徐 剛，邊 晉，葛玉紅，師俊杰，劉增強(qiáng)

（渤海裝備巨龍鋼管有限公司，河北，青縣062658）

大直徑直縫埋弧焊鋼管具有壁厚大、材質(zhì)高，加工工藝成熟、穩(wěn)定的特點(diǎn)，是目前國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)油氣長(zhǎng)輸管線工程的首選鋼管。JCOE成型工藝與UOE成型工藝比較，生產(chǎn)同樣規(guī)格的鋼管，成型壓力小，更換模具的時(shí)間短，但生產(chǎn)率比較低[1]。在JCOE成型工藝的直縫埋弧焊鋼管生產(chǎn)中，成型后的管型質(zhì)量對(duì)成品鋼管的最終質(zhì)量起著關(guān)鍵的決定性作用，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：①鋼管的橢圓度是影響鋼管外觀質(zhì)量的最重要因素之一[2]；②鋼管橢圓度和管徑誤差是影響現(xiàn)場(chǎng)施工對(duì)接施焊的最直接因素[3]，橢圓度好、管徑誤差小的鋼管，在高輸送壓力服役下的各個(gè)方向應(yīng)力均衡，就能為管線施工提供良好的質(zhì)量保障；③鋼管橢圓度直接影響管端對(duì)口的錯(cuò)邊量。橢圓度超標(biāo)容易造成裂紋、殘余應(yīng)力等焊接缺陷，從而影響鋼管對(duì)接焊縫的質(zhì)量[4]；④成型后管坯直線度的好壞直接影響焊縫錯(cuò)邊，直線度較差會(huì)造成預(yù)焊斷弧頻繁，對(duì)焊縫質(zhì)量和生產(chǎn)效率有很大影響；⑤成型后管坯的橢圓度，對(duì)于擴(kuò)徑機(jī)修橢圓后的最終鋼管橢圓度有重要的影響；⑥管坯成型、焊接、機(jī)械擴(kuò)徑等加工影響焊管殘余應(yīng)力的大小及分布，而殘余應(yīng)力對(duì)管道的脆性斷裂、彈塑性斷裂、應(yīng)力腐蝕、氫致開(kāi)裂和疲勞破壞有顯著影響[5]。

1 橢圓度超標(biāo)問(wèn)題統(tǒng)計(jì)與分析

對(duì)2012年1—12月出現(xiàn)的鋼管擴(kuò)徑后管端橢圓度超標(biāo)率情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖1所示。

圖1 2012年橢圓度超標(biāo)率趨勢(shì)圖

通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2012年鋼管擴(kuò)徑后橢圓度超標(biāo)率為22.0%，沒(méi)有達(dá)到13%的車間質(zhì)量指標(biāo)。

直縫埋弧焊管橢圓度與成型方式（UOE或JCO等）、成型步數(shù)（JCO）、鋼板力學(xué)性能均勻性、擴(kuò)徑前橢圓度、擴(kuò)徑率、軸向重疊量以及擴(kuò)徑頭與管壁的摩擦等有關(guān)[6]。除去擴(kuò)徑率等因素外，鋼管的橢圓度大部分與成型后的管型質(zhì)量有關(guān)。

橢圓度還與鋼管的吊裝和運(yùn)輸方式、鋼管在工廠和施工現(xiàn)場(chǎng)的堆放層高和支撐方式、防腐等后續(xù)處理工序的溫度以及測(cè)量人員和儀器的誤差，均可能影響鋼管管端橢圓度[4]。

查閱2012年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，從成型后管型、焊接后熱變形、擴(kuò)徑機(jī)修橢圓能力、碰撞變形等原因，對(duì)造成擴(kuò)徑后鋼管管端橢圓度超標(biāo)的具體問(wèn)題進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)與分析，如圖2所示。

