研(yan)究(jiu)的(de)背景与(yu)问(wen)题(ti)

  海(hai)上油(you)气(qi)进口和海洋油(you)气产(chan)业作为我国海(hai)工装(zhuang)备制造业(ye)的重要组成(cheng)部分，在双碳目标和国内(nei)油气(qi)消(xiao)费(fei)增(zeng)长的背景(jing)下(xia)得(de)到快(kuai)速发(fa)展(zhan)，其生产、输(shu)送(song)环境(jing)恶劣(lie)，在耐(nai)高压、-162℃超(chao)低温(wen)、耐腐蚀(shi)及(ji)耐(nai)候(hou)性等方(fang)面(mian)要求(qiu)更(geng)高(gao)。而(er)大(da)口径厚壁(bi)不(bu)锈(xiu)钢焊(han)管(guan)因(yin)其(qi)具有高强度、高耐(nai)腐(fu)蚀性及(ji)良(liang)好的(de)低温(wen)塑性(xing)，能克(ke)服极端(duan)温(wen)度(du)、高压、腐(fu)蚀极端(duan)环(huan)境，是(shi)我(wo)国(guo)海(hai)上油气(qi)进(jin)口和开(kai)发不可或(huo)缺的(de)基(ji)础(chu)管(guan)材。因(yin)此，市场对(dui)大(da)口径不锈钢(gang)焊(han)管需(xu)求(qiu)急剧(ju)增(zeng)加(jia)，且管(guan)材大量(liang)依(yi)靠(kao)进(jin)口(kou)，在交(jiao)货期、技术(shu)性(xing)能、技术(shu)标准(zhun)上均设置(zhi)门(men)槛(kan)，对(dui)我国(guo)相关(guan)行业形(xing)成壁垒(lei)。造成(cheng)这种局面(mian)的原(yuan)因有以(yi)下三(san)个(ge)方(fang)面(mian)：

  1、传统(tong)JCOE制(zhi)备方式(shi)均(jun)应(ying)用(yong)于生(sheng)产“黑(hei)材”，容(rong)易(yi)出(chu)现壁(bi)厚(hou)不(bu)均匀、开(kai)口(kou)度不(bu)一致、圆(yuan)度不足等缺(que)陷(xian)，严(yan)重的(de)将出(chu)现(xian)不(bu)能修复而报(bao)废(fei)，目(mu)前(qian)大口径厚(hou)壁不锈(xiu)钢(gang)焊管生产中间环(huan)节繁冗，良品(pin)率(lv)低，满(man)足不(bu)了多品(pin)种、多(duo)规格产(chan)品连续(xu)化(hua)生产(chan)需求(qiu)。

  2、大(da)口(kou)径厚壁(bi)不锈钢(gang)焊(han)管因生(sheng)产技(ji)术不(bu)成熟(shu)，导致(zhi)在(zai)服(fu)役(yi)过程中极(ji)易(yi)出现(xian)“跑”、“冒(mao)”、“滴(di)”、“漏”等(deng)现象，产品性(xing)能(neng)难以(yi)满(man)足极(ji)端环境需求(qiu)，而(er)油(you)气(qi)输(shu)送管路对(dui)尺寸与低(di)温韧性要(yao)求(qiu)更加(jia)严(yan)格(ge)，因(yin)此重点开展关键技(ji)术研(yan)究是提(ti)升(sheng)管(guan)材(cai)服役行(xing)为的重(zhong)要手段。

  3、目(mu)前国内拥(yong)有(you)的设备(bei)均是(shi)从(cong)国外(wai)进口或(huo)者国(guo)内(nei)单台(tai)设(she)备按工序组成(cheng)离散(san)型(xing)产线(xian)，设(she)备(bei)价(jia)格(ge)昂(ang)贵，缺少(shao)自(zi)主(zhu)研发的经验与(yu)能力(li)。因(yin)此需要(yao)结合(he)大口径(jing)厚壁(bi)不(bu)锈(xiu)钢(gang)焊(han)管成(cheng)形(xing)理论、工艺(yi)的(de)研(yan)究，提出(chu)与(yu)产线(xian)需求一(yi)致(zhi)的(de)装备结(jie)构形式(shi)与(yu)生(sheng)产能(neng)力，打(da)破(po)大口径厚壁(bi)不锈(xiu)钢焊管(guan)装(zhuang)备依赖进口(kou)的(de)现(xian)状。

