不锈钢焊管工艺国内外发展概况及研究进展

国内外不锈钢焊管工艺发展概况

截止到2008年，国外已建和在建的不锈钢焊管工程有30多项，见表1-1。其中能够制造18m长高等级、厚管壁、大直径管线钢管的生产线有8条，基本上分布在发达国家。

自美国1940年首创不锈钢焊管成形工艺生产大口径直缝焊管的技术以来，国外不锈钢焊管焊管机组的发展经历了四个阶段。1951年美国麦基斯波特厂建成了世界上第一台工业化生产的不锈钢焊管机组，产品直径为φ24~26in(φ609.6~914.4mm)，最大壁厚12.7mm，最大长度12m，年生产能力10 5 t。这种被称为第一代的不锈钢焊管机组缺乏现代检测设备和自动化控制技术，没有钢板边缘弯边和预焊工艺，O成形压力机能力较小，约为160MN，内焊和外焊采用两丝焊机，钢管扩径采用水压式扩径方式。

1955~1967年期间，不锈钢焊管生产技术得到迅速发展。世界上共建成18套不锈钢焊管焊管生产机组。产品最大直径提高到φ42in(φ1066mm)，最大壁厚达到25.4mm。在被称为第二代的不锈钢焊管机组中，采用了辊式弯边机对钢板边缘进行弯曲的弯边工艺和间断式预焊工艺，O成形压力机能力提高到240MN。除美国A.O.史密斯厂的不锈钢焊管机组采用闪光焊外，其余机组的内焊和外焊仍采用两丝焊机；部分机组开始采用机械扩径方式对钢管进行扩径，并开始采用无损探伤设备对焊缝和管端进行探伤检测。

1968~1979年期间，不锈钢焊管生产技术的发展达到了一个鼎盛时期。这期间世界上共建成了16套不锈钢焊管生产机组，并对2套旧机组进行了技术改造。到上个世纪80年代，焊管的最大直径达到了φ64in(φ1625.6mm)，最大壁厚达到了

1.5in(38mm)，最大管长为18.3m，管线钢管的钢级达到X70，机组的年产量约为2×10 5~8×10 5 t，个别机组可达1.1×10 6 t。这个阶段发展起来的机组被称为第三代。第三代不锈钢焊管机组采用了机械式压力机对钢板边缘进行弯边。在成形方面，O成形压力机的能力达到了600MN，部分O成形压力机还装有钢板自动测长、自动定位和设备自动调压装置；在焊接方面，采用了保护气体连续预焊工艺，内焊和外焊分别采用了3丝和4丝焊接工艺；在扩径方面，全部采用了机械扩径工艺，并根据生产规模不同，有的机组采用了双头扩径工艺设计；在检测方面，有些机组采用超声波对钢板进行探伤检测，焊缝和管端用超声波、X光射线、磁粉探伤装置进行探伤检测，普遍采用了计算机进行控制和管理。

1980年以来，除俄罗斯外，国外无再建新不锈钢焊管机组，而有的老机组停产了，有的被卖到发展中国家。英国在1993年对哈特尔普尔厂的不锈钢焊管机组进行了技术改造，将O成形机的能力提高至500MN，产品规格拓宽为φ406~1067mm，壁厚可达到50mm，内焊和外焊分别采用了4丝和5丝焊接工艺。俄罗斯Izhorsky trubny Zavod2005年开始建设的不锈钢焊管生产机组是目前国外建成的最新的不锈钢焊管生产线，预计其产品的最大直径为φ1422.4mm，最大壁厚为40mm，最大钢级为X80[3,64]。目前，已建成的不锈钢焊管机组已能生产钢级为X80、外径为φ64in(φ1625mm)、壁厚为65mm、长度达18.9m的钢管，年产量可达10 7 t。

十年前，不锈钢焊管管线钢管制造技术在我国还是一片空白，随着西气东输工程的正式启动和数十条石油天然气长输管线建设项目的规划，不锈钢焊管管线钢管制造技术开始被国内一些管线钢管制造企业和学术界所关注。上世纪末，在河北青县、沙市石化等厂家竞相建设JCOE大直径管线钢管生产线的同时，珠江钢管有限公司通过引进二手UO成形设备和自制机械扩径机建成了国内第一条不锈钢焊管生产线，开创了我国生产不锈钢焊管大口径直缝埋弧焊管的先河[1]。随后，辽阳钢管公司国产化不锈钢焊管机组投入生产。“十一五”期间，宝钢通过国际合作开始建设我国第一条高水平的不锈钢焊管生产线。到目前为止，我国已经建成和正在建设的不锈钢焊管生产线共计四条。

