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1、焊接钢管技术的新进展,中国金属学会轧钢学会焊接钢管学术委员会 王晓香 2010年11月,目 录,一. 国际管线钢管开发的新进展 1.天然气长输管道的发展 2.大应变钢管开发的新进展 3.超高强度管线钢管开发的新进展 二. 焊管企业的现代化信息系统建设 三. 焊管生产技术与装备的技术进步 1. 直缝高频焊管（HFW） 2. 螺旋埋弧焊管（SAWH） 3. 直缝埋弧焊管（SAWL） 四. 结语,一.国际管线钢管开发的新进展,1993-X60,1998-X65,2000-X70,2003-X80,2005-X100,2007-X90,X120,在高钢级管线钢管开发中，我国起步较晚，但进展速度较快。,
2、1990-X52,1.天然气长输管道的发展,1) 陆上天然气长输管道钢级的提升 目前国际陆上天然气管道的钢级已X70发展到X80； 从2003年开始，在我国和北美陆续新建了3条X80天然气长距离输送管道，大大推进了X80钢级在陆上天然气管道的应用； 新建的X80天然气长输管道均大量采用了螺旋焊管，提高了管道的经济性和竞争力； 在不到10年的时间里，我国天然气长输管道钢级从X70发展到X80，赶上了国际先进水平；,就全球已经建成和正在建设的天然气高压长输管道而言，不论钢级、长度、管径、壁厚还是输送压力，西气东输二线工程都堪称世界之最。,2）海底天然气管道的发展 向深水进军：墨西哥湾ITP海底管线
3、最大水深达7912 ft（2753m），正向30006000m发展（巴西）； 钢管钢级提高到X70； 管道输气量不断提高，北溪管道采用双管铺设，输气量2275 m3/a=550 m3/a； 工作压力高，钢管壁厚大 北溪管道工作压力22MPa，钢管壁厚26.8 41.0 mm ； 韧性要求高： -10 CVN 150J DWTT SA85%； 屈强比 横向0.90，纵向0.92（时效后）； 抗HIC和CTOD要求； 钢管圆度要求高：对OD1219mm钢管5mm； 高性能外防腐+水泥加重层。,最近在北美地区启动的阿拉斯加北坡天然气管道项目（APP项目），将把X80天然气长输管道的建设提高到一个新水
4、平： 更高的工作压力： 17.5MPa 更大的输气量 ： 430590 亿m3/a 更大的壁厚 ： 23.737.9mm 更高的韧性要求： -15 CVN 250J DWTT SA%85% 更高的塑性变形能力：屈强比横向0.93 纵向时效后0.88 更高的防腐涂层要求：涂敷温度 200 ，可在-40 冷弯 基于应变设计和大变形钢管的应用 可能在低应变区部分采用X100钢管。,3）APP管道项目的新挑战,该项目目前有2个比选方案： 1. 全线管道输送方案 全线管输方案管道全长2775km，外径1219mm X80钢管总用量200万吨； 2.管输+液化输送方案 管输+液化输送方案将通过1309km
5、管道输送到港口再进行液化输送，管线长1309km，总用管量100万吨。,APP项目将要通过的地质灾害区,地震引起的地面运动,内压,断层横移,滑坡和土壤液化,土壤冻胀,冻土融沉,2. 大应变钢管开发的新进展,大应变钢管技术日趋成熟 双相组织管线钢的成功开发提高了高钢级管线钢管的塑性变形能力，降低了应变时效性能，X80/X100大应变钢管均已成功开发；具备了批量生产能力； 我国西气东输二线在特殊地段成功采用了基于应变的设计，并批量应用了X80大应变钢管； 基于应变的设计和X100大应变钢管在北美试验段获得小批量应用； 对钢管的轴向拉伸、压缩极限进行了大量的研究分析和实物试验，获得了关于大应变钢管极
