張海波，彭立山，白雷杰，趙志偉，劉 旭，鞏忠旺

（渤海裝備巨龍鋼管管件分公司，河北 青縣062658）

為了降低油氣管道建設(shè)成本，提高管道整體輸送能力，部分一類地區(qū)或運(yùn)行壓力不高的油氣輸送管道主要選擇高鋼級(jí)、大直徑鋼管進(jìn)行敷設(shè)，根據(jù)管道壁厚計(jì)算公式t=PD/2[σ]，此類鋼管的徑厚比通常大于60。此次大徑厚比熱煨彎管制造工藝研究，依托伊拉克米桑原油外輸管道（簡稱 MOEP）工程X70鋼級(jí)φ1 067 mm×15.88 mm彎管為研究對(duì)象，該工程用彎管屬于典型的高鋼級(jí)大徑厚比熱煨彎管。經(jīng)過一系列的試驗(yàn)過程與分析研究，最終大徑厚比彎管熱煨成型后，達(dá)到了較好的幾何尺寸和力學(xué)性能，滿足現(xiàn)場(chǎng)使用的標(biāo)準(zhǔn)要求，并交付客戶使用。

1 大徑厚比熱煨彎管的制造難點(diǎn)

常用熱煨彎管設(shè)計(jì)系數(shù)為0.5左右，其徑厚比D/t≤60，較大的壁厚保證了彎管加熱成型過程中有一定的支撐力，內(nèi)弧不易起皺，管體橢圓度好。而MOEP工程用φ1 067 mm×15.88 mm彎管的D/t=67。彎管在煨制成型過程中有以下幾個(gè)難點(diǎn)：

（1）鋼管受到左右腰鼓輥輪夾持?jǐn)D壓，鋼管管體發(fā)生橢圓度變形，使彎管焊縫及中性層與感應(yīng)加熱線圈的間隙變小，彎管焊縫及中性層加熱溫度偏高，影響了彎管焊縫及中性層的力學(xué)性能；

（2）鋼管受到夾持后發(fā)生了橢圓度變化，彎管成型過程中鋼管橢圓度被復(fù)制到了彎管管體上，導(dǎo)致彎管成型后管體橢圓度超標(biāo)嚴(yán)重。且彎管內(nèi)外弧與線圈間隙變大，彎管最終綜合力學(xué)性能不穩(wěn)定，產(chǎn)品外觀及力學(xué)性能合格率低；

（3）由于彎管管體壁厚薄，彎管煨制成型過程中易出現(xiàn)內(nèi)弧起皺超標(biāo)，出現(xiàn)明顯的波紋狀，產(chǎn)品外觀質(zhì)量差。

本研究針對(duì)以上大徑厚比彎管成型過程中的難點(diǎn)，仔細(xì)分析大徑厚比彎管成型特點(diǎn)，依托公司現(xiàn)有技術(shù)和設(shè)備資源，探索大徑厚比彎管制造工藝，保證了彎管成型后直管段橢圓度≤0.8%，彎曲段橢圓度≤2.5%；彎管角度偏差控制在±1°，彎管內(nèi)弧表面無明顯褶皺，且彎管最終綜合力學(xué)性能合格。

2 主要技術(shù)難題的研究

2.1 改進(jìn)夾持工裝，改善彎管管體橢圓度

在彎管煨制成型過程中，鋼管被左右輥輪夾持抱緊（如圖1所示），彎管彎制變形時(shí)，鋼管在變形區(qū)域主要受到橫向垂直于軸線方向的徑向變形力，該作用力擠壓鋼管，使鋼管上下方向變長，左右橫向縮短，鋼管變形區(qū)域橫截面呈橢圓狀，導(dǎo)致其加熱冷卻后橢圓狀復(fù)制到了彎管管體上。