宝山钢铁股份有限公司不锈钢焊管生产线于2008年1月进行热负荷试车，成功试制出直径为φ1016mm的直缝埋弧焊管。该生产线的板边弯曲成形压力机、U成形压力机和O成形压力机均采用了国外引进的技术，分别由第一重型机械有限公司、太原重型机械有限公司制造。机械扩径机则采用的是从德国米尔公司引进的设备。应该说，宝钢的不锈钢焊管机组是目前世界上最先进的机组之一。其O成形压机的最大压力为720MN，是目前世界上最大的O成形压机。生产线配备了两台最大拉力为15MN的机械扩径机，具备X100钢级管线钢管的生产能力。设计年产直缝埋弧焊管5×10 5 t，产品外径为φ508~1422.4mm，壁厚为6~40mm，长度为6~18.3m。

不锈钢焊管工艺研究进展

作为一种实用技术，不锈钢焊管大直径管线钢管制造工艺已经被一些工业发达国家所掌握[66~72]。由于大直径管线钢管不锈钢焊管成形工艺的研究人员主要来自管线钢管的制造企业，他们所关注的问题大多集中于技术层面，一直很少有关于不锈钢焊管应用的基础层面的研究成果公开发表。在上个世纪七、八十年代，日本的一些学者对不锈钢焊管成形过程中钢板的变形规律等问题进行了比较详细的研究，发表了一些成果[29,73~81]，但由于在当时条件下，研究者只能采用近似解析的方法来分析问题，因此在求解过程中，采用了大量的假设和简化，所以其结果与实际情况偏离较大。于是，有很多学者借助计算机仿真技术对不锈钢焊管成形工艺过程进行了大量的研究，在其后的很长一段时期内，几乎没有人再去研究不锈钢焊管成形工艺的应用基础问题。在最近几年，随着国际上长输管线建设新高潮的来临，又有一些关于不锈钢焊管成形机理和变形规律方面的研究成果发表。

国内关于不锈钢焊管成形工艺方面的基础问题，早期只有一些零星的研究，而由于研究工作比较分散且缺乏深度，所以一直没有形成系统的应用基础体系。近年来，随着不锈钢焊管生产线的建设与运行，无论是技术研发还是工业运行，工业界都表现出了对不锈钢焊管成形相关基础理论知识的渴求。因此关于这方面的研究工作也逐渐被从事材料加工工艺研究的学者和有关企业界技术人员所关注。其中，华南理工大学、番禺珠江钢管有限公司、沙市钢管厂和燕山大学等单位都基于广泛的工程应用背景，先后开展了比较系统的应用基础研究工作。

华南理工大学的阮锋教授通过理论和数值模拟方法对不锈钢焊管成形工艺进行了较深入的研究。在弯边工序方面，推导出了根据板料强度、厚度和最终成形半径直接计算弯曲半径的回弹逆解公式，并根据计算公式给出了不同钢级的不锈钢焊管在弯边成形中的弯边辊半径优化设计诺谟图。据此，可以依据材料强度、厚度和焊管名义直径迅速、简明地从图中确定弯边辊的半径。同时指出，弯边工艺可以改善板料O成形后的曲率分布，在弯边弧度大于25°时，O成形后管坯的边缘直边现象得到了明显改善。随弯边弧度的增加，O成形后的管坯曲率逐渐趋于均一。并且，弯边半径为焊管名义半径的1.0~1.3倍时,可以获得较好的形状。在O成形工序方面，采用有限元分析方法研究了O成形过程的载荷、板料变形模式和曲率分布变化，揭示了O成形过程的变形机理。根据研究结果，O成形过程可分为4个阶段：U形件对口、直边弯曲、悬弧二次弯曲和悬弧多次弯曲。

2006年，番禺珠江钢管有限公司的研究人员通过分析不锈钢焊管制管工艺O成形时钢板所受的外力和弯距，指出板料厚度和管坯直径是影响O成形载荷的主要因素，并分别给出基于板料屈服强度和校正压缩比两种O成形载荷的计算方法。利用这两种计算方法可以在工程上对O成形载荷进行较粗略的预测。事实上来料的几何形状对O成形工序的成形载荷也有较大影响，板边弯曲工艺的成形质量对其影响尤为突出，但在上述文献中给出的公式并未考虑这些因素的影响。然而值得指出的是，这是目前国内唯一具有参考价值的O成形载荷计算公式。在试验方面，番禺珠江钢管有限公司用规格为φ711mm×15.9mm×12200mm直缝焊接钢管进行了不锈钢焊管全过程的实验，考察了试制样品的成形精度。各项测试结果表明，所拟定的不锈钢焊管成形工艺技术路线合理，并通过实际生产证明了板料成形过程所采用的弯边、U成形、O成形以及扩径等工序相结合的逐次成形方法在高精度直缝焊接钢管产品的生产中非常有效。

