研究的背(bei)景与(yu)问题

  海上(shang)油(you)气进口和海(hai)洋油(you)气(qi)产业(ye)作为我(wo)国海(hai)工装备(bei)制造(zao)业的(de)重(zhong)要组成(cheng)部分，在双(shuang)碳目标(biao)和国(guo)内油(you)气(qi)消(xiao)费增(zeng)长(zhang)的(de)背景(jing)下得到快(kuai)速(su)发(fa)展(zhan)，其生产、输送环(huan)境(jing)恶(e)劣(lie)，在耐(nai)高压(ya)、-162℃超低(di)温、耐(nai)腐(fu)蚀(shi)及耐(nai)候(hou)性等(deng)方(fang)面要(yao)求更(geng)高。而(er)大(da)口径(jing)厚(hou)壁(bi)不(bu)锈钢(gang)焊(han)管(guan)因其具(ju)有高强度、高耐腐蚀性及良(liang)好(hao)的低温(wen)塑(su)性(xing)，能克服极端(duan)温度(du)、高压、腐蚀极端(duan)环(huan)境(jing)，是我(wo)国海上(shang)油气(qi)进口和(he)开发不可(ke)或缺的基础管材。因此(ci)，市(shi)场对大(da)口径不锈(xiu)钢(gang)焊(han)管(guan)需求(qiu)急(ji)剧(ju)增(zeng)加，且(qie)管(guan)材(cai)大(da)量(liang)依靠(kao)进(jin)口，在(zai)交(jiao)货(huo)期(qi)、技(ji)术(shu)性能、技(ji)术(shu)标准上(shang)均(jun)设置(zhi)门(men)槛，对(dui)我国相(xiang)关行(xing)业形成(cheng)壁垒。造成这种局(ju)面的(de)原(yuan)因(yin)有以(yi)下三个方面：

  1、传统JCOE制(zhi)备(bei)方式均(jun)应(ying)用于(yu)生(sheng)产“黑(hei)材(cai)”，容易出现(xian)壁(bi)厚不均匀、开口度不(bu)一致、圆度不(bu)足(zu)等缺(que)陷(xian)，严重(zhong)的将(jiang)出(chu)现(xian)不能(neng)修复(fu)而(er)报(bao)废(fei)，目(mu)前(qian)大口(kou)径(jing)厚(hou)壁(bi)不(bu)锈钢焊管(guan)生产中间环节繁冗，良品(pin)率低，满(man)足不(bu)了多品种(zhong)、多规(gui)格产品(pin)连续化(hua)生(sheng)产需(xu)求。

  2、大口径(jing)厚(hou)壁(bi)不(bu)锈(xiu)钢(gang)焊(han)管(guan)因(yin)生(sheng)产技术不(bu)成(cheng)熟，导(dao)致(zhi)在(zai)服役过程(cheng)中极易出(chu)现“跑”、“冒(mao)”、“滴(di)”、“漏”等(deng)现象，产品(pin)性能难以(yi)满(man)足(zu)极端环(huan)境需求，而油(you)气(qi)输(shu)送管(guan)路对尺(chi)寸(cun)与(yu)低温(wen)韧(ren)性要(yao)求更(geng)加(jia)严(yan)格，因(yin)此(ci)重(zhong)点开(kai)展(zhan)关(guan)键技(ji)术研究(jiu)是(shi)提(ti)升管(guan)材服役(yi)行(xing)为(wei)的(de)重要(yao)手段。

  3、目(mu)前(qian)国(guo)内拥有的设备均是(shi)从(cong)国(guo)外(wai)进(jin)口(kou)或者国(guo)内(nei)单(dan)台(tai)设(she)备按(an)工序组(zu)成离(li)散型产(chan)线(xian)，设备价格(ge)昂贵(gui)，缺少(shao)自(zi)主(zhu)研发(fa)的(de)经(jing)验(yan)与能(neng)力。因此(ci)需(xu)要(yao)结(jie)合大(da)口(kou)径厚(hou)壁不(bu)锈钢(gang)焊(han)管成(cheng)形(xing)理(li)论(lun)、工艺(yi)的(de)研(yan)究(jiu)，提出与产(chan)线需(xu)求(qiu)一(yi)致(zhi)的(de)装备结构形式(shi)与生产(chan)能力，打破大口(kou)径(jing)厚壁(bi)不锈(xiu)钢焊管(guan)装(zhuang)备(bei)依(yi)赖进(jin)口的现状(zhuang)。

