研究的背景與問(wèn)題

  海上油氣進(jìn)口和海洋油氣產(chǎn)業(yè)作為我國(guó)海工裝備制造業(yè)的重要組成部分，在雙碳目標(biāo)和國(guó)內(nèi)油氣消費(fèi)增長(zhǎng)的背景下得到快速發(fā)展，其生產(chǎn)、輸送環(huán)境惡劣，在耐高壓、-162℃超低溫、耐腐蝕及耐候性等方面要求更高。而大口徑厚壁不銹鋼焊管因其具有高強(qiáng)度、高耐腐蝕性及良好的低溫塑性，能克服極端溫度、高壓、腐蝕極端環(huán)境，是我國(guó)海上油氣進(jìn)口和開(kāi)發(fā)不可或缺的基礎(chǔ)管材。因此，市場(chǎng)對(duì)大口徑不銹鋼焊管需求急劇增加，且管材大量依靠進(jìn)口，在交貨期、技術(shù)性能、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)上均設(shè)置門(mén)檻，對(duì)我國(guó)相關(guān)行業(yè)形成壁壘。造成這種局面的原因有以下三個(gè)方面：

  1、傳統(tǒng)JCOE制備方式均應(yīng)用于生產(chǎn)“黑材”，容易出現(xiàn)壁厚不均勻、開(kāi)口度不一致、圓度不足等缺陷，嚴(yán)重的將出現(xiàn)不能修復(fù)而報(bào)廢，目前大口徑厚壁不銹鋼焊管生產(chǎn)中間環(huán)節(jié)繁冗，良品率低，滿(mǎn)足不了多品種、多規(guī)格產(chǎn)品連續(xù)化生產(chǎn)需求。

  2、大口徑厚壁不銹鋼焊管因生產(chǎn)技術(shù)不成熟，導(dǎo)致在服役過(guò)程中極易出現(xiàn)“跑”、“冒”、“滴”、“漏”等現(xiàn)象，產(chǎn)品性能難以滿(mǎn)足極端環(huán)境需求，而油氣輸送管路對(duì)尺寸與低溫韌性要求更加嚴(yán)格，因此重點(diǎn)開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)研究是提升管材服役行為的重要手段。

  3、目前國(guó)內(nèi)擁有的設(shè)備均是從國(guó)外進(jìn)口或者國(guó)內(nèi)單臺(tái)設(shè)備按工序組成離散型產(chǎn)線，設(shè)備價(jià)格昂貴，缺少自主研發(fā)的經(jīng)驗(yàn)與能力。因此需要結(jié)合大口徑厚壁不銹鋼焊管成形理論、工藝的研究，提出與產(chǎn)線需求一致的裝備結(jié)構(gòu)形式與生產(chǎn)能力，打破大口徑厚壁不銹鋼焊管裝備依賴(lài)進(jìn)口的現(xiàn)狀。

  主要?jiǎng)?chuàng)新內(nèi)容

  項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)十多年的聯(lián)合攻關(guān)，解決了成形與焊接的問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上輔助制備工藝、熱處理技術(shù)以及與之匹配的裝備。構(gòu)建彎曲成形、連續(xù)焊接協(xié)同加工體系，解決管體成形與焊接性能一致性的問(wèn)題，融合合理的工藝制度、熱處理技術(shù)以及與之匹配的裝備，制備出滿(mǎn)足市場(chǎng)需求的大口徑厚壁不銹鋼直縫焊管。其總體思路如圖1所示。

圖1 大口徑厚壁不銹鋼焊管總體思路

  創(chuàng)新點(diǎn)一、基于厚壁板材中性層偏移、彎曲回彈、包辛格效應(yīng)理論，構(gòu)建了獲得板邊預(yù)彎、管體連續(xù)折彎與精整成形方法，為工藝制定和裝備研發(fā)提供了理論依據(jù)，形成不同規(guī)格產(chǎn)品單道次折彎過(guò)程中性層偏移量（板厚6%-18%）、回彈（板厚0.8%）等精準(zhǔn)控制，解決了管體折彎成形過(guò)程尺寸偏差與缺陷難題。

  開(kāi)展應(yīng)力中性層與幾何中心層偏移規(guī)律研究，構(gòu)建基于厚度強(qiáng)化模型的中性層偏移方法，可輔助預(yù)測(cè)管體折彎過(guò)程每道次管壁減薄量以及管徑延伸量，實(shí)現(xiàn)原始坯料精確定寬；開(kāi)展板材彎曲成形過(guò)程回彈機(jī)制研究，構(gòu)建可有效控制折彎角度的方法，回彈量平均值約為板厚的0.8%左右，實(shí)現(xiàn)了板坯折彎卸載后回彈量的精確預(yù)測(cè)，有效避免管體成形出現(xiàn)焊縫開(kāi)口較大、周向圓度不良缺陷；開(kāi)展板材彎曲過(guò)程加/卸載過(guò)程中包辛格效應(yīng)研究，構(gòu)建厚板彎曲包辛格效應(yīng)方法，與實(shí)際測(cè)量誤差小于10%，為厚壁不銹鋼焊管JCOE成形工序中管體預(yù)彎、連續(xù)折彎成形工藝制定提供技術(shù)依據(jù)。 

