研究的背(bei)景(jing)与(yu)问(wen)题

  海上(shang)油气(qi)进口(kou)和(he)海洋(yang)油气(qi)产业(ye)作(zuo)为我国(guo)海工(gong)装(zhuang)备制造业(ye)的(de)重要组(zu)成部分，在(zai)双(shuang)碳目标(biao)和(he)国(guo)内(nei)油气(qi)消费(fei)增(zeng)长(zhang)的背景下(xia)得(de)到快速(su)发展(zhan)，其生产(chan)、输(shu)送(song)环(huan)境(jing)恶(e)劣，在耐高压(ya)、-162℃超低(di)温(wen)、耐腐(fu)蚀及耐候性(xing)等(deng)方(fang)面要(yao)求更(geng)高。而(er)大口径(jing)厚(hou)壁(bi)不锈(xiu)钢焊(han)管(guan)因(yin)其具有(you)高强度、高(gao)耐腐(fu)蚀(shi)性及良(liang)好的低温(wen)塑(su)性，能(neng)克(ke)服(fu)极(ji)端温度(du)、高压、腐蚀(shi)极端(duan)环(huan)境(jing)，是我国海(hai)上油气(qi)进口(kou)和(he)开发不可或(huo)缺的(de)基础(chu)管材。因此，市(shi)场(chang)对大(da)口(kou)径不锈(xiu)钢(gang)焊管(guan)需求急剧增加，且管材大(da)量(liang)依(yi)靠(kao)进口，在交货期、技术(shu)性能(neng)、技(ji)术(shu)标准上(shang)均(jun)设(she)置门(men)槛(kan)，对我国(guo)相关行业(ye)形(xing)成壁垒(lei)。造(zao)成这种(zhong)局面的(de)原因(yin)有(you)以下三个方(fang)面：

  1、传统(tong)JCOE制备(bei)方式(shi)均(jun)应用于生产“黑(hei)材(cai)”，容易出(chu)现(xian)壁(bi)厚不均匀(yun)、开口度(du)不一(yi)致、圆(yuan)度不足(zu)等(deng)缺(que)陷，严重(zhong)的(de)将(jiang)出(chu)现(xian)不能(neng)修复而(er)报(bao)废(fei)，目前(qian)大口径厚(hou)壁不(bu)锈钢(gang)焊(han)管生产(chan)中(zhong)间环(huan)节(jie)繁冗(rong)，良品率(lv)低(di)，满(man)足不(bu)了多(duo)品(pin)种、多规格产品连续(xu)化生(sheng)产(chan)需(xu)求(qiu)。

  2、大口径厚壁(bi)不(bu)锈钢(gang)焊管因(yin)生产(chan)技(ji)术不(bu)成(cheng)熟(shu)，导(dao)致(zhi)在(zai)服役(yi)过程中(zhong)极易出现“跑(pao)”、“冒”、“滴”、“漏”等(deng)现象(xiang)，产品(pin)性能(neng)难以满足极(ji)端环境(jing)需求，而油气(qi)输送管(guan)路(lu)对尺寸(cun)与低温(wen)韧性要(yao)求(qiu)更加(jia)严(yan)格，因(yin)此(ci)重(zhong)点开展关键(jian)技(ji)术研究是(shi)提升管材服役行(xing)为(wei)的(de)重要手段(duan)。

  3、目(mu)前(qian)国(guo)内(nei)拥有的设备均(jun)是从(cong)国外(wai)进(jin)口或者国内单台(tai)设备按(an)工(gong)序组成(cheng)离散(san)型产(chan)线(xian)，设(she)备价(jia)格(ge)昂(ang)贵(gui)，缺(que)少(shao)自(zi)主研(yan)发(fa)的(de)经验(yan)与能(neng)力(li)。因(yin)此(ci)需要结(jie)合大口(kou)径(jing)厚(hou)壁不锈钢焊(han)管(guan)成形理(li)论、工艺的(de)研(yan)究(jiu)，提出(chu)与(yu)产(chan)线(xian)需求一致(zhi)的装(zhuang)备(bei)结构形式与(yu)生产能(neng)力，打破(po)大(da)口径(jing)厚(hou)壁(bi)不锈(xiu)钢焊(han)管(guan)装(zhuang)备(bei)依(yi)赖进(jin)口的现(xian)状。

