大口径直缝埋弧焊管生产技术与装备的新进展

近年来，随着世界各国经济以及全球油气输送管道建设的空前发展，油气输送用大口径焊管需求量大增，大口径直缝埋弧焊管机组由此得到快速发展，其生产工艺及装备水平均有长足的进步。简要描述了大口径直缝埋弧焊管生产工艺技术及生产装备的新进展，包括引弧板焊接、板边加工、预焊、内外埋弧焊、扩径、水压试验、探伤等工艺技术装备，以及其他方面的技术进步情况。

近年来，随着世界各国经济的发展变化，特别是亚洲各国经济以及全球油气输送管道建设的空前发展，油气输送用大口径焊管需求量不断增加，使大口径直缝埋弧焊管机组得到了大力发展。据统计，1990年以来世界已建及在建的油气输送用大口径直缝埋弧焊管机组达46套，主要分布在亚洲（共35套，其中中国13套、韩国8套、印度8套、伊朗3套等），其次在欧洲（7套）和美洲（4套）。按照大口径直缝埋弧焊管的生产机型来分，主要有新型三辊弯板机组（RB/RBE机组，22套）、PFP机组（即渐进式JCO）及JCO机组（16套）、UOE机组（7套，其中3套为旧机组改造或搬迁）等。这些新建及改建的大口径直缝埋弧焊管机组较早期建设的焊管机组在生产工艺及装备水平上均有长足的进步。

1大口径直缝埋弧焊管生产工艺技术

目前，大口径直缝埋弧焊管机组生产管线管的基本工艺流程如图1所示。

1.1钢板超声波探伤

管线管生产除对原料钢板的化学成分、机械性能、板型及尺寸有明确要求外，一些管线标准和技术规范（如西气东输和陕京二线技术规范）还要求对生产钢管用钢板进行超声波探伤。当大口径直缝埋弧焊管机组的原料来源单一时，若厚板车间已对钢板进行了全板宽的超声波探伤，并能提供探伤合格证明，则焊管车间不再设置钢板超声波探伤装置，否则应设置超声波探伤自动装置。对于生产能力较低机组也可以采用手动探伤，并最好是增设翻板机。

1.2引弧板焊接

早期的引弧板（含熄弧板，以下同）焊接工序一般设置在成型工序之后。20世纪70年代后期开始将引弧板焊接工序设置在钢板边部加工之前。显然，先在钢板边焊上引弧板，由于引弧板与钢板同时加工，其坡口形状与钢板坡口完全一致，使得钢管管端焊接时焊接状态连续，因此对钢管管端的焊缝质量有利。但是由于引弧板要与钢板一起经过后部许多工序（板边加工、预弯边、成型、预焊等），容易脱落，需要随时检查，因此这种工艺只适合于压力成型机组（如UOE机组、JCOE机组等），RB辊弯成型机组一般不能采用引弧板焊接工序，但最近改进型的RB机组可以采用该工序。

1.3钢板弯边

弯边工序分为预弯边和后弯边两种。预弯边工序设置在主成型机之前，是在钢板成型前将钢板纵向两侧的边缘部分按要求的曲率进行预弯曲，以避免成型后因钢板边缘的直线段使管筒成为“栗子形”，而不是需要的圆形；后弯边工序则设置在主成型机之后，是将主成型后的“栗子形”管筒开口缝处的板边弯曲，使管筒成为要求的圆形。

比较而言，因为预弯边机适用的产品范围更宽，特别是可成型高钢级、大壁厚钢管，所以更受用户青睐。20世纪70年代以后建设的UOE机组以及90年代后建设的JCO机组均设置了压力式预弯边压力机。RB成型机一般多采用后弯边机，而新式RB机组对成型机进行了改进，也可以采用预弯边机，用于生产高钢级、大壁厚钢管。