圖1 原有機(jī)組夾持鋼管示意圖

當(dāng)鋼管壁厚較大或鋼管外徑較小時(shí)，左右輥輪的夾持力不足以使鋼管管體產(chǎn)生變形或者管體變形量很小，彎管煨制成型后橢圓度依然能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；當(dāng)鋼管壁厚較小或鋼管外徑較大時(shí)，左右輥輪的夾持力使鋼管管體橢圓度變化量增大，在鋼管加熱成型冷卻后，其擠壓變形的形狀復(fù)制到了彎管管體上。尤其當(dāng)D/t≥60時(shí)，鋼管橢圓度變形更加嚴(yán)重，導(dǎo)致彎管橢圓度超標(biāo)，無法滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

為了使彎管橢圓度合格，必須限制鋼管上下的變形趨勢(shì)，或縮小鋼管的變形量。為此改進(jìn)了原有夾緊輥輪，增加設(shè)計(jì)了一組上下預(yù)緊輥輪組（壓扁輥輪），如圖2所示。輥輪組主要由預(yù)緊輥輪、液壓缸及框架結(jié)構(gòu)組成。預(yù)緊輥輪安裝在加熱帶后面，限制鋼管夾緊時(shí)產(chǎn)生的豎向外徑增大變形，使鋼管管體橢圓度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，從而有效控制了彎管煨制成型后的管體橢圓度。

圖2 改進(jìn)后機(jī)組夾持鋼管示意圖

2.2 調(diào)整鋼管夾持機(jī)構(gòu)，提高管體橢圓度

彎管煨制過程中，鋼管的主要夾持機(jī)構(gòu)是腰鼓輥輪夾持機(jī)構(gòu)，通過液壓控制腰鼓輥輪夾緊機(jī)構(gòu)的開合和夾緊。腰鼓輥輪夾持機(jī)構(gòu)除用于夾緊鋼管外，還使鋼管中心與機(jī)組中心對(duì)中，引導(dǎo)鋼管進(jìn)給和導(dǎo)向，并承受彎管煨制變形時(shí)產(chǎn)生的橫向作用力。

機(jī)組原有腰鼓輥輪位置距離感應(yīng)加熱圈較近，主要是為了保證彎管煨制成型后角度反彈小，使彎管獲得精確的煨制角度。但是對(duì)于薄壁鋼管，在彎管煨制過程中，較近的夾持位置導(dǎo)致較小的力臂，產(chǎn)生了很大的橫向反作用力，加劇了薄壁鋼管的上下橢圓變形。而且變形區(qū)域距離加熱帶較近，致使擠壓變形的橢圓形狀影響到了加熱帶，將橢圓形狀復(fù)制到了彎管管體上。

經(jīng)過數(shù)次試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，將腰鼓輥輪位置后移后，彎管成型過程中，力臂較長，產(chǎn)生的橫向反作用力較小，鋼管橢圓變形減弱。同時(shí)夾持變形區(qū)域距離加熱帶較遠(yuǎn)，再配合上下預(yù)緊輥輪的作用，彎管成型后管體圓度有了明顯提高，但一定程度上加大了彎管角度的偏差。新的鋼管夾持機(jī)構(gòu)如圖3所示。

針對(duì)X70級(jí)φ1 067 mm×15.88 mm鋼管，經(jīng)過深入對(duì)比分析研究，腰鼓輥輪后移位置與彎管橢圓度及彎管角度的關(guān)系見表1。

圖3 新的鋼管夾持機(jī)構(gòu)示意圖

表1 腰鼓輥輪后移距離與彎管橢圓度及角度偏差

由上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，將腰鼓輥輪后移到900～1 000 mm左右，彎管管體橢圓度偏差明顯降低，但彎管角度偏差也隨之增大很多，如何控制腰鼓輥輪后移導(dǎo)致彎管角度偏差將作為下一步研究的主要內(nèi)容。

2.3 彎管角度控制研究

彎管的煨制過程是一個(gè)彈性與塑性變形過程。根據(jù)塑性力學(xué)理論，彎管的實(shí)際塑性變形量等于總變形量減去彈性變形量，同時(shí)也說明彎管加工完成后卸載，彎管將有一部分彈性變形恢復(fù)，彈性恢復(fù)量的大小決定了彎管角度的偏差大小。