6、限变形能力的数据，建立了较为准确的分析方法； 进行了大量的环焊缝焊接和宽板拉伸试验，掌握了环焊缝缺陷容限与纵向应变量的规律，并进行了现场试验段的焊接，为环焊缝质量提供了保证。,宽板拉伸试验机与试样取样,宽板拉伸试样,钢管实物压缩试验,钢管实物弯曲试验,3.超高强度管线钢管开发的新进展,当前国外高钢级管线钢管研发活动十分活跃，研究重点集中在X100钢级管线钢管上。超高强度管线钢管的开发可能在X100级别取得重大突破性进展。 当前X100钢管的开发已从单纯试制几根X100强度级别的钢管发展到5km以上的试验段，同时将环缝焊接作为开发的一个重点，环缝焊接工艺也已基本解决。 已对X100钢管的应变时效
7、和拉伸/压缩应变容量进行了大量的研究，取得了很大的进展，当前开发的X100钢管已能适合基于应变的设计。 X100钢管应用另一个关键问题止裂也取得良好进展，接近了实际应用的水平。 X100螺旋焊管的开发也取得很大进展，接近了实用要求。,1）.国际上超高强度管线钢管开发的新进展,X100/X120试验段,虽然已经成功建设了多条X100试验段。但是迄今为止所有的管道试验段都没有在真正X100的设计应力工况下运行。 建设试验段的目的集中在管道的设计、施工技术的考核和改进上。 对钢管强度、韧性和可靠性的考核主要依靠实验室试验和试验场试验（全尺寸爆破试验、试验场试验段考核）,TAP项目X100试验场试验段
8、,首条X100试验段施工现场,世界上已建X100/X120试验段的情况,2. ）超高强度管线钢管研究开发在中国的进展,从2005年起，我国已进行了如下超高强度 (X90、 X100 和X120级)管线钢管的实物开发: 2006年 试制成功 X100 JCOE直缝埋弧焊钢管。 2007年 试制成功 X 90 JCOE直缝埋弧焊钢管。 2007年 试制成功 X120 JCOE直缝埋弧焊钢管。 2010年 试制成功 X100 螺旋埋弧焊钢管。,超高强度管线钢管在中国的开发大大缩小了我国在此领域与西方先进国家的差距。 然而，我们在X100的适用性研究，例如基于应变的设计、现场环缝焊接以及断裂控制的系统
9、性研究方面和国际先进水平还有一定差距，需要继续努力。 虽然开发过少量X100钢管，但具有双相微观组织、较低屈强比和应变时效行为的X100钢管还没有开发成功。 迄今为止，我国仅进行了一次X80的全尺寸爆破试验，X100的爆破试验还未进行，关于X100的断裂控制的研究成果还很少。 关于X100钢管应变容量的研究所需的宽板拉伸和全尺寸弯曲试验装备还不具备。 X100环缝焊接的脉冲焊接新工艺、新装备和焊材，以及X100钢管现场冷弯和涂层技术还需要开发等等。,二. 焊管企业的现代化信息系统建设,为了应对管道建设对钢管日益提高的质量保证要求，上世纪末欧洲焊管企业率先进行了焊管企业信息化改造，改善过程控制，
10、不断提高产品质量，其要点是： 将过程控制确立为优先发展的最高技术 目的是做到首次正确 实现无缺陷焊接 满足严格的尺寸要求 持续提高核心员工的技术知识。,1.欧洲钢管集团的集成信息网络,1.）生产控制和信息系统(PRODIS) (PRODuction Control and Information System),为钢管生产提供持续的质量保证。 与工艺和质量参数自动检测系统相连接，对从材料到成品钢管的生产全过程和各中间阶段实行不间断的监控。 记录所有的质量数据和客户的要求。,采用生产控制和信息系统对所有检验和生产环节的控制,2）工艺设备参数管理系统,通过IT网络记录成型、焊接和精整设备的主要工艺
11、参数，重点是那些被认为是对钢管质量有直接影响的因素。 每生产一根钢管要产生2000个过程数据。迅速发现过程偏差 监视纠正措施的结果 建立所有生产设备之间的连接，确保机器之间的通讯 在发生偏差时对生产线的后续工序操作人员发出预警。 提交对钢管质量有影响的全部关键工艺参数。,在合同执行前，先进行工艺优化设置和选择最合适的工具，由技术人员记录在“参数管理机”(P.R.M.)中； 参数管理机与工艺设备参数记录仪网络相连接，信息通过工艺设备参数记录仪直接传递给机器不受人为干预，避免所有可能的数据传送错误。,参数管理系统的正向工作模式,参数管理系统（P.R.M.）的反向工作模式将现场工艺参数的修正数据反馈