  主要(yao)创(chuang)新内容

  项目(mu)团(tuan)队经(jing)过十多(duo)年(nian)的联(lian)合(he)攻(gong)关(guan)，解(jie)决了(le)成(cheng)形与焊接的问(wen)题(ti)，在(zai)此基(ji)础(chu)上辅(fu)助(zhu)制(zhi)备工艺、热处(chu)理技术以(yi)及与之匹配的装(zhuang)备。构建弯曲(qu)成形、连(lian)续(xu)焊(han)接(jie)协同(tong)加工体(ti)系，解(jie)决(jue)管(guan)体成形与焊(han)接(jie)性能(neng)一(yi)致(zhi)性的问题，融(rong)合(he)合(he)理的(de)工艺(yi)制度(du)、热(re)处理(li)技术以及与之匹配的(de)装备，制备出满(man)足市场(chang)需(xu)求(qiu)的大口径(jing)厚(hou)壁(bi)不(bu)锈钢(gang)直(zhi)缝焊管(guan)。其总(zong)体(ti)思路如(ru)图1所示(shi)。

图1 大(da)口(kou)径厚(hou)壁(bi)不锈(xiu)钢(gang)焊(han)管总体(ti)思路

  创(chuang)新(xin)点一(yi)、基于(yu)厚壁板材中性(xing)层偏(pian)移、弯(wan)曲(qu)回(hui)弹(dan)、包(bao)辛(xin)格(ge)效(xiao)应(ying)理论，构建(jian)了获得(de)板(ban)边预(yu)弯(wan)、管体连续折(zhe)弯(wan)与精整成形(xing)方法，为(wei)工艺(yi)制(zhi)定(ding)和(he)装(zhuang)备研发(fa)提供(gong)了(le)理(li)论(lun)依据(ju)，形(xing)成不(bu)同规(gui)格(ge)产品(pin)单(dan)道次折弯(wan)过(guo)程中性(xing)层偏(pian)移量(liang)（板厚(hou)6%-18%）、回(hui)弹(dan)（板厚0.8%）等精(jing)准(zhun)控制(zhi)，解(jie)决了管(guan)体折(zhe)弯(wan)成(cheng)形(xing)过程(cheng)尺寸偏差(cha)与(yu)缺陷难题(ti)。

  开展(zhan)应(ying)力中性层与几何中(zhong)心层(ceng)偏(pian)移规律(lv)研究，构建(jian)基于厚度(du)强(qiang)化模型(xing)的中性层(ceng)偏(pian)移方法，可(ke)辅助(zhu)预测管体(ti)折(zhe)弯(wan)过程每道(dao)次(ci)管(guan)壁减薄量以(yi)及(ji)管(guan)径(jing)延伸(shen)量(liang)，实(shi)现原(yuan)始(shi)坯(pi)料(liao)精(jing)确定宽(kuan)；开展板材(cai)弯曲成形(xing)过程(cheng)回弹(dan)机制(zhi)研(yan)究，构(gou)建可有效控(kong)制折弯角(jiao)度的(de)方(fang)法(fa)，回(hui)弹(dan)量(liang)平(ping)均(jun)值(zhi)约(yue)为板(ban)厚的0.8%左(zuo)右(you)，实(shi)现了板坯(pi)折(zhe)弯(wan)卸载后(hou)回(hui)弹量(liang)的(de)精(jing)确预(yu)测(ce)，有效避(bi)免(mian)管(guan)体(ti)成形出现焊(han)缝(feng)开(kai)口较(jiao)大(da)、周向圆(yuan)度(du)不(bu)良(liang)缺陷；开展板(ban)材弯曲过(guo)程加(jia)/卸载过程(cheng)中(zhong)包(bao)辛格效应(ying)研(yan)究，构(gou)建厚板(ban)弯曲包辛(xin)格(ge)效应(ying)方(fang)法，与实际测(ce)量(liang)误差(cha)小(xiao)于(yu)10%，为厚(hou)壁不(bu)锈(xiu)钢焊(han)管JCOE成(cheng)形(xing)工序中(zhong)管体预(yu)弯、连(lian)续折(zhe)弯成(cheng)形(xing)工(gong)艺(yi)制定(ding)提供(gong)技术依(yi)据(ju)。 

