研究(jiu)的(de)背景与问题

  海(hai)上油(you)气(qi)进口(kou)和海(hai)洋(yang)油(you)气(qi)产业(ye)作(zuo)为我(wo)国海(hai)工(gong)装(zhuang)备(bei)制造业的(de)重(zhong)要(yao)组成(cheng)部(bu)分，在双碳目标和(he)国(guo)内(nei)油(you)气(qi)消(xiao)费(fei)增长(zhang)的背景下(xia)得到快(kuai)速(su)发(fa)展，其生(sheng)产(chan)、输(shu)送(song)环(huan)境(jing)恶劣，在(zai)耐(nai)高压(ya)、-162℃超(chao)低温、耐(nai)腐蚀(shi)及耐(nai)候性等(deng)方(fang)面(mian)要求(qiu)更(geng)高(gao)。而(er)大口径厚壁不锈钢焊管(guan)因(yin)其(qi)具有(you)高(gao)强(qiang)度、高(gao)耐腐(fu)蚀性(xing)及良好(hao)的低(di)温塑性，能(neng)克(ke)服极端(duan)温度、高压、腐蚀极(ji)端环(huan)境(jing)，是(shi)我国海上油(you)气(qi)进口(kou)和(he)开(kai)发(fa)不可或(huo)缺的(de)基础(chu)管(guan)材。因此(ci)，市场对大口(kou)径(jing)不锈钢(gang)焊管需(xu)求急剧增加(jia)，且(qie)管(guan)材(cai)大量依(yi)靠进口，在(zai)交货期、技术性能(neng)、技(ji)术(shu)标(biao)准(zhun)上(shang)均设置(zhi)门(men)槛(kan)，对(dui)我(wo)国(guo)相关(guan)行业形成(cheng)壁(bi)垒(lei)。造(zao)成这(zhe)种(zhong)局(ju)面的(de)原(yuan)因(yin)有(you)以(yi)下三个方(fang)面(mian)：

  1、传统JCOE制备(bei)方式(shi)均应(ying)用于生(sheng)产“黑材(cai)”，容易出现(xian)壁(bi)厚(hou)不均(jun)匀(yun)、开口(kou)度(du)不(bu)一致(zhi)、圆度不足(zu)等(deng)缺陷(xian)，严重(zhong)的将出(chu)现不能修(xiu)复(fu)而(er)报(bao)废，目(mu)前大口径(jing)厚壁不锈钢(gang)焊(han)管生(sheng)产(chan)中间环节(jie)繁冗，良品(pin)率低，满(man)足(zu)不(bu)了多(duo)品(pin)种、多(duo)规格产(chan)品(pin)连(lian)续化生(sheng)产(chan)需(xu)求(qiu)。

  2、大口径厚壁(bi)不锈(xiu)钢焊(han)管因(yin)生产(chan)技术(shu)不(bu)成(cheng)熟，导(dao)致在服役(yi)过(guo)程中(zhong)极易出(chu)现(xian)“跑(pao)”、“冒”、“滴”、“漏”等(deng)现(xian)象，产(chan)品(pin)性能(neng)难以(yi)满(man)足(zu)极端环境(jing)需求，而油(you)气输送管路(lu)对(dui)尺(chi)寸(cun)与低温韧(ren)性要求(qiu)更加(jia)严格(ge)，因(yin)此重(zhong)点开展(zhan)关键技术(shu)研(yan)究(jiu)是(shi)提(ti)升(sheng)管材(cai)服(fu)役行(xing)为(wei)的重要(yao)手(shou)段(duan)。

  3、目(mu)前(qian)国内拥(yong)有的设(she)备(bei)均(jun)是从(cong)国(guo)外(wai)进(jin)口或者(zhe)国(guo)内单(dan)台(tai)设(she)备按(an)工序(xu)组成离散(san)型(xing)产(chan)线(xian)，设(she)备(bei)价格昂贵，缺少自(zi)主(zhu)研(yan)发(fa)的(de)经验与(yu)能(neng)力。因(yin)此(ci)需要(yao)结合大口径(jing)厚(hou)壁(bi)不锈钢焊(han)管(guan)成(cheng)形理(li)论、工(gong)艺(yi)的研究(jiu)，提出与产线需(xu)求(qiu)一致的装(zhuang)备(bei)结(jie)构(gou)形(xing)式(shi)与(yu)生产(chan)能(neng)力(li)，打破大口径(jing)厚壁(bi)不(bu)锈钢(gang)焊(han)管(guan)装(zhuang)备依赖(lai)进(jin)口的(de)现状。