  主(zhu)要(yao)创(chuang)新(xin)内容

  项(xiang)目(mu)团(tuan)队经(jing)过十(shi)多年的联合(he)攻(gong)关(guan)，解(jie)决(jue)了成(cheng)形(xing)与(yu)焊(han)接的(de)问题，在(zai)此(ci)基础上辅助制备(bei)工(gong)艺(yi)、热(re)处理技术(shu)以及(ji)与之(zhi)匹配(pei)的(de)装(zhuang)备(bei)。构(gou)建弯曲成(cheng)形、连(lian)续(xu)焊(han)接协同(tong)加工体系，解决(jue)管(guan)体(ti)成(cheng)形(xing)与(yu)焊接(jie)性(xing)能一(yi)致(zhi)性(xing)的问(wen)题，融(rong)合合(he)理的工艺制度(du)、热处理技(ji)术(shu)以(yi)及(ji)与之(zhi)匹配(pei)的装(zhuang)备，制(zhi)备(bei)出(chu)满(man)足市场需(xu)求(qiu)的大(da)口径厚壁不锈钢直缝焊管。其(qi)总(zong)体思路如(ru)图(tu)1所(suo)示(shi)。

图(tu)1 大口(kou)径(jing)厚壁不(bu)锈钢(gang)焊管总(zong)体思路(lu)

  创新(xin)点一(yi)、基(ji)于(yu)厚壁板(ban)材(cai)中性(xing)层偏移(yi)、弯(wan)曲回弹、包(bao)辛格(ge)效(xiao)应理论(lun)，构建(jian)了(le)获(huo)得板边预弯(wan)、管(guan)体(ti)连续折弯(wan)与精整成(cheng)形(xing)方(fang)法，为(wei)工艺(yi)制(zhi)定(ding)和装(zhuang)备研发提供了理(li)论依(yi)据，形(xing)成不同规(gui)格(ge)产品(pin)单道(dao)次折(zhe)弯过(guo)程中(zhong)性(xing)层(ceng)偏移(yi)量（板厚6%-18%）、回弹（板厚0.8%）等精准控制，解决了(le)管体折弯成(cheng)形(xing)过程(cheng)尺寸(cun)偏(pian)差(cha)与(yu)缺(que)陷难题。

  开展(zhan)应力(li)中(zhong)性(xing)层与几(ji)何中心层(ceng)偏移规(gui)律研究(jiu)，构(gou)建基于厚度(du)强(qiang)化模(mo)型(xing)的(de)中(zhong)性(xing)层(ceng)偏(pian)移方(fang)法，可辅(fu)助(zhu)预(yu)测管体折(zhe)弯过(guo)程(cheng)每(mei)道(dao)次管(guan)壁减(jian)薄量以及管(guan)径延伸(shen)量(liang)，实(shi)现(xian)原(yuan)始(shi)坯料精(jing)确定(ding)宽；开(kai)展(zhan)板材(cai)弯曲(qu)成(cheng)形过程回弹(dan)机制研(yan)究(jiu)，构(gou)建可有(you)效控(kong)制(zhi)折(zhe)弯(wan)角(jiao)度(du)的(de)方(fang)法(fa)，回弹(dan)量(liang)平(ping)均值约(yue)为板厚的0.8%左右(you)，实现了板(ban)坯(pi)折弯卸载(zai)后(hou)回(hui)弹量的精(jing)确(que)预(yu)测(ce)，有效避免管体(ti)成形出(chu)现(xian)焊(han)缝开(kai)口(kou)较大、周向圆(yuan)度不(bu)良缺陷；开展(zhan)板(ban)材弯(wan)曲过(guo)程加(jia)/卸载过程(cheng)中包(bao)辛格(ge)效应研究(jiu)，构建(jian)厚(hou)板弯(wan)曲(qu)包(bao)辛格(ge)效(xiao)应(ying)方法，与(yu)实(shi)际(ji)测(ce)量(liang)误差小于(yu)10%，为厚壁不(bu)锈钢焊管(guan)JCOE成形(xing)工(gong)序(xu)中(zhong)管体预弯、连续(xu)折(zhe)弯成(cheng)形(xing)工(gong)艺(yi)制(zhi)定(ding)提供技(ji)术(shu)依据(ju)。 