图2 厚(hou)壁板(ban)材(cai)中(zhong)性(xing)层(ceng)偏(pian)移(yi)、弯曲回(hui)弹、包(bao)辛(xin)格效应(ying)等(deng)方法

  创新点(dian)二(er)、研究了管(guan)体(ti)成(cheng)形过程关(guan)键工序模具构(gou)型，揭示(shi)了(le)不同(tong)材质、规格产(chan)品成形(xing)过(guo)程(cheng)的(de)变(bian)形规律(lv)，获(huo)得(de)满(man)足生产(chan)需求的(de)成形工(gong)艺(yi)技(ji)术(shu)体系(xi)，解决了(le)成形过程中产(chan)生缺陷(xian)等(deng)技(ji)术难(nan)题。

开(kai)展(zhan)预弯(wan)模具(ju)对大口(kou)径厚(hou)壁(bi)焊管(guan)在预(yu)弯(wan)阶(jie)段的影响(xiang)规律研(yan)究，制(zhi)定(ding)出(chu)满足(zu)大(da)口(kou)径不锈钢(gang)直(zhi)缝(feng)焊(han)管(guan)预弯阶段的(de)成形(xing)工(gong)艺(yi)。构(gou)建可满足(zu)不同(tong)直径、壁(bi)厚管材(cai)的(de)板坯预(yu)弯成形凹凸模具(ju)，基于(yu)管(guan)坯(pi)直边(bian)弧边(bian)转变(bian)区域的预(yu)弯(wan)模具(ju)过渡(du)段、上下(xia)模(mo)具相位(wei)差优化(hua)设计(ji)方(fang)法，板(ban)材厚(hou)度每(mei)增(zeng)加10mm，过渡段角(jiao)度增(zeng)加1°，过渡(du)段弯曲量(liang)增(zeng)加(jia)9mm左(zuo)右，有效实现下(xia)模行走行(xing)程与加(jia)载方(fang)式精(jing)准控制，实(shi)现了(le)不同(tong)直径(jing)管(guan)体成(cheng)形一(yi)模(mo)多(duo)用的效果；开(kai)展板材折弯成(cheng)形过程(cheng)步进(jin)式连续(xu)弯曲成形(xing)研(yan)究，优化了上模(mo)具(ju)压下(xia)量、下模(mo)具(ju)开(kai)口(kou)度(du)及(ji)下(xia)压(ya)道次等工艺参(can)数(shu)，折(zhe)弯(wan)成形上(shang)模具(ju)压(ya)下(xia)量(liang)和下模开口(kou)度(du)、折弯道次优(you)化设计(ji)方法(fa)，提(ti)高了(le)管体尺(chi)寸(cun)精度(du)，满(man)足不同(tong)规格管(guan)体(ti)生(sheng)产的最优(you)折(zhe)弯成(cheng)形工艺(yi)要求(qiu)，实现(xian)了(le)管体制(zhi)备(bei)阶(jie)段高(gao)效化(hua)、精确化(hua)；开(kai)展预(yu)整(zheng)形(xing)机多(duo)自由度合(he)缝(feng)研(yan)究(jiu)，优化(hua)了(le)合缝(feng)辊位置、轴向压(ya)下(xia)角度的(de)调(diao)节工艺(yi)，构建(jian)基于不同(tong)开口(kou)度(du)预整形(xing)调整(zheng)方法与关键技术、“桃形”“梨形”“错边(bian)”等(deng)特殊(shu)缺(que)陷(xian)优化机理(li)，实(shi)现了(le)管体(ti)焊缝精准对(dui)接，提高(gao)管(guan)体成形(xing)质量。 

