研(yan)究的背景与问题

  海(hai)上(shang)油(you)气进口(kou)和海(hai)洋(yang)油(you)气产(chan)业(ye)作为(wei)我(wo)国(guo)海工装(zhuang)备(bei)制造业的(de)重要组(zu)成部分(fen)，在双(shuang)碳目(mu)标和国内油(you)气(qi)消(xiao)费(fei)增长(zhang)的(de)背(bei)景(jing)下得(de)到快速(su)发展(zhan)，其(qi)生产(chan)、输送(song)环境恶(e)劣，在(zai)耐(nai)高(gao)压(ya)、-162℃超低(di)温(wen)、耐(nai)腐蚀(shi)及(ji)耐(nai)候性(xing)等(deng)方(fang)面要求更(geng)高(gao)。而大(da)口径(jing)厚(hou)壁不锈(xiu)钢(gang)焊(han)管(guan)因(yin)其(qi)具(ju)有高(gao)强(qiang)度、高(gao)耐腐(fu)蚀性及良(liang)好的(de)低温塑性(xing)，能(neng)克服(fu)极端(duan)温(wen)度、高压(ya)、腐(fu)蚀(shi)极(ji)端(duan)环(huan)境(jing)，是我(wo)国海上(shang)油气(qi)进(jin)口(kou)和开发(fa)不可或缺(que)的(de)基(ji)础管材。因此(ci)，市(shi)场对大(da)口径不(bu)锈钢(gang)焊管需求(qiu)急(ji)剧增加(jia)，且管材大(da)量依(yi)靠(kao)进口(kou)，在交货期(qi)、技(ji)术(shu)性能、技术标准上均设置门槛(kan)，对(dui)我国相关行业形成壁垒(lei)。造(zao)成(cheng)这(zhe)种(zhong)局面(mian)的原(yuan)因(yin)有(you)以(yi)下三个(ge)方(fang)面：

  1、传(chuan)统JCOE制(zhi)备方式(shi)均(jun)应(ying)用(yong)于生(sheng)产“黑(hei)材”，容易出现壁厚(hou)不均(jun)匀(yun)、开(kai)口度不一(yi)致、圆(yuan)度(du)不足(zu)等(deng)缺(que)陷(xian)，严重的将(jiang)出现(xian)不(bu)能(neng)修(xiu)复而报废，目前(qian)大口(kou)径厚(hou)壁不(bu)锈钢(gang)焊(han)管(guan)生产中间环(huan)节(jie)繁冗(rong)，良(liang)品(pin)率低(di)，满(man)足(zu)不了(le)多品(pin)种(zhong)、多(duo)规格产品(pin)连续化(hua)生产需(xu)求(qiu)。

  2、大口(kou)径厚壁不锈(xiu)钢焊管因(yin)生产(chan)技(ji)术不成熟，导致在(zai)服(fu)役(yi)过程(cheng)中极易(yi)出(chu)现“跑”、“冒(mao)”、“滴(di)”、“漏(lou)”等(deng)现象，产(chan)品(pin)性(xing)能难以满足(zu)极端(duan)环境需求(qiu)，而油气输(shu)送管路(lu)对(dui)尺(chi)寸与(yu)低(di)温韧(ren)性要(yao)求更加严(yan)格(ge)，因(yin)此重(zhong)点开(kai)展(zhan)关键(jian)技术(shu)研(yan)究(jiu)是(shi)提(ti)升管(guan)材(cai)服(fu)役行为的(de)重(zhong)要(yao)手段(duan)。

  3、目(mu)前(qian)国(guo)内拥有的设备均是从国(guo)外(wai)进口或(huo)者国内(nei)单台设(she)备(bei)按(an)工序(xu)组成离散型(xing)产(chan)线(xian)，设备价格(ge)昂(ang)贵(gui)，缺(que)少自主(zhu)研发(fa)的经验与能(neng)力。因此需(xu)要结(jie)合大(da)口径厚(hou)壁不锈(xiu)钢焊管(guan)成形理(li)论(lun)、工艺的研(yan)究，提出与产线需求(qiu)一(yi)致的(de)装备结(jie)构形(xing)式(shi)与生产能力，打破(po)大(da)口径厚壁不锈钢焊(han)管装(zhuang)备(bei)依赖(lai)进(jin)口的(de)现状。