圖2 擴(kuò)徑后管端橢圓度超標(biāo)的具體問(wèn)題排列圖

從圖2可以看出，成型后管型差頻次為4 088次，占總次數(shù)5 818次的70.25%，是造成擴(kuò)徑后管端橢圓度超標(biāo)的主要問(wèn)題。

影響鋼管內(nèi)在質(zhì)量的主要方面包括鋼管所用鋼板的質(zhì)量和鋼管制造工藝[7]。因此，成型后管型差的問(wèn)題，可以從設(shè)備、工藝、材料、管理等方面來(lái)總結(jié)原因。要減少出現(xiàn)管型差的概率，必須有針對(duì)性的從以下四個(gè)方面提出改進(jìn)措施。

（1）設(shè)備方面。優(yōu)化成型機(jī)設(shè)備精度。

（2）工藝方面。積累采集生產(chǎn)流程中的橢圓度數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)不同的原材料和產(chǎn)品規(guī)格，找出橢圓度不好的管型范圍規(guī)律。對(duì)成型崗位制定更有針對(duì)性、精準(zhǔn)的成型后橢圓度要求。

（3）材料方面。降低因原材料原因造成的成型機(jī)橢圓度控制難度。

（4）管理方面。對(duì)成型崗位進(jìn)行操作技能培訓(xùn)以及制定考核辦法，提高成型崗位對(duì)橢圓度的控制精度。

2 改進(jìn)措施

提高成型后管型質(zhì)量，成為控制擴(kuò)徑后橢圓度超標(biāo)的關(guān)鍵點(diǎn)，通過(guò)提高現(xiàn)有設(shè)備精度、優(yōu)化工藝參數(shù)、加強(qiáng)過(guò)程控制，提高員工操作技能等措施，使管型質(zhì)量得到進(jìn)一步提升。

2.1 設(shè)備方面

JCOE成型機(jī)主要包括底梁、下橫梁、上橫梁、頂梁、側(cè)立柱、主油缸、提升油缸、補(bǔ)償油缸、刀架、推料器及其他輔助設(shè)備。成型機(jī)的作用是將經(jīng)過(guò)銑邊機(jī)和預(yù)彎?rùn)C(jī)的鋼板壓成近圓形，為預(yù)焊機(jī)焊接做準(zhǔn)備，成型機(jī)是直縫焊管車間的主要設(shè)備，對(duì)生產(chǎn)起著決定性的作用[8]。

成型機(jī)的機(jī)械精度是影響管形的主要原因，該設(shè)備已經(jīng)使用多年，例如上梁立板、下梁等一些重要部件存在銹蝕或變形，設(shè)備精度較安裝初始有一定誤差，若通過(guò)更換或拆除加工等手段進(jìn)行精度恢復(fù)實(shí)施難度較大。在緊迫的生產(chǎn)任務(wù)中，主要通過(guò)以下幾個(gè)方面對(duì)現(xiàn)有成型機(jī)的機(jī)械精度進(jìn)行優(yōu)化提高。

2.1.1 上梁與下梁嚙合精度

上梁與下梁長(zhǎng)度為13 m，上下模具各安裝于上下梁上，鋼板通過(guò)上下梁之間的擠壓成型，上下梁的平直度越高，上下模具嚙合越好，成型后板邊越直，管形標(biāo)準(zhǔn)且容易控制。若上下梁存在變形，上下模具嚙合不緊密，軋制時(shí)即使通過(guò)油缸進(jìn)行一定補(bǔ)償，在局部也會(huì)造成過(guò)壓或欠壓，形成波浪邊，從而影響管型質(zhì)量，成型后板邊波浪彎如如圖3所示。

