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当前世界ERW中径焊管生产与宝钢ERW610焊管机组
发布时间: 2012-7-5

当前世界ERW中径焊管生产与宝钢ERW610焊管机组

  摘要:当今世界上,以新日铁、JFE、曼勒斯曼、考里茨(希腊)为代表的中径直缝焊管生产装备和生产技术取得了迅猛发展。新型排辊成型、URD精成型机及定径机、高频焊接设备及焊接技术、焊缝热处理设备及技术、无损探伤等新技术的开发,中径直缝焊管已在海洋油气输送用管,陆上油气输送用管方面得到了广泛使用。特别是近年来,X80钢级管线管及T.U.F油井管的问世,为中径直缝焊管的应用开辟了广泛的领域。宝钢的ERW610机组,采用了世界上各类新技术,是世界上装备先进的中径直缝焊接钢管生产线之一。投产后,通过半年的工艺生产技术及经验的积累并经过科研开发,已批量供货近5万吨。同时致力于X80钢级管线管、N80、P110钢级套管及各类T.U.F套管的研发,并在N80、P110钢级套管已有突破。
关键词:ERW中径管、X80、T.U.F、宝钢ERW610
1. 前言
直缝高频焊接钢管以其低成本,高效率的优势逐步得到市场认可,其生产设备及生产工艺技术得到了快速发展。新日铁、JFE、曼勒斯曼、考里茨(希腊)、世亚(韩国)等世界著名直缝焊管生产厂已能生产陆用或海洋用X80钢级管线管。在油田用套管生产方面,新日铁已能按API标准,生产不经全管热处理的N80-I钢级套管。新日铁名古屋制铁所1986年建造的16”中径直缝ERW机组,经过数年的技术开发及设备改造,采用了世界上各类新开发的设备技术及自行开发的专有技术,开发了Tough material,Uniform properties,Free from defects(T.U.F)油井管。由于此类焊接油井管具有耐酸性、高强度、高韧性及高压溃性能,可以使用在地质条件很差的气井、深井及海洋油田中,且价格比无缝钢管低,因此具有广阔的使用前景。新日铁将此类直缝焊管命名为T.U.F油井管,并形成不同于API产品系列的NT系列即:新日铁T.U.F油井管系列(Nippon Steel T.U.F for OCTG)。各项性能指标均高于API标准。NT系列产品为当今世界上油井管的高端产品,也是新日铁的特有产品。
宝钢ERW610机组的焊接成型线引进了SMS-Meer公司开发的设备技术,并配置了世界上最先进的无损探伤设备、高频焊接设备、焊缝热处理设备。投产后,通过工艺生产技术及经验的积累,并经过科研开发,06年上半年已批量生产并供货管线管、套管和结构管近5万吨,并在API标准系列N80、P110套管上取得突破。目前正在研发生产X80钢级管线管(陆上、海洋用管线管)、及各类T.U.F套管,填补我国直缝焊管产品的空白,并将在世界钢管市场上成为无缝钢管的强劲竞争对手。
2. 世界中径直缝焊管技术发展现状
2.1 技术发展现状
焊接钢管技术的发展是伴随着与无缝钢管产品的竞争而进步的。焊接钢管在某些领域中要取代无缝钢管,关键在于产品的质量及较低的生产成本。焊接钢管产品质量的提高,主要依靠三个方面的技术进步。一是钢铁冶炼技术,二是热轧带钢技术的提高,三是制管技术的提高。因此,世界上高品质的焊接钢管大多是由最先进的大型钢铁联合企业生产的,可以较容易的实现从钢铁冶炼、带卷到焊接钢管成品生产的质量一贯控制。避免了吃“百家饭”,无法自行控制原料质量的问题。表1.为世界著名的直缝中径焊接钢管企业的工艺及产品钢级比较。

表1. 若干著名焊管厂工艺、产品、钢级比较

企业

新日铁

JFE

考里茨

(希腊)

曼勒斯曼

世亚(韩国)

质量一贯制

实行

实行

无法实行

无法实行

无法实行

炼钢

铁水处理

实行

实行

买带卷

买带卷

买带卷

二次精炼

热轧

TMCP

实行

实行

买带卷

买带卷

买带卷

制管

焊接控制

PWP#

H1*

温度控制

H1*

温度控制

焊缝热处理

N、QT

N、QT

N、QT

N

N

OCTG

API

~N80-I

不生产

~N80-I

~N80-I

~N80-I

高性能OCTG

生产

(T.U.F)

不生产

不生产

不生产

不生产

高强度

高压溃

高韧性

管线管API

~X80

~X80

~X80

~X80

~X80

管线管

高强度

生产

生产

生产

生产

有条件生产

耐酸

生产

生产

有条件生产

生产

不生产

海洋用管

生产

生产

有条件生产

生产

不生产

PWP 完美的焊接工艺(Perfect Welding Process)
HI 热输出(Heat Input)
从表上可以看出,代表世界中口径直缝焊管生产技术最高水平的厂家中,数新日铁、JFE、曼勒斯曼最为突出。尤其是新日铁,其产品几乎全面覆盖了API允许用直缝焊管生产的各类钢管。而且,还生产比API标准更严格的T.U.F油井管。因此,新日铁代表了世界ERW焊管生产的最高水平。