  主(zhu)要(yao)创新内(nei)容(rong)

  项目(mu)团(tuan)队(dui)经过十(shi)多(duo)年(nian)的(de)联(lian)合(he)攻关，解决了成(cheng)形(xing)与焊接的问题(ti)，在(zai)此(ci)基(ji)础(chu)上辅(fu)助制(zhi)备(bei)工艺(yi)、热处理技(ji)术以及与之(zhi)匹(pi)配的装备(bei)。构(gou)建弯曲(qu)成形(xing)、连(lian)续焊(han)接协(xie)同加工(gong)体系(xi)，解决管体成(cheng)形与焊接性能(neng)一致(zhi)性(xing)的(de)问题，融合合(he)理的(de)工(gong)艺制度(du)、热(re)处理(li)技(ji)术(shu)以(yi)及(ji)与之匹(pi)配(pei)的装(zhuang)备，制(zhi)备(bei)出(chu)满(man)足市场(chang)需(xu)求的大口径(jing)厚壁(bi)不(bu)锈钢直(zhi)缝(feng)焊管。其(qi)总(zong)体思(si)路(lu)如(ru)图1所(suo)示(shi)。

图(tu)1 大口(kou)径厚壁(bi)不(bu)锈(xiu)钢焊(han)管总(zong)体(ti)思路

  创(chuang)新点一、基于(yu)厚(hou)壁(bi)板(ban)材(cai)中性层偏移、弯(wan)曲(qu)回(hui)弹、包(bao)辛(xin)格(ge)效应(ying)理论(lun)，构(gou)建了(le)获得板(ban)边(bian)预弯、管(guan)体(ti)连(lian)续(xu)折(zhe)弯(wan)与(yu)精(jing)整(zheng)成形方(fang)法，为工艺(yi)制定(ding)和装备(bei)研(yan)发(fa)提供(gong)了(le)理论依(yi)据(ju)，形成不(bu)同(tong)规格产品(pin)单道(dao)次折弯过程(cheng)中(zhong)性层偏移量(liang)（板(ban)厚6%-18%）、回(hui)弹(dan)（板(ban)厚0.8%）等(deng)精准(zhun)控制，解决了(le)管(guan)体折弯(wan)成形过程(cheng)尺寸(cun)偏差(cha)与缺(que)陷(xian)难(nan)题。

  开(kai)展应(ying)力(li)中(zhong)性(xing)层(ceng)与几何中心(xin)层(ceng)偏(pian)移(yi)规律研(yan)究，构建基(ji)于厚度强(qiang)化模(mo)型的(de)中(zhong)性(xing)层(ceng)偏(pian)移方(fang)法，可辅(fu)助(zhu)预(yu)测(ce)管(guan)体折弯(wan)过程每道次(ci)管壁(bi)减薄(bao)量(liang)以(yi)及管径延伸(shen)量，实现(xian)原(yuan)始(shi)坯(pi)料精(jing)确(que)定(ding)宽；开展板(ban)材弯曲(qu)成形过(guo)程(cheng)回(hui)弹机(ji)制(zhi)研(yan)究，构建可有(you)效控制(zhi)折(zhe)弯(wan)角度的方法，回弹量(liang)平(ping)均值约(yue)为(wei)板(ban)厚(hou)的0.8%左(zuo)右，实现(xian)了(le)板(ban)坯折弯(wan)卸载后回(hui)弹量的(de)精(jing)确预(yu)测，有(you)效避(bi)免管体(ti)成形(xing)出(chu)现(xian)焊缝(feng)开(kai)口(kou)较大、周向圆度(du)不良缺(que)陷；开(kai)展板材弯(wan)曲过程加/卸(xie)载过(guo)程(cheng)中包(bao)辛(xin)格效(xiao)应研究，构建厚板(ban)弯(wan)曲包(bao)辛格效(xiao)应方法，与实际测(ce)量误(wu)差(cha)小于(yu)10%，为厚(hou)壁(bi)不锈(xiu)钢焊(han)管JCOE成形(xing)工序中管体预弯、连续(xu)折(zhe)弯成形工(gong)艺制定(ding)提供(gong)技(ji)术依据。 