图(tu)3 管(guan)体成形过(guo)程(cheng)关(guan)键工(gong)序(xu)模具(ju)构形设(she)计(ji)方法(fa)与(yu)工艺(yi)调(diao)控(kong)技(ji)术(shu)

  创新点(dian)三、开发了(le)焊接熔池与(yu)焊(han)缝图像智(zhi)能识别跟踪、焊(han)缝成(cheng)形智能工(gong)艺(yi)控(kong)制技(ji)术、焊(han)缝(feng)质量(liang)的(de)全流(liu)程(cheng)监控(kong)与(yu)动态优(you)化(hua)技术，熔池形态(tai)识(shi)别正确率(lv)达96.34%，焊(han)缝(feng)缺(que)陷(xian)识别(bie)和(he)检(jian)测(ce)准(zhun)确(que)率达(da)95%以上(shang)，焊接成(cheng)本降低30%以上(shang)，效率(lv)提(ti)高(gao)10倍。

  开发(fa)出满足大(da)直径(jing)厚(hou)壁焊管焊接(jie)需求的高(gao)效(xiao)低(di)成本(ben)深(shen)熔(rong)焊接(jie)方(fang)法(fa)及工艺技(ji)术(shu)，开(kai)展(zhan)深熔(rong)TIG焊(han)接成形过(guo)程(cheng)力学分析，利用(yong)热流固(gu)耦合(he)进行(xing)深熔TIG焊接数值模(mo)拟，获(huo)得(de)了(le)深熔(rong)TIG焊(han)接(jie)成形(xing)过(guo)程(cheng)工艺；构(gou)建(jian)基于焊(han)缝熔池(chi)及凝(ning)固成形(xing)后(hou)焊(han)缝形(xing)状(zhuang)的捕捉(zhuo)系统，获得了焊接(jie)熔(rong)池与(yu)焊缝(feng)图(tu)像智(zhi)能(neng)识(shi)别技术；开(kai)展基于视(shi)觉(jue)传感、电(dian)压(ya)电流(liu)多信(xin)息融合(he)的熔池(chi)特(te)征(zheng)数据采集系(xi)统研(yan)究(jiu)，掌(zhang)握焊(han)缝(feng)跟(gen)踪(zong)、焊缝(feng)成(cheng)形控(kong)制(zhi)与焊接过(guo)程(cheng)补(bu)偿(chang)技术(shu)，熔池(chi)形态识(shi)别(bie)方(fang)面(mian)正(zheng)确率达96.34%，准(zhun)确(que)率(lv)和(he)检测(ce)效(xiao)率达(da)95%以上，获得焊接过程焊(han)缝成形质量智能控(kong)制(zhi)，准确(que)的预(yu)测熔(rong)池力学行为(wei)及熔(rong)宽形貌，确保了(le)厚壁焊(han)管(guan)焊(han)缝(feng)质量(liang)与基体不(bu)锈(xiu)钢(gang)材(cai)料的性能(neng)一致(zhi)性，提高焊接(jie)质(zhi)量及焊(han)接(jie)效(xiao)率。

图(tu)4 管体(ti)厚壁不锈(xiu)钢(gang)焊(han)管图(tu)像动(dong)态(tai)识(shi)别、智(zhi)能(neng)补(bu)偿(chang)的(de)高效焊接方法(fa)

  创(chuang)新点(dian)四、开(kai)发了可实现焊缝与母(mu)材(cai)性能一致性(xing)调(diao)控、晶(jing)粒(li)尺(chi)寸在(zai)线(xian)检测(ce)方(fang)法等关键技(ji)术，实现了管(guan)材(cai)热处(chu)理过程组织性能(neng)与析(xi)出(chu)相的动(dong)态(tai)调控，在(zai)线晶粒(li)度误差小(xiao)于(yu)10%，解(jie)决了晶粒(li)度(du)预(yu)测难、焊缝开裂、焊接部分与基(ji)体性(xing)能(neng)一(yi)致(zhi)性差(cha)等(deng)难题。

