etc.，the manufacturing process of UOE，JCOE and HFW welded pipe were investigated comprehensively.A new kind of COE longitudinal submerged arc welded pipe manufacturing technology was developed on the basis of analyzing the steel pipe forming technology,prewelding technology and expanding technology.Actual application showed that COE technology greatly enhanced the production efficiency of small diameter submerged arc welded pipe，reduced production cost，and steel pipe forming was good，the product quality was stable，it was with good promotion prospect in the small diameter of submerged arc welding pipe manufacture.

COE； small diameter submerged arc welded pipe；high frequency prewelding；hydraulic expanding

TE973 文献标志码：B DOI:10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.05.007

陈 昌（1946—），男，广东番禺人，高级经济师，中国钢结构协会钢管分会副理事长，长期从事钢管生产经营和管理工作。

2016-03-01

李红丽

《高频直缝焊管理论与实践》正式出版

由曹国富先生等编著，冶金工业出版社出版的《高频直缝焊管理论与实践》一书已于2016年5月正式出版发行。

曹国富先生具有较为丰富的高频直缝焊管的理论研究和实践经验，在高频直缝焊管行业具有多年的从业经历。本书以高频直缝焊管生产工艺流程为主线，集作者30多年焊管理论研究成果和实践经验，聚五百余幅图表和详实的第一手数据为素材,对高频直缝焊管的近现代生产理论进行了较为完整的论述，并针对焊管生产工艺中的关键技术、存在的技术问题，提出了相应的解决方案。

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联系人：曹国富

联系电话：13052987096

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