由于HM成型工艺不采用弯边工序，因此其焊管的焊接质量将受到影响。番禺珠江钢管有限公司的HM成型机组已经增建了钢板后弯边设备。

1.4钢管探伤

目前国内外管线对钢管探伤的要求越来越严格。以我国西气东输和陕京二线技术规范为例：①要求对钢管管端及钢管全长纵焊缝100%进行射线照相或X射线静态图像检查；②要求对纵焊缝及热影响区100%进行纵向、横向裂纹的超声波检查；③要求对纵焊缝两侧25 mm范围内的管体、距离钢管管端50 mm范围内及延伸至坡口面的分层进行超声波或目视、磁粉检查；④补焊后要求对补焊区进行X射线、超声波、磁粉检查。

根据上述规定，大口径直缝埋弧焊管生产线上需要设置如下的探伤工位。

（1）扩径及水压试验工序之后：①设置钢管焊缝超声波探伤自动装置；②设置超声波手动检查装置，其功能包括对超声波自动探伤钢管管端盲区进行检查，对超声波自动探伤疑问部位进行核查，对钢管焊缝修补部位进行核查；③设置钢管X射线焊缝检查装置，其功能包括对超声波探伤有缺陷的钢管进行确认，并对钢管缺陷修磨前/后进行拍片或实时电子记录，对钢管焊缝全长实时电子检查记录，对钢管焊缝全长拍片；④设置钢管管端X射线检查装置，对钢管焊缝X射线检查的盲区进行拍片检查。

（2）平头倒棱工序之后：①设置钢管管端超声波分层探伤装置；②设置钢管管端及坡口磁粉探伤装置。

除设置上述探伤装置外，新建的大口径直缝埋弧焊管机组在扩径工序之前、内外埋弧焊接之后，还设置有钢管焊缝超声波自动探伤、管端超声波手动探伤和X射线检查工序，及时对焊缝横向/纵向缺陷进行探伤，以便在钢管扩径之前对其焊缝进行修磨补焊（因一些管线标准规定，焊管扩径后不允许补焊），并及时调整焊接工艺。

2大口径直缝埋弧焊管机组生产技术装备

2.1引弧板

目前，多数大口径直缝埋弧焊管机组的引弧板焊接是采用人工手动焊接，随着焊接技术的发展，一些生产能力较高的焊管机组已经采用全自动焊接。例如宝山钢铁股份有限公司（简称宝钢）的UOE机组设置了8个机器人，其中4个承担引弧板的搬运、定位、对齐等操作；另外4个承担焊机的定位及移动。该机组焊接的全过程自动化程度很高，由此大大提高了生产效率，保证了稳定的焊接工况，以确保获得高质量的钢管焊缝。日本住友的UOE机组则将引弧板加工线紧靠主作业线布置，加工好的引弧板直接由机械手搬运到主生产线，并对齐于钢板的待焊位置，然后进行自动焊接。

2.2铣边机

1980年以前，大口径直缝埋弧焊管机组的板边加工多由刨边机完成。大功率高效铣边机出现后，由于此类铣边机无论是板边加工速度，还是加工质量均较刨边机优越，并且设备重量远小于刨边机，设备投资也低得多，因此在新建的大口径直缝焊管机组上得到广泛应用。此外，一些焊管机组改造时也采用了铣边机，如英国联合钢铁公司的Φ1 117.6 mm（44 in）UOE机组。

此类铣边机采用2套电机传动的旋转铣刀头装置，铣刀头圆周装设有数十个铣刀块，刀块分多层布置，可将钢板铣削加工成需要的宽度，并将钢板两边加工成所要求的焊接坡口形状。由于钢板铣削加工所需的刀具数量较多，每个刀具的切削量少，所铣切的铁屑细小，因此刀具的使用寿命相应较高，并且使设备停机减少，作业率提高。另外铣刀盘装置为随动式设计，具有仿形功能，可跟踪钢板的浪形确保得到所要求的坡口尺寸及形状。