  主要创新内(nei)容

  项目团队经(jing)过(guo)十(shi)多(duo)年(nian)的联(lian)合(he)攻(gong)关(guan)，解(jie)决了(le)成(cheng)形与焊接(jie)的(de)问题(ti)，在(zai)此(ci)基础上辅助(zhu)制备工(gong)艺(yi)、热(re)处(chu)理(li)技术(shu)以(yi)及与(yu)之(zhi)匹配的装(zhuang)备(bei)。构建弯曲成形、连续(xu)焊(han)接(jie)协同(tong)加(jia)工体(ti)系，解决(jue)管(guan)体(ti)成(cheng)形与焊接(jie)性能一致性(xing)的问(wen)题(ti)，融合(he)合(he)理(li)的(de)工(gong)艺制(zhi)度(du)、热处(chu)理(li)技(ji)术(shu)以(yi)及与(yu)之(zhi)匹(pi)配的(de)装(zhuang)备，制(zhi)备(bei)出满足市场(chang)需(xu)求(qiu)的大口(kou)径(jing)厚壁不锈钢(gang)直缝(feng)焊(han)管。其总体(ti)思(si)路(lu)如(ru)图1所示。

图1 大(da)口(kou)径(jing)厚(hou)壁(bi)不(bu)锈钢焊管总体思路(lu)

  创(chuang)新(xin)点一、基于(yu)厚(hou)壁板(ban)材(cai)中(zhong)性(xing)层偏移、弯曲(qu)回弹(dan)、包(bao)辛格(ge)效(xiao)应理(li)论，构建了获得板(ban)边(bian)预(yu)弯、管(guan)体(ti)连(lian)续折弯(wan)与(yu)精整(zheng)成(cheng)形(xing)方(fang)法，为(wei)工艺制定(ding)和(he)装(zhuang)备研(yan)发提供了理(li)论依据(ju)，形(xing)成(cheng)不同规格产品(pin)单(dan)道次折(zhe)弯过程中性层偏(pian)移量（板厚(hou)6%-18%）、回(hui)弹（板厚(hou)0.8%）等精(jing)准(zhun)控制，解决了管(guan)体(ti)折(zhe)弯(wan)成形(xing)过程(cheng)尺寸(cun)偏差与(yu)缺(que)陷(xian)难题。

  开(kai)展(zhan)应力(li)中性层与几何(he)中心层(ceng)偏移(yi)规(gui)律(lv)研(yan)究(jiu)，构建(jian)基(ji)于厚度(du)强(qiang)化(hua)模型(xing)的中(zhong)性(xing)层(ceng)偏(pian)移方(fang)法(fa)，可辅助预(yu)测(ce)管体折弯(wan)过(guo)程每道(dao)次(ci)管(guan)壁减薄量(liang)以(yi)及(ji)管径(jing)延伸(shen)量(liang)，实现(xian)原(yuan)始坯(pi)料精(jing)确(que)定宽(kuan)；开展板(ban)材(cai)弯(wan)曲成(cheng)形过(guo)程(cheng)回弹机制研究(jiu)，构建可(ke)有(you)效控制折弯角(jiao)度的方法，回弹量平(ping)均(jun)值约为板厚(hou)的0.8%左(zuo)右(you)，实(shi)现了板坯(pi)折(zhe)弯卸载后(hou)回弹(dan)量的精确(que)预(yu)测(ce)，有(you)效(xiao)避(bi)免管体成(cheng)形(xing)出(chu)现(xian)焊(han)缝开(kai)口(kou)较大、周向(xiang)圆(yuan)度不良缺(que)陷；开展(zhan)板材弯(wan)曲(qu)过程加/卸(xie)载过程(cheng)中包辛(xin)格效(xiao)应(ying)研究，构建厚板(ban)弯曲(qu)包辛(xin)格(ge)效(xiao)应方(fang)法(fa)，与实际测量(liang)误(wu)差小于10%，为(wei)厚壁不(bu)锈(xiu)钢焊管JCOE成(cheng)形工序中管体(ti)预弯(wan)、连(lian)续折(zhe)弯(wan)成形(xing)工艺制定提(ti)供技(ji)术依(yi)据(ju)。 