圖2 厚壁板材中性層偏移、彎曲回彈、包辛格效應(yīng)等方法

  創(chuàng)新點(diǎn)二、研究了管體成形過(guò)程關(guān)鍵工序模具構(gòu)型，揭示了不同材質(zhì)、規(guī)格產(chǎn)品成形過(guò)程的變形規(guī)律，獲得滿(mǎn)足生產(chǎn)需求的成形工藝技術(shù)體系，解決了成形過(guò)程中產(chǎn)生缺陷等技術(shù)難題。

開(kāi)展預(yù)彎模具對(duì)大口徑厚壁焊管在預(yù)彎階段的影響規(guī)律研究，制定出滿(mǎn)足大口徑不銹鋼直縫焊管預(yù)彎階段的成形工藝。構(gòu)建可滿(mǎn)足不同直徑、壁厚管材的板坯預(yù)彎成形凹凸模具，基于管坯直邊弧邊轉(zhuǎn)變區(qū)域的預(yù)彎模具過(guò)渡段、上下模具相位差優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，板材厚度每增加10mm，過(guò)渡段角度增加1°，過(guò)渡段彎曲量增加9mm左右，有效實(shí)現(xiàn)下模行走行程與加載方式精準(zhǔn)控制，實(shí)現(xiàn)了不同直徑管體成形一模多用的效果；開(kāi)展板材折彎成形過(guò)程步進(jìn)式連續(xù)彎曲成形研究，優(yōu)化了上模具壓下量、下模具開(kāi)口度及下壓道次等工藝參數(shù)，折彎成形上模具壓下量和下模開(kāi)口度、折彎道次優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，提高了管體尺寸精度，滿(mǎn)足不同規(guī)格管體生產(chǎn)的最優(yōu)折彎成形工藝要求，實(shí)現(xiàn)了管體制備階段高效化、精確化；開(kāi)展預(yù)整形機(jī)多自由度合縫研究，優(yōu)化了合縫輥位置、軸向壓下角度的調(diào)節(jié)工藝，構(gòu)建基于不同開(kāi)口度預(yù)整形調(diào)整方法與關(guān)鍵技術(shù)、“桃形”“梨形”“錯(cuò)邊”等特殊缺陷優(yōu)化機(jī)理，實(shí)現(xiàn)了管體焊縫精準(zhǔn)對(duì)接，提高管體成形質(zhì)量。 

圖3 管體成形過(guò)程關(guān)鍵工序模具構(gòu)形設(shè)計(jì)方法與工藝調(diào)控技術(shù)

  創(chuàng)新點(diǎn)三、開(kāi)發(fā)了焊接熔池與焊縫圖像智能識(shí)別跟蹤、焊縫成形智能工藝控制技術(shù)、焊縫質(zhì)量的全流程監(jiān)控與動(dòng)態(tài)優(yōu)化技術(shù)，熔池形態(tài)識(shí)別正確率達(dá)96.34%，焊縫缺陷識(shí)別和檢測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)95%以上，焊接成本降低30%以上，效率提高10倍。

  開(kāi)發(fā)出滿(mǎn)足大直徑厚壁焊管焊接需求的高效低成本深熔焊接方法及工藝技術(shù)，開(kāi)展深熔TIG焊接成形過(guò)程力學(xué)分析，利用熱流固耦合進(jìn)行深熔TIG焊接數(shù)值模擬，獲得了深熔TIG焊接成形過(guò)程工藝；構(gòu)建基于焊縫熔池及凝固成形后焊縫形狀的捕捉系統(tǒng)，獲得了焊接熔池與焊縫圖像智能識(shí)別技術(shù)；開(kāi)展基于視覺(jué)傳感、電壓電流多信息融合的熔池特征數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究，掌握焊縫跟蹤、焊縫成形控制與焊接過(guò)程補(bǔ)償技術(shù)，熔池形態(tài)識(shí)別方面正確率達(dá)96.34%，準(zhǔn)確率和檢測(cè)效率達(dá)95%以上，獲得焊接過(guò)程焊縫成形質(zhì)量智能控制，準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)熔池力學(xué)行為及熔寬形貌，確保了厚壁焊管焊縫質(zhì)量與基體不銹鋼材料的性能一致性，提高焊接質(zhì)量及焊接效率。

圖4 管體厚壁不銹鋼焊管圖像動(dòng)態(tài)識(shí)別、智能補(bǔ)償?shù)母咝Ш附臃椒?