图(tu)2 厚(hou)壁(bi)板(ban)材中性层偏移、弯(wan)曲回弹、包(bao)辛(xin)格效(xiao)应等方(fang)法

  创(chuang)新(xin)点二(er)、研究(jiu)了管体(ti)成形过程(cheng)关(guan)键工序模(mo)具构型，揭(jie)示了不(bu)同材质(zhi)、规格(ge)产品(pin)成形过(guo)程(cheng)的变形规律(lv)，获得满(man)足(zu)生产需求(qiu)的(de)成(cheng)形工(gong)艺技(ji)术(shu)体(ti)系，解(jie)决了成(cheng)形过程(cheng)中产生(sheng)缺陷(xian)等技(ji)术(shu)难题(ti)。

开(kai)展(zhan)预(yu)弯模具对大口径(jing)厚(hou)壁焊(han)管在(zai)预(yu)弯(wan)阶(jie)段(duan)的影(ying)响规律(lv)研(yan)究，制(zhi)定(ding)出(chu)满(man)足(zu)大(da)口径不锈(xiu)钢直缝(feng)焊(han)管预(yu)弯(wan)阶段(duan)的成形工(gong)艺。构建(jian)可(ke)满(man)足(zu)不同直径、壁厚管材的板坯(pi)预弯成(cheng)形凹凸模具(ju)，基于管(guan)坯直(zhi)边(bian)弧(hu)边转(zhuan)变(bian)区(qu)域的(de)预弯模(mo)具(ju)过(guo)渡段(duan)、上(shang)下模(mo)具(ju)相(xiang)位差(cha)优(you)化(hua)设计(ji)方(fang)法，板材厚度(du)每(mei)增加10mm，过渡段(duan)角度(du)增(zeng)加1°，过(guo)渡(du)段(duan)弯曲量增加(jia)9mm左(zuo)右，有(you)效(xiao)实(shi)现下(xia)模(mo)行走(zou)行程(cheng)与(yu)加(jia)载方式(shi)精(jing)准控制(zhi)，实现(xian)了不同(tong)直径管(guan)体成形(xing)一模(mo)多(duo)用(yong)的效(xiao)果(guo)；开(kai)展(zhan)板(ban)材折弯(wan)成形过程(cheng)步进式(shi)连续(xu)弯曲(qu)成(cheng)形研究，优(you)化(hua)了(le)上(shang)模(mo)具(ju)压(ya)下量(liang)、下模具(ju)开口(kou)度(du)及下压(ya)道次(ci)等(deng)工艺参数(shu)，折弯成(cheng)形上(shang)模具压下量(liang)和(he)下(xia)模开(kai)口(kou)度(du)、折(zhe)弯道次优化(hua)设计(ji)方(fang)法，提高了管(guan)体尺(chi)寸(cun)精(jing)度(du)，满(man)足(zu)不同(tong)规(gui)格(ge)管(guan)体生产的(de)最(zui)优折弯成(cheng)形(xing)工(gong)艺要(yao)求(qiu)，实现(xian)了管体制(zhi)备(bei)阶(jie)段高效(xiao)化、精确化；开展预(yu)整(zheng)形(xing)机多自由(you)度合缝(feng)研究(jiu)，优(you)化了合缝辊位(wei)置、轴向(xiang)压下(xia)角(jiao)度的(de)调(diao)节(jie)工艺(yi)，构建基(ji)于(yu)不同(tong)开(kai)口(kou)度预整形(xing)调(diao)整(zheng)方(fang)法与(yu)关键技(ji)术、“桃(tao)形(xing)”“梨(li)形(xing)”“错(cuo)边(bian)”等特殊(shu)缺(que)陷优化(hua)机理(li)，实(shi)现(xian)了(le)管(guan)体(ti)焊缝精(jing)准对接(jie)，提(ti)高(gao)管体(ti)成(cheng)形质量(liang)。 