对于生产规模大的焊管机组，仅采用双旋转刀头（钢板两侧各1个刀头），铣边速度难以满足生产要求，由此开发了4刀头铣边机。该铣边机在钢板两侧各布置2个铣刀头，前刀头负责钢板定宽粗加工，后刀头负责精定宽和坡口加工。这种4刀头铣边机较之2刀头铣边机的制造和控制精度要求更高，且加工能力也强很多，已用于宝钢的UOE机组。

2.3预弯边机

预弯边机有压力机型和辊压机型。压力机型预弯边机采用具有一定曲率、一定长度的上下压模，生产时上压模固定，下压模由液压缸驱动将钢板边部压靠向上压模，使钢板边部按照设定的曲率产生弯曲变形，根据模具长度的不同，经过多次预压完成一张钢板的弯边操作。压力机的弯边质量较辊压机好，可以比较容易地生产高钢级厚壁焊管。

新式预弯边机有如下特点：①压力更大，宝钢UOE机组的预弯边机压力达到了40 MN。大压力预弯边既可以保证所生产产品的高钢级和大壁厚要求，也可以实现弯边机的大步幅操作。②弯边机每步操作的步幅增大即步数减少。宝钢UOE弯边机的步幅可达4.8 m，对于18 m长的钢管4步即可完成全长弯边操作。弯边步数的减少意味着生产能力的提高，同时亦减少了成型过渡带的数量，有利于产品质量的提高。③模具规格越来越少。对于Φ1 422.4 mm（56 in）机组，其Φ508~1 422 mm的全范围产品，一般至少采用6套上下模具。若通过计算机模拟技术进行模具设计，则可使模具规格减少，仅用2套下模和5套上模即可。

2.4成型机

自20世纪50年代作为油气输送管道用管的UOE成型工艺出现以来，随着焊接、成型、检测及自动化技术的发展，以及世界各国的经济发展和油气管道需求的增加，大口径直缝埋弧焊管生产工艺技术不断进步，先后开发出多种大口径直缝埋弧焊管成型方法，主要有UOE成型法、排辊成型法、RB辊弯成型法、JCO成型法（包括渐进式模压成型和折弯成型法PFP）、C成型法、HU-METAL（HM）成型法等。其中应用最多的是RB成型法、JCO成型法及UOE成型法。

关于上述成型技术及成型机的发展在文献中已有详尽介绍，本文不再赘述。

值得一提的是，我国湖北三环（黄石）锻压机床有限公司及天水锻压机床有限公司等已开发出具有自主知识产权的JCO成型机，这些成型机在某些方面具有自己独到的性能特点，目前已在国内多个厂（如青县巨龙钢管、南京巨龙、珠江钢管等）使用，还出口到墨西哥和印度等国。

2.5预焊机

预焊机是20世纪70年代以后开始采用的，先是采用点焊工艺，然后开发了连续式预焊。连续预焊可避免钢管内焊时出现漏焊现象而使空气吸入焊接区形成气孔，对保证钢管内外焊接质量有利。连续预焊又分两种型式，一种是用带箍或框架将管筒箍住，用多台自动焊机进行预焊；另一种是用笼式辊梁将钢管焊缝连续合拢，用自动焊机全长预焊。

为提高钢管开口缝的对接质量，近年来笼式辊梁预焊机得到了广泛应用。该预焊机设计有1个笼式框架，其内沿圆周设置了7~9个纵向辊梁（其上设有许多不传动的小辊），成型后的开口管筒由链式装置送入预焊机，钢管管头挤入各辊梁组成的空间内并使钢管开口缝闭合，然后由保护气体弧焊机将钢管开口缝连续焊合。由于预焊机的辊梁沿管筒长度方向设置，使得管筒逐渐变形，且钢管开口缝闭合点距离焊机较近，因此焊接质量及稳定性较早期的辊环式预焊机有很大的提高。