图2 厚壁(bi)板(ban)材中(zhong)性层偏(pian)移(yi)、弯(wan)曲回(hui)弹、包辛(xin)格效应等方法

  创新点二(er)、研究了管(guan)体成(cheng)形过程关键工序模具构型，揭(jie)示(shi)了不同材质、规格(ge)产品(pin)成(cheng)形过(guo)程(cheng)的(de)变(bian)形(xing)规律，获(huo)得满足(zu)生(sheng)产需(xu)求的成(cheng)形(xing)工艺技术体(ti)系，解决了(le)成(cheng)形(xing)过(guo)程中(zhong)产(chan)生(sheng)缺(que)陷等技术难题。

开(kai)展(zhan)预弯(wan)模(mo)具对大口(kou)径厚壁(bi)焊管(guan)在预弯阶段的(de)影(ying)响(xiang)规律(lv)研(yan)究(jiu)，制(zhi)定出满(man)足大(da)口(kou)径不(bu)锈(xiu)钢(gang)直(zhi)缝(feng)焊(han)管预(yu)弯阶段的成形工(gong)艺。构建可(ke)满(man)足(zu)不(bu)同(tong)直(zhi)径、壁厚管(guan)材(cai)的板坯(pi)预(yu)弯(wan)成形(xing)凹凸模具，基(ji)于(yu)管坯(pi)直边(bian)弧边转(zhuan)变(bian)区(qu)域(yu)的(de)预弯(wan)模(mo)具过(guo)渡(du)段(duan)、上下模具(ju)相位(wei)差优化设(she)计(ji)方(fang)法，板材(cai)厚度每(mei)增(zeng)加(jia)10mm，过渡(du)段角度(du)增(zeng)加(jia)1°，过渡段弯(wan)曲(qu)量增(zeng)加9mm左(zuo)右(you)，有(you)效实现下(xia)模行走(zou)行程与加载方(fang)式精(jing)准控制，实(shi)现了(le)不同(tong)直径管体成形一(yi)模多用(yong)的效(xiao)果；开(kai)展(zhan)板材折弯成(cheng)形(xing)过(guo)程(cheng)步(bu)进式连续弯(wan)曲(qu)成形研究(jiu)，优(you)化了上模具压下(xia)量(liang)、下模具(ju)开(kai)口度(du)及(ji)下压(ya)道次等工艺参数，折(zhe)弯(wan)成形上模(mo)具(ju)压(ya)下(xia)量(liang)和下(xia)模开口度(du)、折(zhe)弯道(dao)次(ci)优(you)化设计方(fang)法，提(ti)高(gao)了(le)管(guan)体尺寸精(jing)度(du)，满足(zu)不(bu)同(tong)规(gui)格(ge)管体生(sheng)产的最优(you)折(zhe)弯成形工(gong)艺(yi)要(yao)求(qiu)，实现(xian)了(le)管体(ti)制备阶段高(gao)效化(hua)、精(jing)确(que)化；开(kai)展(zhan)预整形(xing)机(ji)多自(zi)由(you)度合缝研究，优(you)化(hua)了(le)合(he)缝(feng)辊位(wei)置(zhi)、轴(zhou)向压(ya)下(xia)角(jiao)度的(de)调(diao)节工(gong)艺(yi)，构(gou)建(jian)基于不(bu)同(tong)开(kai)口(kou)度预(yu)整(zheng)形(xing)调(diao)整(zheng)方(fang)法与关键技(ji)术(shu)、“桃(tao)形(xing)”“梨(li)形(xing)”“错(cuo)边(bian)”等(deng)特(te)殊缺(que)陷(xian)优(you)化机(ji)理，实现(xian)了(le)管体(ti)焊(han)缝精准(zhun)对接(jie)，提高(gao)管体成(cheng)形(xing)质(zhi)量。 