  主(zhu)要(yao)创(chuang)新(xin)内(nei)容

  项(xiang)目团(tuan)队经过(guo)十(shi)多(duo)年的联(lian)合攻关，解(jie)决(jue)了(le)成形与(yu)焊(han)接(jie)的问(wen)题(ti)，在(zai)此(ci)基础上辅助制(zhi)备(bei)工(gong)艺、热(re)处理技(ji)术(shu)以(yi)及与(yu)之匹(pi)配的装(zhuang)备。构(gou)建弯(wan)曲成(cheng)形(xing)、连续焊接协同(tong)加工体系，解(jie)决管体成(cheng)形与(yu)焊接性能(neng)一致性(xing)的问题，融(rong)合合理(li)的工艺制度(du)、热处理技术(shu)以(yi)及(ji)与(yu)之匹配的装备，制备出满足市(shi)场需(xu)求(qiu)的大口径(jing)厚壁(bi)不(bu)锈(xiu)钢直缝焊管。其(qi)总体(ti)思(si)路(lu)如(ru)图1所(suo)示(shi)。

图(tu)1 大口径厚壁不(bu)锈(xiu)钢(gang)焊(han)管总(zong)体(ti)思路

  创(chuang)新点一、基(ji)于厚壁(bi)板(ban)材(cai)中(zhong)性(xing)层偏移(yi)、弯(wan)曲回弹(dan)、包辛格效(xiao)应(ying)理论(lun)，构建了获(huo)得板(ban)边(bian)预弯(wan)、管(guan)体(ti)连(lian)续(xu)折弯(wan)与(yu)精(jing)整(zheng)成(cheng)形方法，为(wei)工艺制(zhi)定和(he)装备(bei)研发(fa)提(ti)供了(le)理论(lun)依据，形成(cheng)不(bu)同(tong)规(gui)格(ge)产品单道次折(zhe)弯(wan)过(guo)程(cheng)中(zhong)性层偏(pian)移(yi)量（板厚6%-18%）、回(hui)弹(dan)（板厚(hou)0.8%）等精准(zhun)控制(zhi)，解决了(le)管体折弯成(cheng)形过(guo)程尺寸(cun)偏差与缺陷难题。

  开展应(ying)力(li)中(zhong)性层(ceng)与几何中(zhong)心(xin)层偏移规(gui)律(lv)研究(jiu)，构建(jian)基于厚(hou)度(du)强(qiang)化模(mo)型的中(zhong)性(xing)层(ceng)偏(pian)移方法，可辅助预(yu)测(ce)管体折弯(wan)过(guo)程(cheng)每(mei)道(dao)次管(guan)壁减薄(bao)量(liang)以(yi)及(ji)管径(jing)延(yan)伸(shen)量(liang)，实现(xian)原始坯料(liao)精确(que)定(ding)宽；开(kai)展板(ban)材(cai)弯(wan)曲(qu)成形(xing)过(guo)程回弹机制研究，构(gou)建可(ke)有(you)效(xiao)控(kong)制(zhi)折弯(wan)角度的方法(fa)，回弹量(liang)平均(jun)值约(yue)为板厚的0.8%左右，实现了(le)板坯(pi)折(zhe)弯(wan)卸(xie)载(zai)后(hou)回弹(dan)量(liang)的精(jing)确(que)预(yu)测(ce)，有(you)效避(bi)免(mian)管(guan)体(ti)成(cheng)形出(chu)现焊缝(feng)开口较大(da)、周(zhou)向(xiang)圆(yuan)度(du)不良(liang)缺(que)陷；开(kai)展(zhan)板(ban)材(cai)弯(wan)曲过(guo)程(cheng)加(jia)/卸载(zai)过(guo)程中包(bao)辛格(ge)效(xiao)应(ying)研究，构(gou)建(jian)厚板(ban)弯(wan)曲包辛格(ge)效应方法，与实际(ji)测量误(wu)差小(xiao)于10%，为厚壁(bi)不锈(xiu)钢焊管JCOE成(cheng)形(xing)工(gong)序(xu)中(zhong)管体预(yu)弯(wan)、连(lian)续折(zhe)弯(wan)成(cheng)形工(gong)艺制定(ding)提供(gong)技术(shu)依(yi)据(ju)。 