图(tu)3 管(guan)体成(cheng)形(xing)过(guo)程(cheng)关(guan)键工序(xu)模具(ju)构(gou)形设计(ji)方(fang)法与工艺调(diao)控技术

  创(chuang)新(xin)点三、开发(fa)了(le)焊接(jie)熔(rong)池与(yu)焊(han)缝图(tu)像智(zhi)能(neng)识(shi)别(bie)跟踪、焊(han)缝(feng)成(cheng)形智(zhi)能工(gong)艺控(kong)制(zhi)技(ji)术(shu)、焊缝(feng)质(zhi)量(liang)的全(quan)流(liu)程监(jian)控与动(dong)态(tai)优化技(ji)术，熔池形(xing)态识(shi)别正确(que)率(lv)达(da)96.34%，焊缝(feng)缺(que)陷(xian)识(shi)别(bie)和检(jian)测准(zhun)确(que)率(lv)达(da)95%以上，焊接(jie)成(cheng)本(ben)降(jiang)低(di)30%以(yi)上(shang)，效(xiao)率(lv)提(ti)高(gao)10倍。

  开(kai)发出(chu)满(man)足(zu)大(da)直(zhi)径厚(hou)壁焊管焊接(jie)需求的(de)高(gao)效低(di)成(cheng)本深熔焊(han)接方法及(ji)工艺技(ji)术，开(kai)展(zhan)深熔(rong)TIG焊(han)接成(cheng)形(xing)过(guo)程(cheng)力学分析，利(li)用热(re)流固耦合进行(xing)深熔(rong)TIG焊(han)接(jie)数值模(mo)拟，获得了深熔(rong)TIG焊(han)接(jie)成形(xing)过程(cheng)工(gong)艺(yi)；构(gou)建(jian)基(ji)于(yu)焊缝熔(rong)池(chi)及凝固成(cheng)形(xing)后焊缝(feng)形状(zhuang)的(de)捕(bu)捉系统(tong)，获得(de)了焊接(jie)熔池(chi)与焊缝图像(xiang)智能识(shi)别(bie)技(ji)术；开(kai)展基于(yu)视(shi)觉(jue)传(chuan)感、电压电流(liu)多(duo)信息(xi)融(rong)合的(de)熔池特征(zheng)数(shu)据采集系(xi)统(tong)研究(jiu)，掌握焊缝跟(gen)踪、焊(han)缝成(cheng)形(xing)控(kong)制(zhi)与焊(han)接过(guo)程(cheng)补(bu)偿(chang)技术(shu)，熔池形(xing)态(tai)识(shi)别方面正确率达(da)96.34%，准确(que)率和检(jian)测效率达95%以上(shang)，获得(de)焊接(jie)过(guo)程(cheng)焊(han)缝(feng)成(cheng)形(xing)质量(liang)智(zhi)能控(kong)制(zhi)，准(zhun)确(que)的预(yu)测熔池(chi)力(li)学(xue)行为及(ji)熔(rong)宽(kuan)形貌，确(que)保(bao)了厚(hou)壁(bi)焊管(guan)焊(han)缝质量与(yu)基体不(bu)锈(xiu)钢(gang)材料(liao)的(de)性能(neng)一(yi)致(zhi)性，提(ti)高焊接(jie)质(zhi)量(liang)及(ji)焊(han)接效(xiao)率(lv)。

图4 管体厚(hou)壁(bi)不锈(xiu)钢(gang)焊(han)管图像(xiang)动(dong)态识别(bie)、智(zhi)能补(bu)偿的高(gao)效(xiao)焊接方法(fa)

  创新点四、开发(fa)了(le)可实(shi)现焊缝与母(mu)材性能(neng)一(yi)致(zhi)性调控、晶粒尺(chi)寸(cun)在(zai)线检(jian)测(ce)方法等关键技(ji)术(shu)，实现了(le)管材热处理过程(cheng)组(zu)织性(xing)能与(yu)析(xi)出(chu)相的(de)动态调(diao)控(kong)，在线(xian)晶粒度(du)误差小(xiao)于(yu)10%，解决了(le)晶(jing)粒度(du)预测难(nan)、焊缝开(kai)裂(lie)、焊(han)接(jie)部(bu)分与基体(ti)性能(neng)一(yi)致性(xing)差(cha)等难题(ti)。