图(tu)2 厚壁板(ban)材(cai)中(zhong)性层(ceng)偏(pian)移、弯曲回弹(dan)、包辛(xin)格效应等(deng)方(fang)法

  创(chuang)新(xin)点二(er)、研究(jiu)了管(guan)体成(cheng)形过程(cheng)关(guan)键(jian)工序(xu)模(mo)具构(gou)型(xing)，揭(jie)示了不同(tong)材(cai)质、规格(ge)产品(pin)成(cheng)形过程(cheng)的(de)变(bian)形(xing)规律，获(huo)得(de)满(man)足生(sheng)产(chan)需求的(de)成(cheng)形(xing)工(gong)艺(yi)技术(shu)体系(xi)，解决了成(cheng)形过(guo)程中产(chan)生缺(que)陷等(deng)技(ji)术难(nan)题(ti)。

开展预弯模具(ju)对大口径厚(hou)壁焊(han)管(guan)在预弯(wan)阶段(duan)的影(ying)响规律研(yan)究(jiu)，制定(ding)出(chu)满足(zu)大口径(jing)不锈(xiu)钢(gang)直缝(feng)焊管预弯阶段的成形(xing)工艺。构建可满足(zu)不同(tong)直(zhi)径(jing)、壁厚(hou)管(guan)材(cai)的(de)板(ban)坯(pi)预弯(wan)成形(xing)凹(ao)凸模(mo)具(ju)，基于(yu)管坯直(zhi)边弧边转变(bian)区域的(de)预(yu)弯模(mo)具过(guo)渡(du)段(duan)、上下(xia)模(mo)具相(xiang)位(wei)差(cha)优(you)化(hua)设计方法(fa)，板材(cai)厚(hou)度每(mei)增(zeng)加10mm，过(guo)渡段(duan)角(jiao)度(du)增(zeng)加1°，过渡段弯曲量(liang)增加(jia)9mm左(zuo)右(you)，有(you)效(xiao)实现下(xia)模行(xing)走行程(cheng)与(yu)加(jia)载方式(shi)精准控(kong)制(zhi)，实(shi)现(xian)了(le)不(bu)同直径(jing)管体成形(xing)一(yi)模(mo)多用的效果(guo)；开(kai)展(zhan)板(ban)材(cai)折(zhe)弯成形(xing)过(guo)程(cheng)步(bu)进(jin)式连(lian)续弯曲(qu)成(cheng)形(xing)研究，优(you)化了(le)上(shang)模(mo)具压(ya)下量、下(xia)模(mo)具开(kai)口度(du)及(ji)下压(ya)道次等(deng)工(gong)艺(yi)参(can)数，折弯成形上模具(ju)压(ya)下量(liang)和(he)下(xia)模(mo)开口(kou)度、折弯(wan)道(dao)次优(you)化(hua)设(she)计方法(fa)，提(ti)高了管(guan)体尺(chi)寸(cun)精度，满(man)足不(bu)同(tong)规格管体生产(chan)的(de)最优(you)折弯成形工(gong)艺要(yao)求，实现(xian)了(le)管体制(zhi)备阶(jie)段高(gao)效(xiao)化(hua)、精确(que)化(hua)；开展预(yu)整形(xing)机(ji)多(duo)自由(you)度(du)合(he)缝(feng)研究，优(you)化了(le)合(he)缝辊(gun)位置、轴(zhou)向压下(xia)角(jiao)度的调节工(gong)艺(yi)，构(gou)建(jian)基(ji)于(yu)不(bu)同(tong)开(kai)口度(du)预整形(xing)调(diao)整(zheng)方法(fa)与关键(jian)技(ji)术(shu)、“桃(tao)形(xing)”“梨(li)形(xing)”“错(cuo)边(bian)”等(deng)特(te)殊(shu)缺陷(xian)优(you)化机理(li)，实现(xian)了管(guan)体焊(han)缝精准(zhun)对(dui)接，提高(gao)管体(ti)成(cheng)形(xing)质量(liang)。 