图2 厚(hou)壁(bi)板(ban)材(cai)中性(xing)层(ceng)偏(pian)移、弯曲回(hui)弹(dan)、包(bao)辛格效应(ying)等(deng)方法(fa)

  创(chuang)新(xin)点二(er)、研(yan)究了管(guan)体成形过程关(guan)键(jian)工(gong)序(xu)模(mo)具构(gou)型(xing)，揭(jie)示(shi)了(le)不(bu)同(tong)材质、规格(ge)产品(pin)成(cheng)形过(guo)程(cheng)的变(bian)形(xing)规(gui)律，获(huo)得满足生(sheng)产(chan)需求(qiu)的成形(xing)工艺(yi)技(ji)术(shu)体(ti)系(xi)，解决(jue)了成形过程(cheng)中产(chan)生(sheng)缺陷等(deng)技(ji)术难(nan)题(ti)。

开展预弯(wan)模(mo)具对(dui)大(da)口径厚(hou)壁焊(han)管在(zai)预弯阶(jie)段的影(ying)响(xiang)规律研究，制定(ding)出(chu)满(man)足(zu)大口(kou)径(jing)不锈钢直缝(feng)焊管预弯(wan)阶(jie)段的成形(xing)工艺。构(gou)建可(ke)满(man)足不(bu)同直(zhi)径、壁(bi)厚(hou)管材的(de)板(ban)坯(pi)预弯(wan)成形凹凸(tu)模具(ju)，基(ji)于管(guan)坯(pi)直边弧(hu)边转(zhuan)变(bian)区(qu)域(yu)的预弯(wan)模具(ju)过(guo)渡(du)段(duan)、上(shang)下(xia)模(mo)具相(xiang)位(wei)差优(you)化设计方(fang)法(fa)，板(ban)材厚度每(mei)增加(jia)10mm，过渡(du)段角度(du)增(zeng)加(jia)1°，过渡(du)段(duan)弯曲(qu)量(liang)增加9mm左右(you)，有效实现(xian)下模行(xing)走(zou)行(xing)程(cheng)与加(jia)载方式精准(zhun)控制(zhi)，实现(xian)了不同(tong)直径管体成(cheng)形一(yi)模(mo)多用(yong)的效果；开(kai)展(zhan)板材(cai)折(zhe)弯成形过(guo)程(cheng)步(bu)进(jin)式连(lian)续弯曲(qu)成形研究(jiu)，优(you)化(hua)了(le)上(shang)模(mo)具压(ya)下量(liang)、下(xia)模(mo)具(ju)开(kai)口(kou)度(du)及下压(ya)道次等(deng)工(gong)艺参(can)数，折(zhe)弯(wan)成(cheng)形(xing)上模(mo)具压下(xia)量(liang)和(he)下模(mo)开口度、折(zhe)弯(wan)道次(ci)优化设(she)计方法，提高(gao)了管体(ti)尺(chi)寸精度(du)，满足不同规格(ge)管(guan)体生产的最优(you)折(zhe)弯成(cheng)形(xing)工艺要求，实现(xian)了(le)管(guan)体(ti)制(zhi)备(bei)阶(jie)段(duan)高效化、精确(que)化(hua)；开(kai)展预(yu)整形机(ji)多自(zi)由度(du)合缝研(yan)究，优化(hua)了(le)合(he)缝(feng)辊(gun)位置(zhi)、轴(zhou)向(xiang)压(ya)下(xia)角(jiao)度的调(diao)节(jie)工(gong)艺，构建(jian)基(ji)于不(bu)同开(kai)口(kou)度(du)预(yu)整形(xing)调(diao)整方法(fa)与关(guan)键(jian)技(ji)术、“桃形(xing)”“梨形(xing)”“错(cuo)边”等特殊缺陷(xian)优(you)化机(ji)理(li)，实(shi)现了管体(ti)焊缝(feng)精(jing)准(zhun)对接，提(ti)高(gao)管(guan)体(ti)成形质量。 