  构建了(le)微(wei)观组(zu)织晶(jing)粒(li)预(yu)测方法(fa)，发(fa)现了(le)管材(cai)在不同(tong)温度(du)下(xia)的(de)组织(zhi)晶(jing)粒(li)的(de)再结(jie)晶、晶(jing)粒(li)长大等变(bian)化规(gui)律，实现了晶粒(li)度精(jing)确控制；建(jian)立激光(guang)超声(sheng)波衰减的晶粒尺(chi)寸检测(ce)方法(fa)，实(shi)现了(le)管材微(wei)观晶(jing)粒(li)尺寸的在线(xian)实时(shi)检(jian)测(ce)；基(ji)于成形后的(de)管材需进(jin)行(xing)热处理(li)行(xing)为实(shi)现(xian)管件(jian)焊(han)缝(feng)与母材组织(zhi)与(yu)性(xing)能(neng)的(de)一致性，研(yan)究(jiu)双相不(bu)锈钢(gang)、镍(nie)基(ji)合金(jin)相变规(gui)则，阐明在(zai)不同温度(du)条件下(xia)的(de)相变(bian)特征(zheng)，构建(jian)可实(shi)现焊(han)缝(feng)和基体性(xing)能一致性的关(guan)键(jian)技术，结合CCT及(ji)TTT曲线(xian)，避免(mian)无效(xiao)及有害(hai)温度，形成典(dian)型(xing)双(shuang)相(xiang)不锈钢、镍(nie)基(ji)合金(jin)的(de)热(re)处(chu)理(li)工(gong)艺(yi)制度(du)。

图5 厚壁(bi)不(bu)锈钢焊(han)管热处(chu)理过程(cheng)组(zu)织(zhi)晶(jing)粒、析出(chu)相(xiang)等演变机理

  创新(xin)点五(wu)、研制(zhi)出(chu)大(da)口(kou)径(jing)厚(hou)壁(bi)不(bu)锈(xiu)钢焊(han)管(guan)成套(tao)装备，构建了(le)非(fei)对称布(bu)置的(de)板边预(yu)弯(wan)、管体连续折(zhe)弯等(deng)关键(jian)结(jie)构形(xing)式(shi)，实现了工(gong)艺(yi)与(yu)设(she)备的(de)集成(cheng)创(chuang)新，形成Φ219-Φ1219mm、壁(bi)厚(hou)80mm、长度12500mm系(xi)列(lie)产品(pin)生(sheng)产(chan)技术，效率(lv)提(ti)高(gao)2倍(bei)以上。

  发(fa)明(ming)出(chu)可连续往复切削(xue)的(de)大切削(xue)量(liang)铣边装备，构(gou)建(jian)快速响应(ying)厚壁焊(han)管焊(han)缝(feng)倒角大(da)切削量(liang)需(xu)求的多刀头(tou)切(qie)削(xue)方式(shi)与(yu)快(kuai)速定(ding)宽(kuan)、定(ding)厚、刀头(tou)角度调整(zheng)的结(jie)构(gou)形(xing)式，生产(chan)效率(lv)提升(sheng)2倍以(yi)上(shang)；发明(ming)出(chu)厚(hou)壁焊管(guan)板(ban)边预弯(wan)需求的错边非(fei)对称布(bu)置形(xing)式与(yu)多曲(qu)面(mian)弧段组合(he)大步(bu)长弯曲(qu)方(fang)式，可实现(xian)模(mo)具(ju)快(kuai)速调整(zheng)、更(geng)换(huan)的步(bu)进(jin)式(shi)预(yu)弯，预弯边(bian)2800mm以(yi)上(shang)、模具投资(zi)为传(chuan)统预弯装置的40%；构建了厚壁(bi)焊管管(guan)体弯(wan)曲(qu)需(xu)求(qiu)的高(gao)刚度“C”形结构(gou)布置(zhi)形式与(yu)大(da)跨(kua)度双(shuang)机(ji)组(zu)合(he)连续折(zhe)弯(wan)设备(bei)结(jie)构形(xing)式(shi)，发明(ming)出快(kuai)速(su)送料(liao)、出(chu)料的双(shuang)机同(tong)步联(lian)动的强(qiang)力(li)弯曲(qu)装(zhuang)备，机(ji)组能(neng)力(li)2×3000t、同(tong)步(bu)精度(du)达(da)到±0.1mm；发明(ming)出(chu)厚(hou)壁(bi)焊管管体(ti)多自(zi)由度(du)合(he)缝结构形式、消除(chu)管体(ti)弯(wan)曲成形(xing)过(guo)程遗留(liu)缺(que)陷的(de)多(duo)轴(zhou)合缝纠(jiu)偏装备(bei)，实(shi)现(xian)智(zhi)能(neng)焊接降低(di)人为(wei)因(yin)素、调(diao)速(su)范(fan)围(wei)为(wei)0.2m/s-0.7m/s。