图3 管体成(cheng)形(xing)过(guo)程关键(jian)工序模具构形(xing)设计(ji)方(fang)法与(yu)工(gong)艺(yi)调(diao)控(kong)技术

  创(chuang)新(xin)点三、开发了(le)焊(han)接熔池与焊缝(feng)图像(xiang)智能(neng)识别(bie)跟踪、焊缝成(cheng)形智(zhi)能(neng)工艺控(kong)制技(ji)术(shu)、焊(han)缝(feng)质(zhi)量的全流程监控(kong)与动态优化技术(shu)，熔(rong)池形态识别(bie)正确(que)率(lv)达96.34%，焊缝(feng)缺陷(xian)识别和检(jian)测(ce)准(zhun)确率(lv)达95%以(yi)上(shang)，焊接成本降(jiang)低(di)30%以上(shang)，效(xiao)率提高(gao)10倍。

  开发出满足(zu)大直径厚壁(bi)焊管(guan)焊接(jie)需求的(de)高效(xiao)低(di)成(cheng)本(ben)深熔焊接方(fang)法及(ji)工(gong)艺技术(shu)，开(kai)展深(shen)熔TIG焊(han)接成(cheng)形过程(cheng)力(li)学分析(xi)，利(li)用(yong)热流固耦(ou)合进行(xing)深熔(rong)TIG焊接(jie)数值(zhi)模拟(ni)，获(huo)得(de)了(le)深熔(rong)TIG焊接成形过(guo)程工(gong)艺(yi)；构建(jian)基(ji)于焊(han)缝(feng)熔池及凝(ning)固(gu)成(cheng)形(xing)后(hou)焊(han)缝(feng)形状的捕捉(zhuo)系统(tong)，获(huo)得(de)了焊(han)接熔(rong)池与焊(han)缝(feng)图(tu)像智能(neng)识(shi)别(bie)技(ji)术；开(kai)展(zhan)基于(yu)视(shi)觉(jue)传(chuan)感、电压电(dian)流多信(xin)息融(rong)合的熔(rong)池特征数(shu)据(ju)采集(ji)系统研(yan)究(jiu)，掌(zhang)握焊(han)缝(feng)跟(gen)踪(zong)、焊缝成形控(kong)制(zhi)与焊(han)接(jie)过(guo)程补(bu)偿(chang)技(ji)术，熔池形态识(shi)别方(fang)面(mian)正(zheng)确(que)率达(da)96.34%，准确(que)率和(he)检测效率(lv)达(da)95%以上(shang)，获得焊(han)接(jie)过程(cheng)焊(han)缝(feng)成(cheng)形质量(liang)智能控制(zhi)，准确的预(yu)测(ce)熔池力(li)学行为及(ji)熔宽形(xing)貌(mao)，确保(bao)了厚(hou)壁焊(han)管(guan)焊(han)缝(feng)质(zhi)量(liang)与(yu)基体(ti)不锈(xiu)钢(gang)材(cai)料(liao)的性能(neng)一(yi)致(zhi)性(xing)，提(ti)高(gao)焊(han)接质量及(ji)焊(han)接(jie)效率(lv)。

图(tu)4 管体厚(hou)壁(bi)不锈钢(gang)焊(han)管(guan)图(tu)像动(dong)态(tai)识(shi)别(bie)、智能(neng)补偿(chang)的高效(xiao)焊(han)接方法(fa)

  创新(xin)点(dian)四、开(kai)发了(le)可(ke)实现焊缝与母材性能一(yi)致性(xing)调控、晶粒尺寸在(zai)线(xian)检测方法(fa)等关(guan)键(jian)技(ji)术，实(shi)现(xian)了(le)管(guan)材热处(chu)理(li)过程(cheng)组(zu)织(zhi)性(xing)能(neng)与(yu)析(xi)出相(xiang)的动态调(diao)控，在线晶(jing)粒度误(wu)差小于(yu)10%，解(jie)决了(le)晶粒(li)度(du)预测难(nan)、焊(han)缝开(kai)裂、焊(han)接(jie)部分(fen)与基(ji)体(ti)性能(neng)一致(zhi)性(xing)差等难题。