  构(gou)建(jian)了(le)微观组(zu)织晶粒(li)预测(ce)方法，发(fa)现了管(guan)材(cai)在不同温(wen)度下(xia)的(de)组(zu)织(zhi)晶粒(li)的(de)再结晶(jing)、晶粒(li)长大(da)等变化(hua)规律(lv)，实现(xian)了(le)晶粒(li)度精(jing)确控(kong)制(zhi)；建(jian)立激光(guang)超声(sheng)波衰减的(de)晶(jing)粒(li)尺寸(cun)检测方法，实(shi)现(xian)了管(guan)材微观(guan)晶粒尺(chi)寸的在(zai)线实(shi)时(shi)检测；基于(yu)成形(xing)后的管材需进行(xing)热处(chu)理(li)行(xing)为实(shi)现管(guan)件焊(han)缝与母(mu)材(cai)组(zu)织与性(xing)能的一(yi)致(zhi)性，研(yan)究(jiu)双相不锈钢、镍(nie)基(ji)合金(jin)相变(bian)规(gui)则(ze)，阐(chan)明(ming)在(zai)不同(tong)温度(du)条件(jian)下的相(xiang)变特征，构(gou)建可(ke)实(shi)现(xian)焊缝和基(ji)体(ti)性能(neng)一致(zhi)性(xing)的(de)关键(jian)技(ji)术，结(jie)合CCT及(ji)TTT曲(qu)线，避免(mian)无(wu)效(xiao)及(ji)有害温度(du)，形(xing)成典(dian)型(xing)双相(xiang)不锈钢、镍基合金的热处(chu)理(li)工艺(yi)制(zhi)度。

图5 厚(hou)壁(bi)不锈钢(gang)焊管热(re)处理(li)过程(cheng)组(zu)织晶粒(li)、析(xi)出(chu)相(xiang)等演变(bian)机理

  创(chuang)新点五、研制(zhi)出大口(kou)径厚(hou)壁不(bu)锈(xiu)钢焊管成套(tao)装备(bei)，构建(jian)了非(fei)对称(cheng)布(bu)置(zhi)的(de)板(ban)边(bian)预(yu)弯(wan)、管体连(lian)续折(zhe)弯等(deng)关(guan)键(jian)结(jie)构形(xing)式(shi)，实(shi)现了工艺(yi)与设备(bei)的(de)集成(cheng)创新，形成(cheng)Φ219-Φ1219mm、壁(bi)厚80mm、长(zhang)度12500mm系(xi)列产品(pin)生产(chan)技术(shu)，效率提高2倍以(yi)上(shang)。

  发明出可连续往(wang)复(fu)切削的(de)大(da)切(qie)削量铣边(bian)装(zhuang)备，构(gou)建快速(su)响应厚(hou)壁焊管焊(han)缝(feng)倒(dao)角(jiao)大(da)切削(xue)量需(xu)求(qiu)的多(duo)刀头(tou)切(qie)削(xue)方(fang)式与(yu)快速定宽、定厚、刀头(tou)角度调(diao)整的结(jie)构形(xing)式(shi)，生产(chan)效(xiao)率提(ti)升2倍以(yi)上；发明出厚壁焊(han)管(guan)板(ban)边预(yu)弯需(xu)求的错(cuo)边(bian)非(fei)对(dui)称布置(zhi)形式(shi)与(yu)多曲面弧(hu)段(duan)组合大(da)步(bu)长弯曲方(fang)式(shi)，可实(shi)现(xian)模(mo)具快速(su)调(diao)整(zheng)、更(geng)换的步进(jin)式(shi)预弯(wan)，预弯边2800mm以(yi)上、模(mo)具(ju)投资(zi)为传(chuan)统(tong)预弯(wan)装置(zhi)的(de)40%；构建(jian)了厚(hou)壁焊(han)管管体弯(wan)曲需(xu)求(qiu)的(de)高刚(gang)度“C”形结(jie)构(gou)布置形式与大跨(kua)度双(shuang)机(ji)组合连(lian)续(xu)折(zhe)弯(wan)设备结(jie)构(gou)形式，发明(ming)出快速送料(liao)、出(chu)料(liao)的双机同步联(lian)动的(de)强力(li)弯曲装备，机组能力(li)2×3000t、同(tong)步精(jing)度达到(dao)±0.1mm；发(fa)明(ming)出(chu)厚壁(bi)焊管管(guan)体多(duo)自(zi)由度合缝(feng)结(jie)构(gou)形式、消除管体(ti)弯曲(qu)成形过(guo)程(cheng)遗留(liu)缺陷(xian)的(de)多轴合缝(feng)纠偏装备，实(shi)现(xian)智(zhi)能焊接降(jiang)低人(ren)为(wei)因素(su)、调速(su)范围(wei)为(wei)0.2m/s-0.7m/s。