图6 大(da)口径(jing)厚壁不锈(xiu)钢焊管(guan)高(gao)质(zhi)高(gao)效(xiao)制(zhi)备的成套装(zhuang)备

  应用(yong)情况与(yu)效果

  项(xiang)目在国家(jia)973计划(hua)、国家(jia)自(zi)然科(ke)学基金(jin)、山西(xi)省(sheng)重(zhong)大专项(xiang)、国家火(huo)炬计(ji)划产(chan)业化示范项(xiang)目等(deng)重(zhong)大(da)专项的支(zhi)撑(cheng)下(xia)，通过(guo)十(shi)多年(nian)联合(he)技(ji)术(shu)攻(gong)关(guan)，发明了经(jing)济(ji)高效的JCOE连(lian)续制管(guan)工艺(yi)的专(zhuan)有(you)技(ji)术(shu)，拥有(you)全部(bu)自主(zhu)知(zhi)识(shi)产权的(de)首(shou)条(tiao)大(da)口径厚(hou)壁(bi)不锈钢焊(han)管(guan)装备，满(man)足柔性(xing)生(sheng)产(chan)的(de)多规(gui)格(ge)、多(duo)品(pin)种(zhong)的(de)要求。系列(lie)产品整体达(da)到(dao)芬(fen)兰(lan)Outokumpu、韩国EEW公(gong)司(si)、德国(guo)Butting同(tong)类(lei)产品(pin)水(shui)平，部(bu)分指标优于国(guo)外水(shui)平。本项目(mu)已获专(zhuan)利(li)59件(jian)（发明专利30件），软件(jian)著作权(quan)11件，论文59篇，起草(cao)了国家(jia)标(biao)准16项(xiang)。

  产品已应(ying)用于“一(yi)带一路(lu)”俄罗斯亚马尔LNG2液化天然(ran)气(qi)项(xiang)目(mu)、阿尔及利亚(ya)国家石油公(gong)司Kurvers Piping高硫(liu)原(yuan)油(you)输(shu)送(song)管线(xian)项(xiang)目(mu)、伊拉(la)克哈法(fa)亚CPF3项(xiang)目(mu)以及山(shan)东(dong)LNG接(jie)收(shou)站、广(guang)西(xi)LNG接收站、天(tian)津(jin)LNG接收站、浙(zhe)江石化(hua)的4000万(wan)吨/年炼化(hua)一(yi)体化(hua)项目等230多项大(da)中型(xing)工程项(xiang)目，累计销(xiao)售近(jin)10万吨，实现(xian)销售(shou)24亿元，利税(shui)4.55亿元，提(ti)升(sheng)我(wo)国(guo)不(bu)锈钢焊管产(chan)业整(zheng)体竞(jing)争(zheng)力，对(dui)提(ti)升高(gao)端(duan)装备(bei)制造(zao)水(shui)平及国(guo)产(chan)化(hua)率有(you)较大(da)现(xian)实(shi)意义。