图(tu)3 管(guan)体成(cheng)形过(guo)程(cheng)关键工序(xu)模(mo)具构(gou)形设(she)计方法(fa)与(yu)工(gong)艺(yi)调控技术

  创新点(dian)三(san)、开(kai)发了(le)焊接(jie)熔(rong)池与(yu)焊缝(feng)图像(xiang)智(zhi)能(neng)识别(bie)跟(gen)踪、焊缝成形(xing)智能工(gong)艺控(kong)制(zhi)技(ji)术、焊(han)缝质量的全流(liu)程(cheng)监(jian)控与动(dong)态优(you)化(hua)技(ji)术(shu)，熔(rong)池(chi)形(xing)态(tai)识(shi)别正(zheng)确(que)率达(da)96.34%，焊缝(feng)缺陷识别(bie)和(he)检测(ce)准确率达(da)95%以(yi)上(shang)，焊(han)接(jie)成本降低30%以上(shang)，效率提(ti)高(gao)10倍。

  开(kai)发(fa)出(chu)满足大(da)直径(jing)厚壁焊管焊(han)接需(xu)求(qiu)的高(gao)效低(di)成(cheng)本深(shen)熔(rong)焊(han)接方(fang)法(fa)及工(gong)艺技术，开展深(shen)熔TIG焊接(jie)成形过程(cheng)力学分析，利(li)用(yong)热(re)流(liu)固耦(ou)合(he)进行(xing)深(shen)熔(rong)TIG焊接(jie)数(shu)值(zhi)模(mo)拟，获得(de)了深(shen)熔TIG焊接成(cheng)形(xing)过(guo)程(cheng)工艺(yi)；构建基(ji)于焊(han)缝(feng)熔池及凝固成(cheng)形后(hou)焊(han)缝(feng)形状的捕捉(zhuo)系(xi)统，获(huo)得了焊(han)接熔(rong)池与焊缝图像(xiang)智(zhi)能识别(bie)技术(shu)；开展基于视觉(jue)传感、电(dian)压(ya)电(dian)流(liu)多(duo)信(xin)息(xi)融合(he)的熔(rong)池特(te)征数据采(cai)集系统研(yan)究(jiu)，掌(zhang)握(wo)焊缝跟(gen)踪(zong)、焊(han)缝(feng)成形(xing)控(kong)制与(yu)焊(han)接过(guo)程(cheng)补(bu)偿(chang)技(ji)术(shu)，熔池形(xing)态识别方(fang)面(mian)正确率达96.34%，准(zhun)确率(lv)和(he)检测(ce)效(xiao)率(lv)达95%以上，获得焊接过(guo)程(cheng)焊缝(feng)成(cheng)形(xing)质(zhi)量智能(neng)控(kong)制(zhi)，准(zhun)确(que)的预测熔池(chi)力(li)学行为及熔宽形(xing)貌，确(que)保(bao)了(le)厚(hou)壁焊管(guan)焊(han)缝质量(liang)与(yu)基体不锈(xiu)钢材(cai)料的性能一(yi)致(zhi)性(xing)，提(ti)高焊接(jie)质量及(ji)焊接效率(lv)。

图(tu)4 管(guan)体厚壁不(bu)锈钢(gang)焊(han)管图像动(dong)态(tai)识别、智能补偿的高效(xiao)焊(han)接(jie)方法

  创(chuang)新点四(si)、开发了可实现(xian)焊(han)缝(feng)与(yu)母材(cai)性能(neng)一致性调(diao)控(kong)、晶(jing)粒(li)尺寸(cun)在线检(jian)测(ce)方法(fa)等关键(jian)技(ji)术，实现了管(guan)材热(re)处(chu)理过(guo)程组(zu)织(zhi)性能与析出相(xiang)的动(dong)态(tai)调(diao)控，在(zai)线(xian)晶(jing)粒(li)度误差(cha)小(xiao)于10%，解决了晶(jing)粒(li)度预(yu)测(ce)难、焊(han)缝(feng)开裂(lie)、焊接部分(fen)与(yu)基(ji)体(ti)性能一致(zhi)性(xing)差等难题。