最近，国外开发出液压式预焊机，其结构型式与辊梁式相同，但大多数辊梁的空间定位为液压驱动，在管筒进入笼式框架之前，各辊梁处于打开位置，当钢管头部进入框架后，辊梁由液压系统调整到要求的位置，夹紧管筒并使钢管开口缝闭合。这样设计避免了管筒对辊梁的冲击，提高了工作可靠性，同时可有效避免引弧板的脱落，对提高钢管焊接质量大有益处。液压式预焊机已经在俄罗斯得到应用。

预焊机普遍采用氩气保护或CO 2气体保护弧焊，设有焊缝自动跟踪装置，采用单丝或双丝焊接，以单丝为主，焊速可达6~8 m/min（日本NKK公司福山厂改造后的连续预焊机焊速达12 m/min）。生产能力不同的机组，其预焊机设置的数量也不同，最多的是德国欧洲钢管Φ1 625.6 mm（64 in）机组，共设置3台预焊机。

2.6内外埋弧焊机

内外埋弧焊机主要采用了以下技术及装置。

1）多丝焊接技术

为了提高焊机的焊接速度，减少焊机数量，降低投资及生产成本，目前世界上普遍采用4丝及5丝焊接以替代过去的2丝或3丝焊接。多丝焊接具有可焊厚度增厚和焊接速度加快，有利于改善焊接热影响区晶粒长大，线能量小、效率高、热影响区窄等优点。但由于焊丝之间互相干涉，使得焊接过程复杂化，因此焊机设定也更困难。

5丝焊接技术主要用于外焊机。由于内焊机焊接悬臂梁要伸入钢管内部进行焊接，因此为避免焊臂及焊头占用的空间过大，焊丝数量一般不超过4丝。世界上采用5丝焊接技术的大口径直缝埋弧焊管机组已超过6套（如英国联合钢铁公司、意大利ILVA、德国欧洲钢管、俄罗斯Vyksa和Izhorsky、中国宝钢等）。目前6丝焊接技术也已开发，但尚未在大口径直缝埋弧焊管机组上应用。

2）新型电源装置

多丝埋弧焊机的电源配备中，1号焊丝多采用直流电源，其后各焊丝采用交流电源，不调频的各交流电源采用不同相位接入。这种电源配备方式，使各焊丝间的电弧干扰小，焊接参数控制简单，但焊接速度慢，效率不高。

为了提高焊接效率，新型焊接电源装置得到了应用，如方波电源和动力波电源装置等。将标准交流电源改为方波电源，可大幅提高焊接效率和降低焊机装机容量。动力波电源装置的应用使各焊丝电源的波形及频率均为可调，能较好地控制各焊丝电弧之间的干扰，同时由于电源可调范围加大，因此可有效地提高焊接速度，降低焊机装机容量。这些新型电源已经在德国欧洲钢管、俄罗斯Vyksa以及印度的厂家等得到了应用。

3）高钢级焊管用焊丝、焊剂

在大口径直缝埋弧焊管机组的生产过程中，焊丝及焊剂是主要消耗品，对生产成本影响较大。目前专用焊丝加常规焊剂的焊接技术已经在世界上普遍采用，对于不同的钢种，可以采用与之相适应的具有不同合金成分的焊丝，而焊剂则只采用少数几种，且多为中性焊剂，这样不但可以降低生产成本，而且可减少环境污染。

目前，X70钢级管线管生产用标准焊丝、焊剂的应用已很普遍，X80钢级专用焊丝也已经开发出来，可将专用焊丝与常规焊剂配合进行生产。但X100、X120钢级管线管的标准焊丝及焊剂仍在研制中。

4）数字控制技术

大口径直缝埋弧焊管机组多采用模拟控制技术，近年来数字控制技术已经得到应用。如巴西Confab钢管厂UOE机组改造的焊机用数字控制技术取代原有的模拟控制技术取到了较好的效果。俄罗斯Vyksa、宝钢UOE等新建大口径直缝埋弧焊管机组也采用了数字控制技术。