图(tu)3 管体成形过(guo)程关键工序模具(ju)构形(xing)设(she)计(ji)方法(fa)与(yu)工(gong)艺调(diao)控(kong)技(ji)术

  创新点三(san)、开发了(le)焊接熔池与焊缝(feng)图像智能识(shi)别跟踪(zong)、焊缝成(cheng)形(xing)智(zhi)能工艺控制技术(shu)、焊(han)缝质(zhi)量的(de)全流程监控(kong)与动态优化(hua)技(ji)术(shu)，熔池(chi)形(xing)态识(shi)别正确率(lv)达96.34%，焊(han)缝缺(que)陷(xian)识别(bie)和检测准确率达(da)95%以(yi)上，焊(han)接成本降(jiang)低30%以(yi)上，效率提高10倍(bei)。

  开(kai)发出满(man)足(zu)大直(zhi)径(jing)厚壁(bi)焊(han)管焊(han)接(jie)需(xu)求的高(gao)效(xiao)低成本(ben)深(shen)熔焊接(jie)方法及(ji)工(gong)艺(yi)技术(shu)，开展(zhan)深(shen)熔(rong)TIG焊(han)接成(cheng)形(xing)过(guo)程力(li)学(xue)分(fen)析，利用热流固耦(ou)合(he)进(jin)行(xing)深(shen)熔(rong)TIG焊接数(shu)值模拟(ni)，获得(de)了深(shen)熔TIG焊(han)接成形(xing)过程(cheng)工艺(yi)；构(gou)建基于(yu)焊(han)缝(feng)熔(rong)池及(ji)凝固(gu)成(cheng)形后(hou)焊缝(feng)形(xing)状(zhuang)的(de)捕(bu)捉(zhuo)系统，获得了(le)焊(han)接熔池与焊(han)缝(feng)图像(xiang)智(zhi)能识(shi)别技(ji)术(shu)；开展基(ji)于视觉传(chuan)感(gan)、电压电(dian)流多(duo)信(xin)息(xi)融合(he)的(de)熔(rong)池特征数据采(cai)集(ji)系(xi)统(tong)研究，掌(zhang)握(wo)焊缝(feng)跟踪、焊缝(feng)成(cheng)形(xing)控(kong)制与焊(han)接过程(cheng)补(bu)偿(chang)技术，熔池形(xing)态(tai)识(shi)别方面正(zheng)确(que)率达(da)96.34%，准(zhun)确(que)率和(he)检测(ce)效(xiao)率(lv)达(da)95%以(yi)上，获(huo)得焊(han)接过(guo)程(cheng)焊缝(feng)成(cheng)形质量(liang)智(zhi)能控(kong)制(zhi)，准确(que)的预测熔池(chi)力(li)学行为及熔(rong)宽(kuan)形貌(mao)，确保了厚壁(bi)焊管焊缝(feng)质(zhi)量与(yu)基体不(bu)锈钢(gang)材料(liao)的性能一致性(xing)，提(ti)高(gao)焊(han)接质(zhi)量(liang)及焊接(jie)效率。

图(tu)4 管(guan)体厚壁不(bu)锈(xiu)钢(gang)焊(han)管(guan)图像(xiang)动(dong)态(tai)识别(bie)、智(zhi)能补(bu)偿的高(gao)效(xiao)焊接(jie)方(fang)法

  创新点四、开(kai)发(fa)了(le)可(ke)实现(xian)焊缝与母(mu)材性能(neng)一(yi)致性调(diao)控(kong)、晶(jing)粒(li)尺(chi)寸在(zai)线检(jian)测方法(fa)等(deng)关(guan)键(jian)技术，实现了管材(cai)热(re)处理过程(cheng)组织(zhi)性(xing)能与析(xi)出相(xiang)的动态调控，在(zai)线晶(jing)粒(li)度误(wu)差小于10%，解(jie)决了晶粒(li)度(du)预(yu)测难、焊缝(feng)开裂(lie)、焊接部(bu)分(fen)与基体性(xing)能(neng)一致性差(cha)等(deng)难(nan)题(ti)。