圖3 成型后板邊波浪彎示意圖

成型機(jī)下梁為槽式結(jié)構(gòu)，通風(fēng)不暢，多年使用后內(nèi)部易產(chǎn)生銹蝕，尤其是其中一側(cè)模具裝配面的銹蝕十分嚴(yán)重。銹蝕雖可打磨干凈但清除后表面不再光滑平整，模具裝配面呈高低不平的狀態(tài)，模具安裝后局部產(chǎn)生較大的嚙合間隙，如圖4所示。該嚙合間隙是造成成型后板邊產(chǎn)生波浪彎的主要原因，板邊波浪彎如圖5所示。

圖4 上下模具間隙

圖5 成型后鋼板板邊波浪彎

針對(duì)嚙合問(wèn)題的具體改進(jìn)措施：

（1）維護(hù)保養(yǎng)成型機(jī)下梁以及墊板。成型機(jī)下梁為槽式結(jié)構(gòu)，下梁與墊板之間存在著大量金屬銹蝕層或粉塵，對(duì)下梁裝配面進(jìn)行清理修磨。修磨后檢測(cè)發(fā)現(xiàn)其中一塊側(cè)模具裝配面不光滑平整，裝配面高低不平的狀態(tài)，更換新墊板，如圖6所示。

圖6 下梁修磨前后照片對(duì)比圖

（2）上下模具與上下梁間加裝墊片。根據(jù)測(cè)量的上下模具嚙合間隙數(shù)值和位置，在相應(yīng)位置的上下模具與上下梁間加裝不同厚度的銅墊片，用塞尺檢測(cè)上下模嚙合間隙，將原有最大間隙量1.6 mm下降至0.1～0.2 mm，滿足設(shè)備精度要求。實(shí)現(xiàn)了成型機(jī)上、下模具嚙合間隙≤0.3mm的目標(biāo)。方法如圖7所示。

圖7 通過(guò)加銅墊片方法調(diào)整模具間隙量

2.1.2 上梁與下梁平行度

上梁與下梁中心線應(yīng)為絕對(duì)平行關(guān)系，且垂直投影完全重合。這樣可保證成型后南北半圓對(duì)稱，從而保證橢圓度質(zhì)量。若不平行，上下模具橫向錯(cuò)位，壓制后南北半圓不對(duì)稱，如圖8所示。

圖8 上下模具橫向錯(cuò)位示意圖

通過(guò)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)上下梁中心線平行度存在微小偏差，全長(zhǎng)方向偏斜為4 mm。檢測(cè)方法如圖9和圖10所示。最終通過(guò)調(diào)整使下梁與上梁平行。

圖9 上下梁平行度測(cè)量示意圖

圖10 上下梁平行度測(cè)量示意圖

2.1.3 推料器同步精度調(diào)整

推料器為軋制過(guò)程中鋼板輸送裝置，若存在不同步情況時(shí)，鋼板被偏斜壓制，成型后管坯會(huì)產(chǎn)生軸向錯(cuò)邊現(xiàn)象，如圖11所示。

圖11 推料器同步測(cè)量示意圖

經(jīng)檢測(cè)，將同步誤差由之前的5 mm調(diào)整至2 mm以內(nèi)，進(jìn)一步控制同步精度，將軸向錯(cuò)邊量由之前的4～6 mm降低為2～3 mm。

2.1.4 上梁側(cè)導(dǎo)向間隙檢查調(diào)整

通過(guò)檢測(cè)數(shù)據(jù)、調(diào)整設(shè)備，將原東下部間隙由0.9 mm調(diào)整至0.5 mm，將原西上部間隙由0.65 mm調(diào)整至0.45 mm，符合設(shè)備精度要求，如圖12所示。

圖12 上梁側(cè)導(dǎo)向間隙檢查示意圖

2.1.5 下梁基準(zhǔn)校正

測(cè)得下梁自由狀態(tài)下東西兩側(cè)高度差為0.84 mm，通過(guò)液壓系統(tǒng)設(shè)定下梁補(bǔ)償值為0，-0.5 mm，-0.6 mm，-0.5 mm，-0.5 mm和0，提高了設(shè)備精度，如圖13所示。