  构(gou)建了微观组织晶(jing)粒(li)预测方(fang)法(fa)，发现了(le)管材(cai)在(zai)不同温(wen)度下的(de)组织晶(jing)粒(li)的再(zai)结(jie)晶、晶粒长(zhang)大(da)等(deng)变化规律，实(shi)现(xian)了晶(jing)粒(li)度精确控(kong)制(zhi)；建(jian)立激光(guang)超(chao)声波衰减的晶(jing)粒尺(chi)寸检测(ce)方(fang)法(fa)，实(shi)现(xian)了(le)管(guan)材(cai)微观(guan)晶粒(li)尺寸(cun)的在线(xian)实(shi)时检测；基于(yu)成形(xing)后的(de)管材需进行(xing)热(re)处(chu)理(li)行(xing)为(wei)实(shi)现(xian)管件(jian)焊(han)缝与母(mu)材(cai)组织与性能(neng)的(de)一致(zhi)性(xing)，研究(jiu)双(shuang)相不锈钢、镍(nie)基(ji)合金(jin)相(xiang)变(bian)规(gui)则(ze)，阐明在(zai)不同温度条(tiao)件(jian)下的(de)相(xiang)变特征，构(gou)建(jian)可(ke)实(shi)现(xian)焊缝(feng)和基(ji)体(ti)性(xing)能一致(zhi)性的(de)关键(jian)技(ji)术，结(jie)合CCT及(ji)TTT曲线(xian)，避免无(wu)效及有(you)害温(wen)度(du)，形成(cheng)典型双(shuang)相(xiang)不锈钢(gang)、镍(nie)基(ji)合(he)金(jin)的热处理(li)工艺(yi)制度。

图5 厚壁不(bu)锈(xiu)钢焊(han)管(guan)热(re)处理过(guo)程(cheng)组(zu)织(zhi)晶粒、析(xi)出相等(deng)演变机(ji)理(li)

  创新(xin)点五(wu)、研(yan)制(zhi)出大(da)口(kou)径(jing)厚壁(bi)不锈(xiu)钢焊(han)管(guan)成套装备，构(gou)建(jian)了非对称(cheng)布(bu)置的(de)板(ban)边(bian)预弯(wan)、管(guan)体(ti)连(lian)续(xu)折(zhe)弯等(deng)关键结构(gou)形(xing)式(shi)，实现(xian)了工(gong)艺(yi)与(yu)设(she)备(bei)的(de)集成(cheng)创(chuang)新，形(xing)成(cheng)Φ219-Φ1219mm、壁(bi)厚80mm、长度12500mm系(xi)列(lie)产品生(sheng)产(chan)技(ji)术(shu)，效率提高2倍以上(shang)。

  发明出(chu)可(ke)连续往(wang)复(fu)切(qie)削(xue)的大切(qie)削量铣(xi)边(bian)装(zhuang)备(bei)，构建快速响(xiang)应(ying)厚壁(bi)焊管焊缝倒(dao)角大(da)切(qie)削(xue)量(liang)需求的多(duo)刀头切(qie)削方(fang)式(shi)与(yu)快速(su)定(ding)宽(kuan)、定厚、刀(dao)头(tou)角度调整的(de)结(jie)构(gou)形式(shi)，生产效率提升(sheng)2倍(bei)以(yi)上(shang)；发(fa)明出厚(hou)壁焊(han)管板边(bian)预(yu)弯(wan)需求(qiu)的错(cuo)边非对(dui)称布(bu)置(zhi)形(xing)式与多(duo)曲(qu)面(mian)弧段(duan)组(zu)合(he)大步(bu)长(zhang)弯曲(qu)方(fang)式，可(ke)实现(xian)模具(ju)快(kuai)速调整、更(geng)换的(de)步进(jin)式(shi)预弯(wan)，预弯边(bian)2800mm以上(shang)、模(mo)具(ju)投资为(wei)传(chuan)统预(yu)弯装置的(de)40%；构建了(le)厚(hou)壁焊(han)管管(guan)体(ti)弯(wan)曲需(xu)求的高刚(gang)度“C”形结(jie)构(gou)布(bu)置形式(shi)与大跨度双机组(zu)合(he)连续(xu)折弯(wan)设(she)备(bei)结(jie)构形式，发明出(chu)快(kuai)速送(song)料、出(chu)料(liao)的(de)双(shuang)机同(tong)步联(lian)动的(de)强力弯(wan)曲(qu)装备，机组能(neng)力2×3000t、同步(bu)精(jing)度达到±0.1mm；发(fa)明(ming)出(chu)厚壁(bi)焊(han)管(guan)管(guan)体多(duo)自(zi)由度(du)合(he)缝结构(gou)形(xing)式(shi)、消(xiao)除(chu)管体(ti)弯曲成(cheng)形(xing)过(guo)程(cheng)遗(yi)留缺(que)陷(xian)的(de)多轴合缝纠(jiu)偏(pian)装备(bei)，实现智能(neng)焊接(jie)降低人为因(yin)素、调速(su)范(fan)围(wei)为0.2m/s-0.7m/s。