  构建了(le)微(wei)观组织晶粒(li)预测(ce)方(fang)法，发(fa)现了(le)管(guan)材(cai)在(zai)不(bu)同(tong)温(wen)度下的组(zu)织(zhi)晶(jing)粒(li)的再结(jie)晶(jing)、晶粒长(zhang)大(da)等(deng)变(bian)化(hua)规律(lv)，实(shi)现了(le)晶(jing)粒度精(jing)确(que)控制(zhi)；建立激(ji)光超声波(bo)衰(shuai)减(jian)的晶粒(li)尺寸检(jian)测(ce)方(fang)法(fa)，实现(xian)了(le)管(guan)材(cai)微(wei)观晶粒尺寸的(de)在(zai)线实时(shi)检(jian)测(ce)；基于(yu)成形后(hou)的管材(cai)需进(jin)行热(re)处理(li)行为实(shi)现(xian)管件焊(han)缝(feng)与母材组织与(yu)性能(neng)的一(yi)致(zhi)性(xing)，研(yan)究双(shuang)相(xiang)不(bu)锈钢(gang)、镍基合金相变规则，阐明在不同(tong)温度(du)条(tiao)件(jian)下(xia)的(de)相(xiang)变(bian)特(te)征，构(gou)建可(ke)实现(xian)焊缝和基体性(xing)能(neng)一(yi)致性的(de)关(guan)键技术(shu)，结合CCT及(ji)TTT曲线(xian)，避(bi)免(mian)无效(xiao)及(ji)有害(hai)温度(du)，形(xing)成(cheng)典型(xing)双相(xiang)不锈(xiu)钢、镍(nie)基合(he)金的(de)热处(chu)理(li)工艺(yi)制度(du)。

图(tu)5 厚壁不(bu)锈(xiu)钢(gang)焊管热处(chu)理过程(cheng)组(zu)织晶(jing)粒(li)、析(xi)出(chu)相等(deng)演变机(ji)理

  创(chuang)新点(dian)五(wu)、研(yan)制出大口径厚壁(bi)不锈钢(gang)焊管成套(tao)装(zhuang)备，构建了(le)非(fei)对称(cheng)布置的板(ban)边预(yu)弯(wan)、管(guan)体(ti)连续(xu)折弯等关键(jian)结构(gou)形(xing)式(shi)，实现了工(gong)艺(yi)与设(she)备(bei)的集成创(chuang)新，形(xing)成(cheng)Φ219-Φ1219mm、壁(bi)厚80mm、长度(du)12500mm系列(lie)产品生(sheng)产(chan)技(ji)术(shu)，效(xiao)率(lv)提高(gao)2倍(bei)以(yi)上。

  发(fa)明(ming)出可连续往(wang)复切(qie)削的大(da)切削量(liang)铣边(bian)装备，构(gou)建(jian)快(kuai)速(su)响应厚壁焊管焊(han)缝倒角(jiao)大切(qie)削(xue)量(liang)需求的(de)多(duo)刀(dao)头切削方式(shi)与快速定宽(kuan)、定(ding)厚(hou)、刀(dao)头(tou)角度(du)调(diao)整(zheng)的结(jie)构形(xing)式，生(sheng)产效率提升(sheng)2倍以(yi)上(shang)；发明(ming)出厚壁(bi)焊(han)管(guan)板(ban)边(bian)预(yu)弯需求的错边(bian)非对称布置(zhi)形式与(yu)多(duo)曲面弧段(duan)组(zu)合(he)大(da)步(bu)长(zhang)弯(wan)曲方(fang)式(shi)，可(ke)实现模(mo)具(ju)快(kuai)速(su)调(diao)整(zheng)、更换(huan)的(de)步(bu)进(jin)式(shi)预弯，预弯(wan)边2800mm以上、模(mo)具(ju)投资(zi)为传统(tong)预弯装(zhuang)置(zhi)的40%；构建(jian)了(le)厚壁(bi)焊管(guan)管(guan)体弯(wan)曲需(xu)求(qiu)的高刚(gang)度“C”形结(jie)构布置(zhi)形式(shi)与大跨度双机组合(he)连(lian)续折弯设(she)备结构(gou)形式，发(fa)明(ming)出快(kuai)速(su)送(song)料(liao)、出料(liao)的双机同步(bu)联动(dong)的(de)强力(li)弯曲(qu)装(zhuang)备，机(ji)组(zu)能(neng)力(li)2×3000t、同(tong)步(bu)精度(du)达到(dao)±0.1mm；发明出(chu)厚(hou)壁(bi)焊管(guan)管体多(duo)自由度(du)合缝结构形(xing)式、消(xiao)除管体弯(wan)曲成形过(guo)程(cheng)遗(yi)留(liu)缺陷(xian)的(de)多轴合(he)缝纠(jiu)偏(pian)装(zhuang)备，实(shi)现(xian)智能(neng)焊(han)接降(jiang)低人(ren)为(wei)因素(su)、调(diao)速(su)范围(wei)为(wei)0.2m/s-0.7m/s。