  构建(jian)了(le)微(wei)观(guan)组(zu)织晶(jing)粒预(yu)测方(fang)法(fa)，发(fa)现了管材在不(bu)同(tong)温(wen)度(du)下(xia)的(de)组织晶粒(li)的(de)再(zai)结(jie)晶(jing)、晶粒长大(da)等变(bian)化(hua)规律，实(shi)现了(le)晶粒度精确控(kong)制(zhi)；建(jian)立激(ji)光(guang)超(chao)声(sheng)波衰减(jian)的(de)晶粒尺(chi)寸(cun)检(jian)测(ce)方法(fa)，实(shi)现了管(guan)材微(wei)观晶粒尺(chi)寸(cun)的(de)在(zai)线(xian)实(shi)时检测；基于(yu)成(cheng)形(xing)后的(de)管材(cai)需进(jin)行热(re)处理行(xing)为实现(xian)管件焊缝(feng)与母(mu)材组织(zhi)与(yu)性(xing)能(neng)的(de)一致性(xing)，研究(jiu)双相(xiang)不锈钢、镍基(ji)合金(jin)相变(bian)规则，阐明在(zai)不(bu)同(tong)温度(du)条(tiao)件(jian)下的(de)相变特征，构(gou)建可实现(xian)焊(han)缝(feng)和(he)基(ji)体(ti)性(xing)能(neng)一致性(xing)的(de)关(guan)键(jian)技术，结(jie)合(he)CCT及TTT曲线(xian)，避(bi)免(mian)无效及有害温度，形(xing)成(cheng)典型(xing)双(shuang)相(xiang)不(bu)锈钢(gang)、镍(nie)基(ji)合金的(de)热(re)处(chu)理(li)工艺制度。

图(tu)5 厚壁不(bu)锈钢焊管(guan)热(re)处(chu)理(li)过程(cheng)组(zu)织晶(jing)粒(li)、析(xi)出相(xiang)等演变(bian)机(ji)理

  创新(xin)点五、研制出大口(kou)径(jing)厚(hou)壁(bi)不(bu)锈钢焊(han)管成(cheng)套装(zhuang)备(bei)，构(gou)建(jian)了非(fei)对(dui)称布置的(de)板(ban)边(bian)预(yu)弯、管(guan)体(ti)连续(xu)折弯(wan)等关键结(jie)构形式(shi)，实(shi)现了(le)工艺(yi)与设备(bei)的(de)集成(cheng)创(chuang)新(xin)，形(xing)成Φ219-Φ1219mm、壁(bi)厚(hou)80mm、长度12500mm系列(lie)产品生产技术(shu)，效率(lv)提高(gao)2倍以上(shang)。

  发明(ming)出(chu)可(ke)连续(xu)往复切(qie)削的(de)大切(qie)削量(liang)铣边(bian)装(zhuang)备，构(gou)建快(kuai)速响应厚壁(bi)焊管(guan)焊缝(feng)倒(dao)角大(da)切(qie)削(xue)量需求的多刀(dao)头(tou)切(qie)削方式与快(kuai)速(su)定宽、定厚、刀头(tou)角度调(diao)整的(de)结(jie)构形(xing)式，生(sheng)产效率提升2倍(bei)以上；发(fa)明(ming)出(chu)厚(hou)壁焊管板(ban)边预(yu)弯(wan)需(xu)求(qiu)的(de)错边非(fei)对称布置形式与多(duo)曲面弧段组(zu)合(he)大(da)步(bu)长弯曲方(fang)式，可(ke)实(shi)现模(mo)具(ju)快速调(diao)整(zheng)、更换(huan)的(de)步(bu)进式预弯(wan)，预(yu)弯边(bian)2800mm以上、模具(ju)投资为(wei)传统预(yu)弯装(zhuang)置(zhi)的40%；构(gou)建了厚壁(bi)焊管(guan)管(guan)体(ti)弯(wan)曲(qu)需求(qiu)的高(gao)刚度“C”形(xing)结(jie)构布(bu)置形(xing)式与大(da)跨(kua)度(du)双机(ji)组(zu)合(he)连(lian)续(xu)折弯(wan)设备(bei)结(jie)构(gou)形(xing)式，发(fa)明出(chu)快速(su)送料、出(chu)料(liao)的(de)双(shuang)机同(tong)步联(lian)动(dong)的强(qiang)力(li)弯(wan)曲装备(bei)，机(ji)组能力2×3000t、同步精度达到(dao)±0.1mm；发(fa)明出(chu)厚(hou)壁焊(han)管(guan)管体多自(zi)由度(du)合(he)缝(feng)结构(gou)形式(shi)、消除(chu)管体(ti)弯曲成(cheng)形过程遗(yi)留缺(que)陷的多轴合(he)缝(feng)纠偏(pian)装(zhuang)备(bei)，实现智能(neng)焊接(jie)降低(di)人(ren)为因素(su)、调速(su)范(fan)围(wei)为0.2m/s-0.7m/s。