2.7扩径机

近年来，随着管线钢管钢级的不断增高，要求钢管机械扩径机的扩径能力越来越大，如以前扩径机的拉力最大不超过10 MN，而目前几套新建及改扩建机组均采用了15 MN拉力的扩径机。钢管机械扩径机的发展特征如下。

（1）更注重矫直功能的开发。机械扩径机在钢管扩径过程中，因带有一定长度的扩径头对钢管本身就具有一定的矫直功能，但随着管线用户对钢管直度的要求越来越高，单纯靠扩径头本身的矫直效果已经无法满足，故有的生产厂家在钢管扩径机上设计了专门的矫直装置。钢管在扩径时，扩径头扇形块胀开，直至使钢管进入塑性变形时进行矫直，以此合理利用扩径塑性变形过渡区（紧靠与扩径工具直接接触的扩径区，但已达到塑性变形的区域）金属的软化，因而只使用很小的矫直力即可达到很好的矫直效果。采用这种设计可以使矫直力独立且在矫直装置内形成封闭力环，不影响钢管扩径机的基础。另外也有在钢管扩径机中设计特殊的托辊系统，以利用钢管的夹持头、扩径头及托辊的联合作用来实现附加矫直功能。

（2）扇形块间设密封。扇形块间设密封可防止在钢管扩径过程中杂质进入扇形块间，延长扇形块及锥形块的寿命，减少扩径头冲洗用乳化液的用量。扇形块与锥形块之间由T形键连接，可保证在卸载时扇形块能够与锥形块协调动作。与采用弹簧回弹结构相比，减少了中间部件数量，无易损件且连接导向更佳。

（3）先进的液压缸行程控制系统开发。采用先进的液压缸行程（即扩径机胀缩位置）控制系统，可以实现动力缸双向行程的精确控制，从而很容易地采用多种模式扩径（正常扩径、慢速扩径等），实现拉杆延伸补偿，以控制扩径机的扩径率。

2.8水压试验机

随着管线设计压力的提高，以及管线标准或订货规范的规定更加严格，对钢管水压试验的压力要求越来越高。为此，许多厂家将钢管水压试验的压力不断提高，如日本住友鹿岛厂将水压试验的压力提高到48 MPa；俄罗斯Vyksa厂新建机组水压试验设计压力为55 MPa；宝钢UOE机组设计的水压试验最大压力达58 MPa。

目前水压试验机的密封型式主要有端面密封和径向密封两种。

端面密封式水压机主要适用于试验压力不大（25 MPa）的场合。主要特点是密封工具简单、更换方便、生产能力大。另外，由于采用这种密封型式，钢管无试验盲区存在，而水压试验前必须对钢管管端进行平头加工，因此需要增设1台钢管平头机。

对于试验压力大于25 MPa的场合，一般采用径向密封。目前应用较多的是径向内密封方式，这种方式对钢管端面形状无特殊要求，不需设置专用的钢管平头机。但这种密封型式使水压机工具数量增多，试验过程中在钢管两端存在试压盲区，对于质量要求较高的管线，需要将钢管试压盲区加工去除，因此材料消耗大。

2.9钢管探伤

为满足DNV、ISO3183、SHELL等标准对产品质量的严格要求，大口径焊管机组超声波探伤装置所需的探头数量越来越多，除在钢管焊缝两侧设置纵向缺陷探头及横向缺陷探头外，还需要在钢管焊缝中央设置OB（On Bead）探头以检测钢管焊缝中的面状缺陷，以及设置HAZ分层缺陷探头等。

日本NKK福山UOE机组更新的超声波探伤装置设置有20个探头（纵向及横向各8个，OB探头4个）；中国宝钢UOE机组1号超声波探伤装置设置的探头数量为18个（通道21个）；2号超声波探伤装置设置的探头数量为30个（通道41个），最高探伤速度达60 m/min。