12、回参数管理机和工艺技术人员,板材性能分布情况记录 钢板的性能分布对钢管尺寸有影响。通过工艺设备参数记录仪的数据可以找到直线度/圆度和钢板性能之间的相关性。,参数记录仪对一根钢管焊接的记录结果及处理流程,内焊参数记录 管长特定位置上电压和电流突变（表明熔池中可能存在缺陷） X射线检查站异常预警信息 X线准确定位探伤（对内焊缝的超声波探伤进行补充检验） 提前通知焊工主动进行检查 进行下一根钢管的焊接。,图中所示是工艺设备参数记录仪记录的一次成型调整对钢管直线度影响的数据。图中可见这次成型调整改变了管子的弯曲方向，但钢管直线度仍然保持在公差范围内。,应用实例：钢管几何尺寸的优化,正在建设的波罗的海海
13、底“北溪”管道，管径48,设计壁厚为26.8mm41.0mm，要求同样严格的管径控制。 为了实现北溪管道严格的管径和壁厚尺寸公差和等级要求，实施了更严格的直线度和椭圆度的内控标准。通过严格的过程控制，采用激光实时检测和监控，达到了管端椭圆度不超过5.0mm的要求。,直度和椭圆度公差的内控标准,北溪管道项目壁厚34.6 mm钢管的椭圆度,3.）检测控制-采用光学激光系统的表面检查 -焊缝自动超声波探伤 -无胶片X射线成像 -表面波检查,焊管企业质量控制离不开信息化。 在机组单机自动化、信息化的基础上向全线数字自动化、网络化、智能化发展是焊管机组的发展方向，不仅焊管机械设备实现了数字自动控制，而且
14、焊接和热处理电源和无损检测装置也实现了全数字化控制。 上世纪末欧美焊管企业率先进行了焊管企业信息化改造。数字化和信息技术不仅用于先进制管设备的运行控制，而且用于成型、焊接过程的有限元分析，不仅可实时监控焊管质量，而且具备了数据分析和处理能力，通过内部控制和预警提高质量保证能力和持续改进。 我国宝钢的HFW和UOE焊管线也建设了先进的质量信息系统。 信息化不仅是计算机、电气技术人员的事，需要全员，特别是工艺技术人员的关注和参与。,三. 焊管生产技术与装备的技术进步,1. 高频直缝焊管（HFW）,高频直缝焊管从传统的辊式成型发展到排辊成型，到如今的柔性成型（FFX）和直缘成型和等刚性（URD）机架
15、的应用，成型技术日趋完善，在一定程度上实现了智能化成型； 焊接和热处理电源从电子管式发展到全固态，大大提高了加热效率和数字化、智能化控制水平； 通过对高频焊接过程的深入研究和持续改进，开发了以焊区增强为核心的焊接技术和质量控制技术，大大降低了产生灰斑缺陷的几率，使焊缝性能接近母材； 通过实行一贯制管理模式，将高频焊管的质量控制前伸到原料设计和生产环节，提高了产品性能和质量水平，已在海底管道和高钢级油井管领域获得广泛应用。,我国HFW焊管的装备水平有很大提高，部分大中口径生产线达到国际先进水平； 通过对焊接和热处理工艺的持续改进，已经初步掌握了焊区增强技术，焊接质量大幅提高，有的焊缝性能已接近母
16、材； 已开发出P110套管，X65级HFW输送管已在海底管道应用； 高频焊管装备国产化有很大进展，如石轴的主机，保定的高、中频电源沈阳的活套、飞锯等主要辅机等； 高频焊管生产线的信息化系统建设进展较快，部分企业已建设了ERP、MES系统，运行良好； 我国高水平的大中口径HFW焊管机组已接近50条，产能500万吨以上，市场严重饱和，但还有一批机组在建设中； 今后应转变增长模式，注重技术更新和工艺改进，提高质量、开发新产品和节能降耗（如推广固态电源和接触焊工艺），提高信息化水平。,由于热轧板卷质量的不断提高和制管装备、工艺的巨大进步，螺旋焊管的质量迅速提高， 螺旋焊管在我国和加拿大油气干线的应用均有出色表现，未发生较大的质量和安全问题，其良好的性能价格比已为越来越多的用户所接受； 在油气管道市场，螺旋焊管已卷土重来，不仅收复了失地，而且应用范围不断扩大，过去不在油气管道使用螺旋焊管的美国、印度和欧洲一些主要管道业主都已大量采用，最典型的例子就是近