湖北沙市钢管厂的李宏、谢志民等人于2006年和2007年分别发表文章，先后对弯边工艺进行了详细的分析。文中推导了上模曲率半径、弯边长度、弯边卷角和弯边力等主要弯边工艺参数的计算公式。运用这些公式确定的弯边工艺参数被应用于生产实际中，使弯边质量达到了工艺要求。

燕山大学自1999年就开展了不锈钢焊管成形工艺的研究工作，但主要集中在机械扩径工艺的研究上。2001年，郭宝峰教授在完成的博士学位论文《管线钢管机械扩径工艺的数值模拟与实验研究》中详细的分析了扩径变形过程及变形特征、扩径工艺参数对制品质量的影响及模具形状参数对制品质量的影响，推导出了扩径力、扩径行程的计算方法和回弹近似预测方法。在随后的研究工作中，先后建立了基于有限元分析的机械扩径工艺过程的多目标优化方法和基于BP神经网络的机械扩径工艺参数预测方法。

基于有限元分析的机械扩径工艺过程的多目标优化方法可以在同时满足制品横断面尺寸和形状精度的条件下，从理论层面上确定管坯的尺寸规格、形状误差以及与之相对应的模具尺寸和变形程度。采用这种方法，可以在一定程度上改变在制定机械扩径工艺时完全依赖经验的现状。特别是对于新产品开发，可以显著地减少实验工作量而更具应用价值。基于BP神经网络的机械扩径工艺参数预测方法与基于有限元分析的遗传优化算法比较，其计算效率更高，同样能够得到与制品规格相对应的扩径率、管坯横断面圆度和模具外径与制品内径之比的最优组合，进而可以确定管坯的外径和壁厚与模具直径。因此，该方法能够很好地预测管筒形零件机械扩径的工艺参数。

在这期间，周维海博士采用了修正的Lagrarge描述的大变形弹塑性有限元法分析了U成形的变形过程。基于Prandtl-Reuss流动理论，结合Misses屈服准则，构建出本构方程，分析了变形过程中沿板宽和板厚方向的应力分布规律，并就板厚、材料及模具形状对回弹量的影响给出了详尽的分析结果。但文中只定性地分析了各种因素对回弹量的影响，并没有对U成形板料直壁段的回弹角和底部弯曲半径的回弹量进行定量的分析。

虽然目前已经有一些研究成果陆续公开发表，但由于不锈钢焊管成形工艺路线较长，涉及的成形工艺参数和模具结构参数多，加之各种参数对最终制品的成形质量交互影响，其变形机理和变形规律相对复杂。目前，将不锈钢焊管工艺各工序连续变形统筹考虑，建立一种有利于保障成形质量的质量评价体系及质量控制策略的研究工作还未见报导。

课题来源及本文主要研究内容

本课题来源于国家自然科学基金项目(50475080)“管筒形零件机械扩径精确成形的理论与应用基础研究”，并以上海宝山钢铁股份有限公司与燕山大学的合作项目“不锈钢焊管成型工艺过程仿真系统开发及仿真研究”为依托，对不锈钢焊管成形工艺的基础问题进行研究，在此基础上，建立板料在不锈钢焊管成形过程中多步成形的协调机制，制定不锈钢焊管方法成形大直径直缝焊管成形过程的质量控制策略。并利用MARC软件平台的二次开发技术，研究和开发集可视化菜单输入功能、参数化自动建模功能、可控的人机交互式仿真计算功能、质量评价指标自动生成功能和缺陷分析功能于一体的不锈钢焊管成形工艺过程仿真系统，为不锈钢焊管成形工艺技术的自主研发和不锈钢焊管管线钢管成形工艺设计提供理论、技术支持。

本文的主要研究内容包括：

(1)根据弹塑性理论，研究和完善管线钢管不锈钢焊管成形工艺的基本理论，对各工序的成形载荷、模具行程、回弹等进行分析和预测。

(2)建立不锈钢焊管成形过程的连续仿真有限元模型，对成形过程进行分析，研究板料的变形机理。

(3)定性和定量地研究不锈钢焊管成形质量的影响因素，构建不锈钢焊管成形质量的评价体系，制定不锈钢焊管成形过程的质量控制策略。

(4)基于不锈钢焊管成形质量的评价体系，引入CAE参数化技术，开发不锈钢焊管成形工艺过程仿真系统。

(5)对O成形过程进行实验研究，深入了解不锈钢焊管来料质量和工艺参数对O成形工序成形质量及成形载荷的影响，验证理论分析和数值模拟的结果。