  創(chuàng)新點(diǎn)四、開(kāi)發(fā)了可實(shí)現(xiàn)焊縫與母材性能一致性調(diào)控、晶粒尺寸在線檢測(cè)方法等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了管材熱處理過(guò)程組織性能與析出相的動(dòng)態(tài)調(diào)控，在線晶粒度誤差小于10%，解決了晶粒度預(yù)測(cè)難、焊縫開(kāi)裂、焊接部分與基體性能一致性差等難題。

  構(gòu)建了微觀組織晶粒預(yù)測(cè)方法，發(fā)現(xiàn)了管材在不同溫度下的組織晶粒的再結(jié)晶、晶粒長(zhǎng)大等變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了晶粒度精確控制；建立激光超聲波衰減的晶粒尺寸檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了管材微觀晶粒尺寸的在線實(shí)時(shí)檢測(cè)；基于成形后的管材需進(jìn)行熱處理行為實(shí)現(xiàn)管件焊縫與母材組織與性能的一致性，研究雙相不銹鋼、鎳基合金相變規(guī)則，闡明在不同溫度條件下的相變特征，構(gòu)建可實(shí)現(xiàn)焊縫和基體性能一致性的關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合CCT及TTT曲線，避免無(wú)效及有害溫度，形成典型雙相不銹鋼、鎳基合金的熱處理工藝制度。

圖5 厚壁不銹鋼焊管熱處理過(guò)程組織晶粒、析出相等演變機(jī)理

  創(chuàng)新點(diǎn)五、研制出大口徑厚壁不銹鋼焊管成套裝備，構(gòu)建了非對(duì)稱(chēng)布置的板邊預(yù)彎、管體連續(xù)折彎等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)形式，實(shí)現(xiàn)了工藝與設(shè)備的集成創(chuàng)新，形成Φ219-Φ1219mm、壁厚80mm、長(zhǎng)度12500mm系列產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)，效率提高2倍以上。

  發(fā)明出可連續(xù)往復(fù)切削的大切削量銑邊裝備，構(gòu)建快速響應(yīng)厚壁焊管焊縫倒角大切削量需求的多刀頭切削方式與快速定寬、定厚、刀頭角度調(diào)整的結(jié)構(gòu)形式，生產(chǎn)效率提升2倍以上；發(fā)明出厚壁焊管板邊預(yù)彎需求的錯(cuò)邊非對(duì)稱(chēng)布置形式與多曲面弧段組合大步長(zhǎng)彎曲方式，可實(shí)現(xiàn)模具快速調(diào)整、更換的步進(jìn)式預(yù)彎，預(yù)彎邊2800mm以上、模具投資為傳統(tǒng)預(yù)彎裝置的40%；構(gòu)建了厚壁焊管管體彎曲需求的高剛度“C”形結(jié)構(gòu)布置形式與大跨度雙機(jī)組合連續(xù)折彎設(shè)備結(jié)構(gòu)形式，發(fā)明出快速送料、出料的雙機(jī)同步聯(lián)動(dòng)的強(qiáng)力彎曲裝備，機(jī)組能力2×3000t、同步精度達(dá)到±0.1mm；發(fā)明出厚壁焊管管體多自由度合縫結(jié)構(gòu)形式、消除管體彎曲成形過(guò)程遺留缺陷的多軸合縫糾偏裝備，實(shí)現(xiàn)智能焊接降低人為因素、調(diào)速范圍為0.2m/s-0.7m/s。

圖6 大口徑厚壁不銹鋼焊管高質(zhì)高效制備的成套裝備

  應(yīng)用情況與效果

  項(xiàng)目在國(guó)家973計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、山西省重大專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家火炬計(jì)劃產(chǎn)業(yè)化示范項(xiàng)目等重大專(zhuān)項(xiàng)的支撐下，通過(guò)十多年聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)，發(fā)明了經(jīng)濟(jì)高效的JCOE連續(xù)制管工藝的專(zhuān)有技術(shù)，擁有全部自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的首條大口徑厚壁不銹鋼焊管裝備，滿(mǎn)足柔性生產(chǎn)的多規(guī)格、多品種的要求。系列產(chǎn)品整體達(dá)到芬蘭Outokumpu、韓國(guó)EEW公司、德國(guó)Butting同類(lèi)產(chǎn)品水平，部分指標(biāo)優(yōu)于國(guó)外水平。本項(xiàng)目已獲專(zhuān)利59件（發(fā)明專(zhuān)利30件），軟件著作權(quán)11件，論文59篇，起草了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)16項(xiàng)。

  產(chǎn)品已應(yīng)用于“一帶一路”俄羅斯亞馬爾LNG2液化天然氣項(xiàng)目、阿爾及利亞國(guó)家石油公司Kurvers Piping高硫原油輸送管線項(xiàng)目、伊拉克哈法亞CPF3項(xiàng)目以及山東LNG接收站、廣西LNG接收站、天津LNG接收站、浙江石化的4000萬(wàn)噸/年煉化一體化項(xiàng)目等230多項(xiàng)大中型工程項(xiàng)目，累計(jì)銷(xiāo)售近10萬(wàn)噸，實(shí)現(xiàn)銷(xiāo)售24億元，利稅4.55億元，提升我國(guó)不銹鋼焊管產(chǎn)業(yè)整體競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)提升高端裝備制造水平及國(guó)產(chǎn)化率有較大現(xiàn)實(shí)意義。