图6 大口(kou)径(jing)厚(hou)壁不(bu)锈钢(gang)焊(han)管(guan)高(gao)质(zhi)高(gao)效制备的成(cheng)套装备(bei)

  应用情(qing)况(kuang)与(yu)效果(guo)

  项目在国(guo)家973计划(hua)、国(guo)家(jia)自(zi)然(ran)科学(xue)基(ji)金(jin)、山(shan)西(xi)省重大专项(xiang)、国家(jia)火炬(ju)计(ji)划产业(ye)化(hua)示范(fan)项(xiang)目等(deng)重大(da)专(zhuan)项的(de)支撑(cheng)下，通(tong)过十多年联合技(ji)术攻(gong)关，发明(ming)了经(jing)济高效(xiao)的(de)JCOE连(lian)续(xu)制(zhi)管工艺(yi)的专有(you)技术，拥有(you)全(quan)部(bu)自主(zhu)知(zhi)识(shi)产权(quan)的(de)首条(tiao)大口(kou)径(jing)厚(hou)壁(bi)不锈(xiu)钢(gang)焊管(guan)装(zhuang)备，满(man)足柔性(xing)生(sheng)产的(de)多规格(ge)、多(duo)品(pin)种的(de)要求(qiu)。系(xi)列产品整(zheng)体(ti)达(da)到芬兰(lan)Outokumpu、韩国EEW公(gong)司(si)、德(de)国Butting同类(lei)产品(pin)水(shui)平，部分(fen)指标(biao)优(you)于国(guo)外(wai)水(shui)平。本(ben)项(xiang)目(mu)已获专(zhuan)利(li)59件（发明专(zhuan)利30件），软件著作权11件，论文59篇，起(qi)草了国(guo)家(jia)标(biao)准(zhun)16项。

  产(chan)品(pin)已应用于“一带(dai)一路(lu)”俄(e)罗(luo)斯(si)亚(ya)马尔LNG2液化(hua)天然(ran)气项目、阿(a)尔(er)及(ji)利亚国(guo)家(jia)石油(you)公司Kurvers Piping高(gao)硫原(yuan)油(you)输(shu)送管线项(xiang)目、伊拉克(ke)哈(ha)法(fa)亚(ya)CPF3项(xiang)目(mu)以(yi)及(ji)山东(dong)LNG接(jie)收站(zhan)、广西LNG接(jie)收站(zhan)、天津LNG接收(shou)站(zhan)、浙(zhe)江石(shi)化(hua)的4000万(wan)吨(dun)/年(nian)炼(lian)化一(yi)体(ti)化项目(mu)等(deng)230多项(xiang)大中型(xing)工程(cheng)项目，累计(ji)销售近10万吨(dun)，实(shi)现销售(shou)24亿(yi)元(yuan)，利税4.55亿元，提升(sheng)我国(guo)不(bu)锈(xiu)钢(gang)焊(han)管(guan)产(chan)业整(zheng)体竞争力，对提(ti)升高(gao)端装备(bei)制造水(shui)平(ping)及国(guo)产化(hua)率有较(jiao)大(da)现实意义(yi)。