圖13 下梁4個(gè)補(bǔ)償油缸測(cè)量調(diào)整示意圖

2.1.6 液壓系統(tǒng)檢查調(diào)整

檢查主油泵壓力發(fā)現(xiàn)，1#主泵和3#主泵出口實(shí)際壓力僅能達(dá)到設(shè)計(jì)壓力的50%～60%，更換比例壓力閥后主泵壓力滿足設(shè)計(jì)要求；檢查上梁六臺(tái)主油缸同步精度，壓力與位置曲線重合度較好，六臺(tái)主油缸工況下同步良好、出力均勻；檢查立板運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)東數(shù)第二個(gè)比例閥泄露較大，使油缸在執(zhí)行到工位要求時(shí)時(shí)間較長(zhǎng)，因此造成找平動(dòng)作慢，通過(guò)調(diào)整比例閥的電壓修正值，暫時(shí)解除了程序上的約束，使立板找平動(dòng)作恢復(fù)到正常速度。

通過(guò)對(duì)成型機(jī)設(shè)備的檢查調(diào)整，提高設(shè)備精度，使成型后管型更加美觀，橢圓度控制更加精準(zhǔn)，從而降低擴(kuò)徑后橢圓度超標(biāo)率。

2.2 工藝方面

鋼管在擴(kuò)徑工序下鋼管變形過(guò)程分為3個(gè)階段：彈性變形、塑性變形和彈性回復(fù)。全長(zhǎng)擴(kuò)徑工序一方面可以消除或降低成型和焊接過(guò)程中形成的殘余應(yīng)力，另一方面可以提高鋼管的直徑、橢圓度等尺寸精度和鋼管整體強(qiáng)度。大多數(shù)鋼管經(jīng)全長(zhǎng)擴(kuò)徑后，管體和管端尺寸滿足訂貨技術(shù)條件的要求。

影響擴(kuò)徑后管端橢圓度的主要因素有：管端初始橢圓度誤差、擴(kuò)徑率、靜止時(shí)間。因此，成型后橢圓度控制值成為控制擴(kuò)徑后管型質(zhì)量的重要因素。

通過(guò)對(duì)大量的橢圓度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，針對(duì)不同原材料和規(guī)格鋼管，制定更精準(zhǔn)的成型后橢圓度控制值，優(yōu)化成型工藝參數(shù)。

首先收集大量的橢圓度數(shù)據(jù)，要求每批次產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)尾號(hào)為1，4和8的鋼管均需記錄其成型后、擴(kuò)徑前后、水壓后的橢圓度數(shù)據(jù)。其次對(duì)收集的橢圓度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出橢圓度變化規(guī)率，如圖14所示。分析確定每批次鋼管更適宜的成型后橢圓度數(shù)值。從圖14可以看出，成型后東端橢圓度在-8～+4 mm時(shí)，擴(kuò)徑后橢圓度超標(biāo)率≤13%；西端橢圓度在+5～+17mm之間時(shí)，擴(kuò)徑后橢圓度超標(biāo)率≤13%。

最后要求成型崗位按照分析后得出的橢圓度參數(shù)范圍進(jìn)行軋制鋼管。繼續(xù)進(jìn)行橢圓度統(tǒng)計(jì)，由修橢圓的比例來(lái)繼續(xù)指導(dǎo)成型機(jī)調(diào)整參數(shù)，形成閉環(huán)控制。

圖14 φ1 219 mm×22 mm橢圓度超標(biāo)率分布趨勢(shì)圖

2.3 材料方面

降低因原材料原因造成的成型機(jī)橢圓度控制難度。在目前的實(shí)際生產(chǎn)中，同一批次甚至同一材質(zhì)的板坯采用統(tǒng)一的材料性能參數(shù)，而板坯性能是存在個(gè)體差異的，有的甚至十分顯著，因此，對(duì)于每一塊板坯，如果其材料性能參數(shù)不能被“一對(duì)一”地準(zhǔn)確檢測(cè)，則會(huì)影響其彎曲成型參數(shù)的精確預(yù)測(cè)，使產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性降低[9]。