图(tu)6 大(da)口径厚(hou)壁(bi)不锈钢(gang)焊(han)管(guan)高质(zhi)高(gao)效制(zhi)备(bei)的成(cheng)套(tao)装备

  应用(yong)情(qing)况与(yu)效果

  项目(mu)在国(guo)家(jia)973计划(hua)、国家自(zi)然科学(xue)基金(jin)、山西(xi)省(sheng)重大专(zhuan)项(xiang)、国(guo)家火(huo)炬计(ji)划(hua)产(chan)业化(hua)示范(fan)项目(mu)等(deng)重大专项的支撑(cheng)下(xia)，通过(guo)十(shi)多(duo)年(nian)联(lian)合(he)技(ji)术攻(gong)关(guan)，发明了(le)经济(ji)高效的JCOE连续(xu)制(zhi)管工(gong)艺的专有技(ji)术(shu)，拥(yong)有全(quan)部自主(zhu)知(zhi)识(shi)产(chan)权(quan)的首条大(da)口(kou)径厚壁(bi)不(bu)锈钢(gang)焊管装(zhuang)备，满足柔(rou)性(xing)生(sheng)产的(de)多规(gui)格(ge)、多品种(zhong)的要求。系(xi)列(lie)产品(pin)整体(ti)达到(dao)芬(fen)兰Outokumpu、韩国EEW公司(si)、德(de)国Butting同(tong)类(lei)产(chan)品水(shui)平，部分指(zhi)标优(you)于国外(wai)水(shui)平(ping)。本(ben)项目(mu)已(yi)获(huo)专利(li)59件(jian)（发(fa)明(ming)专(zhuan)利(li)30件(jian)），软件著作(zuo)权11件(jian)，论文59篇，起草(cao)了国(guo)家标(biao)准16项(xiang)。

  产品已应用于(yu)“一带一路(lu)”俄罗(luo)斯(si)亚马尔(er)LNG2液(ye)化(hua)天然(ran)气(qi)项(xiang)目(mu)、阿(a)尔及(ji)利亚国(guo)家(jia)石油(you)公司Kurvers Piping高(gao)硫(liu)原油输送管线(xian)项目(mu)、伊(yi)拉(la)克(ke)哈(ha)法亚CPF3项目(mu)以(yi)及(ji)山东LNG接收站、广(guang)西LNG接收站、天津LNG接(jie)收(shou)站(zhan)、浙江石化(hua)的(de)4000万吨/年(nian)炼化(hua)一(yi)体(ti)化项(xiang)目等230多项(xiang)大(da)中(zhong)型工(gong)程(cheng)项目，累(lei)计销(xiao)售近10万吨(dun)，实(shi)现销售(shou)24亿元(yuan)，利(li)税4.55亿元(yuan)，提(ti)升(sheng)我国(guo)不(bu)锈钢焊管产业(ye)整(zheng)体(ti)竞(jing)争(zheng)力，对提(ti)升高(gao)端(duan)装(zhuang)备制(zhi)造水(shui)平(ping)及(ji)国产(chan)化率(lv)有(you)较大现实意义(yi)。