另外，如高精度激光跟踪装置及具有空间交叉型传感器功能的新式涡流等钢管焊缝跟踪新技术的采用，使得钢管焊缝跟踪精度可在1 mm以内，超声波探伤稳定性得到较大提高，能够确保生产出高水平高质量的钢管。

钢管焊缝或管端X射线探伤装置一般设置3套以上，日本住友设置4套，德国欧洲钢管及中国宝钢各设置5套。过去X射线装置主要用于目测检查及拍片功能，信息存储量小，速度也慢。近年来设置的X射线装置除保留前述功能外，还增加了可以对钢管焊缝全长实时电子记录（电子拍片）的功能。

德国欧洲钢管近年来将电磁超声波探伤技术用于钢管表面质量检测，以取代人工目视观察，既节省了人力，又减少了由于人工用眼疲劳而带来的漏判现象。

2.10其他技术及装备进步

1）大量使用工业机器人

全自动多功能工业机器人已开始在大口径直缝埋弧焊管生产线上广泛使用，包括全自动引弧板上料、引弧板焊接、引弧板切割、管端焊缝修磨、管端尺寸检查、钢管自动标记等工序。多功能机器人的使用，使生产线在操作自动化水平以及生产稳定性（移动速度、工位精度、可靠性等）方面具有巨大的优越性。

2）广泛采用横移小车

新建及改造机组广泛采用横移小车进行钢管横向输送。与链式运输机和斜台架装置等运输方式比较，横移小车具有设备重量轻、投资省、运输灵活、钢管无碰撞等优点。另外，横移小车还可以采用液压装置驱动、液压控制钢管升降、密封型防水滑线、全自动电气控制等新技术及装备，提高了生产线的先进性和自动化水平。

3）过程控制信息化及自动化系统

钢板进入生产线，首先根据钢板的标识数据，由质量信息系统自动生成一个钢管号并标注在钢板上表面，然后在钢管预焊后对其外表面进行标注，在产品出厂前最终对管端再次进行标注。钢管在整个生产过程中的质量信息均以该钢管号记录于二级计算机系统中，最终形成该批钢管的质量文件并保存下来。

对于大口径直缝埋弧焊管来说，由于生产工序繁多，且任何工序均有可能会出现钢管的离线或旁路通行，要实现全自动的物料跟踪，不仅投资巨大，而且也极为困难。目前高水平的大口径直缝埋弧焊管机组一般采用区域自动跟踪，而非全线物料自动跟踪方式，但所有操作的质量信息均自动记录并上传二级计算机系统。

3结语

近年来，世界各地大口径直缝埋弧焊管机组建设迅猛，新技术、新装备不断涌现。我国自1990年以来，大口径直缝埋弧焊管机组从无到有，至今已建设了13套（其中2套在台湾），生产也取得了长足进步，已为西气东输工程提供了高强度、大口径、大壁厚、高尺寸精度的输气用管。2008年以前，我国已建设的大口径直缝埋弧焊管机组中，有引进二手UOE机组、二手HM机组、国产UOE机组、国产JCOE机组、引进JCOE机组等，各机组的工艺及装备水平参差不齐，其中高水平的机组仅2套，与国外高水平机组相比，在整体工艺装备水平、过程控制信息化及自动化水平、焊接材料的稳定性、无损探伤技术的可靠性等方面都有差距。但随着2008年1月底宝钢UOE机组的建成投产，以及秦皇岛宝世顺钢管有限公司等一批JCOE机组的建设，我国大口径直缝埋弧焊管的生产技术水平得到了大幅度提高。另外，我国大口径直缝埋弧焊管机组的关键设备开发制造水平也得到了大幅度提升，JCO成型机除供应国内机组建设外，还向国外出口了多套机组。显而易见，我国的大口径直缝埋弧焊管技术及装备目前已处于国际先进水平，甚至达到领先水平。