图(tu)6 大(da)口(kou)径(jing)厚壁(bi)不锈(xiu)钢(gang)焊(han)管(guan)高(gao)质高(gao)效制备(bei)的成套装(zhuang)备

  应用(yong)情况与效果

  项(xiang)目在国(guo)家973计(ji)划(hua)、国家自(zi)然(ran)科学(xue)基(ji)金(jin)、山西(xi)省(sheng)重(zhong)大(da)专项、国家(jia)火炬(ju)计(ji)划产业化示(shi)范(fan)项(xiang)目等(deng)重(zhong)大(da)专(zhuan)项的(de)支撑下(xia)，通过(guo)十(shi)多年(nian)联合(he)技(ji)术(shu)攻关(guan)，发明了经济(ji)高(gao)效(xiao)的JCOE连续制管(guan)工(gong)艺的专有(you)技术(shu)，拥有(you)全(quan)部自主(zhu)知识产权的首条(tiao)大(da)口径(jing)厚壁不(bu)锈(xiu)钢(gang)焊管(guan)装备(bei)，满足(zu)柔(rou)性(xing)生产的(de)多(duo)规(gui)格(ge)、多品种(zhong)的(de)要求(qiu)。系(xi)列产品整体(ti)达(da)到芬兰Outokumpu、韩(han)国EEW公(gong)司(si)、德(de)国(guo)Butting同类(lei)产品水平，部(bu)分(fen)指标(biao)优(you)于(yu)国(guo)外水(shui)平(ping)。本(ben)项目(mu)已(yi)获(huo)专(zhuan)利(li)59件（发明(ming)专(zhuan)利(li)30件），软(ruan)件(jian)著作权11件，论文(wen)59篇，起(qi)草(cao)了国家标准(zhun)16项(xiang)。

  产品已应(ying)用于(yu)“一(yi)带(dai)一(yi)路”俄罗斯亚马(ma)尔LNG2液化天然(ran)气(qi)项目、阿(a)尔(er)及(ji)利(li)亚国(guo)家(jia)石油(you)公司Kurvers Piping高(gao)硫(liu)原(yuan)油输(shu)送管(guan)线(xian)项(xiang)目、伊拉(la)克(ke)哈法亚CPF3项(xiang)目以(yi)及(ji)山(shan)东LNG接收(shou)站(zhan)、广(guang)西LNG接(jie)收(shou)站、天津LNG接(jie)收站(zhan)、浙江(jiang)石(shi)化的4000万吨(dun)/年(nian)炼化(hua)一体(ti)化项目(mu)等(deng)230多(duo)项(xiang)大中(zhong)型工程项目(mu)，累计销(xiao)售近(jin)10万(wan)吨(dun)，实(shi)现销(xiao)售(shou)24亿(yi)元，利(li)税(shui)4.55亿(yi)元(yuan)，提升(sheng)我(wo)国(guo)不(bu)锈(xiu)钢焊管产业(ye)整体竞(jing)争力(li)，对(dui)提升高(gao)端(duan)装(zhuang)备(bei)制(zhi)造(zao)水(shui)平(ping)及国(guo)产化率有(you)较(jiao)大(da)现(xian)实(shi)意义(yi)。