2.3.1 縮小彎管曲率半徑

根據(jù)彎管成型后角度回彈的特點(diǎn)，可適當(dāng)加大其總的變形量，即適當(dāng)減小彎曲半徑。但彎曲半徑也不可能無限制縮短，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了彎曲半徑的偏差范圍，且較小的彎曲半徑會(huì)加大外弧側(cè)壁厚減薄率，同時(shí)影響管體橢圓度。不同曲率半徑所產(chǎn)生的角度偏差見表2。

通過表2可知，設(shè)備彎曲半徑最小只能調(diào)到6 310 mm，即調(diào)小92 mm。如再調(diào)小則產(chǎn)品彎曲半徑無法滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，需求的產(chǎn)品角度與實(shí)測(cè)角度之間的差距只能通過其他辦法彌補(bǔ)。

表2 X70級(jí) φ1 067 mm×15.88 mm鋼管不同曲率半徑所產(chǎn)生的角度偏差

2.3.2 增加煨制長度補(bǔ)償角度偏差

通過增加煨制的鋼管長度來補(bǔ)償角度。通過計(jì)算，φ1 067 mm×15.88 mm鋼管增加112 mm長度時(shí)角度補(bǔ)償量為1°，不夠的角度可以通過增加煨制量來補(bǔ)償。但此辦法會(huì)增加鋼管材耗，只能用于較小量的角度補(bǔ)償，一般角度補(bǔ)償量控制在1°之內(nèi)。

2.4 煨制溫度與速度對(duì)彎管管體橢圓度的影響

由于彎管管體橢圓變形主要產(chǎn)生于彎管煨制過程中，而回火過程中，彎管管體橢圓度基本不變。通過大量試驗(yàn)和彎管制造經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，煨制過程中影響較大的兩個(gè)因素是煨制溫度與速度，而冷卻水壓對(duì)管體變形影響較小，可忽略不計(jì)。因此，研究煨制溫度和速度對(duì)管體橢圓度的影響，對(duì)優(yōu)化彎管煨制工藝具有一定的指導(dǎo)意義。

2.4.1 煨制溫度與彎管管體橢圓度的關(guān)系

為了分析不同煨制溫度對(duì)彎管管體橢圓度的影響，對(duì)φ1 067 mm×15.88 mm鋼管進(jìn)行系列煨制溫度試驗(yàn)，并進(jìn)行彎管管體橢圓度測(cè)量分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同煨制溫度和彎管管體橢圓度的變化關(guān)系

試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)煨制溫度高于1 010℃時(shí)，彎管管體的橢圓度能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，而且煨制溫度越高，管體橢圓度質(zhì)量越好。原因是加熱溫度越高，金屬的流動(dòng)性越好，彎管變形時(shí)產(chǎn)生的反變形力則變小，作用在鋼管上的變形力也就變小，鋼管變形量減小，相應(yīng)地彎管管體橢圓度也就越好。但通過熱模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，彎管煨制溫度不能無限高，只能在材料允許的范圍內(nèi)，因此確定彎管煨制溫度為（1 030±25）℃。

2.4.2 煨制速度與彎管管體橢圓度的關(guān)系

不同煨制速度和彎管管體橢圓度的變化關(guān)系如圖5所示。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)煨制速度大于40 mm/min時(shí)，彎管管體橢圓度超出標(biāo)準(zhǔn)要求，無法滿足使用要求。原因是煨制速度加快，鋼管單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的變形量增大，所需的變形力也越大，鋼管變形也越大，管體橢圓度變差。降低煨制速度可有效地降低彎制力，相應(yīng)地減少鋼管變形量。因此，彎管煨制速度越低，彎管成型后的管體橢圓度質(zhì)量越好，但是考慮到生產(chǎn)效率與煨制速度對(duì)彎管力學(xué)性能的影響，最終確定煨制溫度為35 mm/min。

圖5 不同煨制速度和彎管管體橢圓度的變化關(guān)系

3 單根試制和首批生產(chǎn)