針對(duì)鋼板同板強(qiáng)度差，在訂購(gòu)鋼板技術(shù)條件中做出了明確的規(guī)定，要求同板屈服強(qiáng)度不得大于40 MPa，要求鋼板不同板之間屈服強(qiáng)度差異不得大于80 MPa，見(jiàn)表1。

表1 鋼板采購(gòu)技術(shù)協(xié)議中鋼板強(qiáng)度要求

針對(duì)板板強(qiáng)度差，采用鋼板強(qiáng)度篩選、特殊處理的方法，首先收集鋼板質(zhì)證書(shū)中鋼板強(qiáng)度數(shù)據(jù)，對(duì)于強(qiáng)度與批量強(qiáng)度性能偏差較大的進(jìn)行著重關(guān)注，要求鋼管成型過(guò)程中精細(xì)測(cè)量每一步壓制位置[10]。

關(guān)注強(qiáng)度性能偏差較大的鋼板，要求將屈服強(qiáng)度相近的板料聯(lián)合上料，避免成型過(guò)程中變化差異過(guò)大。在鋼板入廠檢驗(yàn)過(guò)程中，加強(qiáng)同板強(qiáng)度差的檢驗(yàn)，從原材料入手減少同板強(qiáng)度差對(duì)成型管型的影響。

2.4 管理方面

為加強(qiáng)成型崗位員工對(duì)成型后鋼管橢圓度控制的重視，提高成型工的技能水平，制管一廠組織成型崗位員工進(jìn)行培訓(xùn)，并舉行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作考試，重點(diǎn)考核成型后橢圓度值控制能力，并進(jìn)行有針對(duì)性培訓(xùn)。通過(guò)此次培訓(xùn)、考試，加強(qiáng)了成型崗位員工的質(zhì)量意識(shí)，盡量避免因人為因素造成的管型質(zhì)量影響。

3 取得的成果及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

通過(guò)改進(jìn)措施的實(shí)施，鋼管擴(kuò)徑后橢圓度一次交檢合格率由80%上升到約89%。 該項(xiàng)目改進(jìn)之后，減少了因管型原因造成的管端切除、鋼管降級(jí)、降廢現(xiàn)象，大大降低了擴(kuò)徑后管端橢圓度超標(biāo)率，整體提高了鋼管的一次通過(guò)率，保證了生產(chǎn)的正常運(yùn)行，降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。

2013年5～9月擴(kuò)徑后管端橢圓度超標(biāo)率情況見(jiàn)表2。

表2 2013年5～9月擴(kuò)徑后管端橢圓度超標(biāo)率統(tǒng)計(jì)

從表2可知，擴(kuò)徑后管端橢圓度超標(biāo)率從22%降低到了12.74%。

如圖15所示，措施實(shí)施后，造成橢圓度超標(biāo)的原因中成型后管型差的比率由70.25%下降為37.90%，主要問(wèn)題所占比重大幅度下降。

圖15 實(shí)施前后主要問(wèn)題變化情況排列圖

4 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)設(shè)備檢測(cè)調(diào)整和改造來(lái)恢復(fù)設(shè)備精度、提高設(shè)備性能，通過(guò)工藝優(yōu)化來(lái)確保產(chǎn)品精度，采用先進(jìn)的統(tǒng)計(jì)分析方法來(lái)指導(dǎo)生產(chǎn)，使用技能考核來(lái)提高員工操作技能等等措施，可實(shí)現(xiàn)直縫埋弧焊鋼管管端橢圓度超標(biāo)率降低的目標(biāo)。鋼管管型外觀較之前更為精美化，增強(qiáng)了產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，為國(guó)家管道建設(shè)工程使用質(zhì)量可靠的鋼管奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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