图(tu)6 大(da)口(kou)径(jing)厚(hou)壁不锈钢(gang)焊(han)管高(gao)质高(gao)效制(zhi)备的(de)成套(tao)装(zhuang)备(bei)

  应(ying)用(yong)情(qing)况与效果(guo)

  项(xiang)目在(zai)国(guo)家(jia)973计(ji)划(hua)、国(guo)家自然(ran)科(ke)学基金、山(shan)西(xi)省(sheng)重(zhong)大专(zhuan)项(xiang)、国(guo)家(jia)火(huo)炬计(ji)划(hua)产(chan)业化示(shi)范项目(mu)等重(zhong)大(da)专项(xiang)的(de)支撑下(xia)，通(tong)过十多年(nian)联(lian)合技术(shu)攻关(guan)，发明了经(jing)济(ji)高(gao)效(xiao)的(de)JCOE连(lian)续(xu)制管工艺的专(zhuan)有(you)技(ji)术，拥(yong)有(you)全部(bu)自(zi)主知(zhi)识(shi)产权的首条(tiao)大(da)口径厚壁不锈(xiu)钢焊(han)管(guan)装(zhuang)备，满(man)足(zu)柔(rou)性(xing)生(sheng)产的(de)多规格(ge)、多(duo)品(pin)种的(de)要(yao)求。系列产(chan)品(pin)整体达(da)到(dao)芬兰(lan)Outokumpu、韩(han)国EEW公(gong)司(si)、德(de)国(guo)Butting同类产品水(shui)平，部分(fen)指标(biao)优(you)于(yu)国(guo)外水平(ping)。本(ben)项目(mu)已(yi)获专(zhuan)利(li)59件(jian)（发(fa)明专利(li)30件），软件著作权11件(jian)，论(lun)文(wen)59篇(pian)，起(qi)草(cao)了国(guo)家标(biao)准(zhun)16项(xiang)。

  产品(pin)已应用于“一(yi)带一路”俄(e)罗斯亚(ya)马(ma)尔LNG2液(ye)化(hua)天(tian)然(ran)气(qi)项目(mu)、阿尔(er)及(ji)利亚(ya)国家石油公司(si)Kurvers Piping高硫(liu)原油(you)输(shu)送(song)管(guan)线项目、伊(yi)拉克哈(ha)法(fa)亚(ya)CPF3项目以(yi)及(ji)山东LNG接(jie)收站、广西LNG接收站(zhan)、天(tian)津(jin)LNG接收(shou)站(zhan)、浙江(jiang)石化的(de)4000万(wan)吨/年炼(lian)化(hua)一(yi)体(ti)化项(xiang)目等230多(duo)项大(da)中(zhong)型工(gong)程(cheng)项(xiang)目，累(lei)计(ji)销(xiao)售(shou)近(jin)10万吨，实现销售24亿(yi)元，利(li)税(shui)4.55亿(yi)元(yuan)，提升(sheng)我(wo)国不锈钢焊管(guan)产(chan)业整体(ti)竞争(zheng)力，对(dui)提(ti)升高端(duan)装(zhuang)备(bei)制(zhi)造(zao)水平及国产(chan)化率有(you)较(jiao)大现实(shi)意(yi)义。