3.1 單根試制

對(duì)X70級(jí)φ1 067 mm×15.88 mm鋼管經(jīng)過數(shù)次試驗(yàn)分析研究，確定了其工藝范圍，彎管制造工藝參數(shù)見表3。

表3 X70級(jí) φ1 067 mm×15.88 mm彎管制造工藝參數(shù)

按照上述制定彎管制造工藝、改進(jìn)工裝及設(shè)備后，我們進(jìn)行了產(chǎn)品的單根試制。具體試驗(yàn)結(jié)果見表4、圖6和表5。

表4 彎管外觀和幾何尺寸檢驗(yàn)結(jié)果

圖6 φ1 067 mm×15.88 mm試制彎管拉伸性能

表5 X70級(jí) φ1 067 mm×15.88 mm試制彎管抗沖擊性能

3.2 小批量生產(chǎn)

X70級(jí) φ1 067 mm×15.88 mm小批量生產(chǎn)了5根彎管，對(duì)全部彎管進(jìn)行了幾何尺寸檢測(cè)和無損檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果全部合格，完全符合伊拉克MOEP 工程《彎管技術(shù)規(guī)格書》（HFY2－GEN－PPLSP－00014 Rev.A）的要求。正式批量生產(chǎn)中，共為伊拉克MOEP工程提供了294根 φ1 067 mm×15.88 mm X70鋼級(jí)彎管，產(chǎn)品均合格發(fā)運(yùn)。

4 結(jié)論

（1） 該研究以X70級(jí) φ1 067 mm×15.88 mm彎管生產(chǎn)項(xiàng)目為依托，以公司現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備為基礎(chǔ)，通過改進(jìn)彎管機(jī)組的夾持工裝、調(diào)節(jié)彎管曲率半徑、補(bǔ)償彎曲角度等方式，使大徑厚比彎管成型后具有較好的管體橢圓度和角度。

（2）精確測(cè)量控制彎管煨制溫度和速度，嚴(yán)格控制彎管煨制成型工藝，保證了大徑厚比彎管成型后的外觀質(zhì)量和力學(xué)性能。最終使X70鋼級(jí)φ1 067 mm×15.88 mm大徑厚比彎管試制成功，保證了伊拉克MOEP工程用大徑厚比彎管的生產(chǎn)供應(yīng)，達(dá)到了預(yù)期的研究目標(biāo)。

（3） X70鋼級(jí) φ1 067 mm×15.88 mm 大徑厚比彎管的試制成功，形成了系統(tǒng)的大徑厚比彎管制造技術(shù)與研究方案，為今后開發(fā)更高鋼級(jí)、更大直徑的彎管產(chǎn)品積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，具有一定推廣與應(yīng)用價(jià)值。

［1］GB 50253—2003，輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］GB 50251—2003，輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］CDP－S－OGP－PL－016－2011－2， 油氣管道工程感應(yīng)加熱彎管通用技術(shù)條件［S］.

［4］SY 5257—2012，油氣輸送用鋼制彎管［S］.

［5］ISO 15590－1—2009，感應(yīng)加熱彎管［S］.

［6］李德忠，陳長青，付彥宏.國產(chǎn)厚壁大口徑X70鋼熱煨彎管的研制［J］.壓力容器，2007，24（02）：47－49.

［7］陳軍，段文森，楊海瑛.金屬彎管的成型技術(shù)［J］.稀有金屬材料與工程，2008，37（S4）：555－560.

［8］邵靖利，叢相州.彎管制造工藝對(duì)X70鋼彎管性能的影響［J］.機(jī)械工人（壓力加工），2005（10）：71－74.

［9］顧煜炯，姚健，周兆英，等.感應(yīng)加熱小半徑金屬彎管成型的機(jī)理研究［J］.金屬學(xué)報(bào)，1994，30（12）：543－547.

［10］胡勇，王呈方.彎管工藝中回彈伸長和成形半徑的確定方法［J］.鍛壓機(jī)械，1997（01）：35－37.

［11］方秀榮，曹文勝.大口徑中頻加熱液壓彎管機(jī)的液壓技術(shù)研究［J］.液壓與氣動(dòng)，2010（07）：46－48.