2.2 世界一流中径直缝焊管机组的技术特点
a. 企业实行一贯质量控制。热轧带卷 的质量的好坏直接决定了钢管管体的各项性能指标。特别是在尖端产品的生产中,质量一贯管理是决定性的作用之一。新日铁之所以能生产各类焊接钢管的一个重要原因是企业实行制管所需的“专用合金设计”,经炼钢厂生产出合格的钢坯。再经由热轧厂轧制出高尺寸精度、耐酸、高韧性、高压溃性能的板卷。然后,再使用这些板卷生产高质量的管线管及T.U.F油井管。
JFE川崎制铁所也是实行质量一贯管理的,所以川崎制铁所的管线管从产品的合金成分设计到质量控制都能为制管生产提供有力的支撑。再加上其制管技术的开发,其生产的管线管的质量、品种均能满足用户要求。
曼勒斯曼焊管厂的原料板卷来源渠道单一,由蒂森热轧厂供料。由于长期形成的合作关系,使其较易从源头热轧板卷上控制产品质量。因此,其生产状况与JFE雷同。
考里茨与世亚则和上述三家焊管厂不同,他们的板卷原料从世界各国购买,原料的差异较大,造成产品质量差异较大,这也是不生产高端产品的原因之一。
b. 采用铣边机对板边进行铣切加工。
板卷的热轧自然边经过铣边机加工后,板卷宽度一致,且具有较高的尺寸精度,经过铣边后的板卷,边部光滑、洁净,这就大大提高了焊缝的质量。
c. 采用80年代开发的经过90年代改进的全排辊成型技术。
排辊成型是由辊式成型演变而来的一种新的成型技术。采用全排辊成型技术可以防止带钢边缘产生折皱。因为它可以通过沿带钢轴线方向边缘外侧的轧辊群控制边缘延伸,同时轧辊群由外侧束缚带钢边缘,将边缘外侧作为压缩变形形式被吸收。所以这是一种既能保持连续塑性弯曲,又能防止边缘延伸和吸收延伸的成型技术。
d. 采用高频感应加热方式对管坯两边缘进行感应加热。

如图1-a所示,20世纪建造的ERW610机组都是采用高频接触焊,即利用两块接触片分别与管坯两边缘接触。电流从一个接触片沿V形回路流向另一个接触片。因高频电流产生集肤效应和领近效应使V形回路,即管坯V形缺口边缘瞬间被加热到焊接温度,同时加热使金属分子迅速扩散,金属产生再结晶从而焊成钢管。由于高频接触焊的电极是同管坯表面接触的,因此在管坯前进中的跳动及管坯表面的不平整,极易使电极与管坯表面产生电火花,造成管坯表面的烧损或疤痕。此外,由于电极与管坯接触,电极磨损后的粉末极易带入焊缝,造成焊缝质量不合格。接触焊的优点是热效率高,电耗要少。
20世纪末,高频感应技术取得了突破性的进展。开发出了大功率的高频感应加热装置。因此,在21世纪初建造的24”ERW机组中,大多选择了高频感应加热方式对管坯边缘加热。

如图1-b所示,高频感应焊是将感应圈与管坯看成是变压器的一次圈与二次圈。钢管从感应圈中间通过,当感应线圈中高频电流产生高频磁场,因而在钢管中产生涡流电流。密集的涡流电流径管坯边缘V形回路,由于“极肤效应”是两边缘产生大量的热量被加热到焊接温度,同时加压焊合成钢管。由于在感应焊中,感应线圈同钢管无任何接触,因而避免了接触焊带来的各种弊端,提高了焊缝的质量及钢管的表面质量。

图1-a接触焊原理图 图1-b感应焊原理图

e. 采用完美的焊接控制技术。
新日铁自行研究开发的PWP(Perfect Welding Process)焊接控制技术是当今世界上最先进的焊接控制技术。目前,除新日铁之外,其余著名的焊管企业,均采用高频焊机生产厂商提供的温度检测系统,检测焊缝区域的表面温度,然而反馈到焊机的控制系统调节高频电流的大小来控制焊缝区域的温度。由于在焊管生产中,各类材质、壁厚及焊接速度所需的焊接热量是不同的,而钢管焊接时,最佳化焊接所需的热量值的波动范围又是很窄的。开发商提供的焊接温度控制元件仅是从其实验室中对各常规钢种,在设定的焊接速度下进行实验得出的数据,加以归纳分析处理后,做成控制元件提供给客户。生产厂在实际操作中,操作人要根据现场实际生产情况及自己的经验,观察焊接区的金属融溶焊接状态,对焊机输出的热量进行调整,生产合格的焊接钢管。
新日铁的PWP焊接控制技术是全面归纳总结了其几十年焊管生产经验,根据各种规格、焊接速度、壁厚、钢种所需的焊接热量,自行开发的控制元件。使用这一焊接控制系统,整个焊接状态总是被控制在焊接最佳值范围内,以达到最佳焊接质量。
f. 采用带有快速换辊装置的URD(Uniform Rigidity Design)设计的精成型机、挤压焊接机及定径机。
URD(均匀刚性设计)精成型机、挤压焊接机及定径机为闭式框架结构。用宽厚板制成的机架,具有水平与垂直方向均匀一致的刚性。由于是闭式机架,因此在同样截面积的情况下,其刚性要高于开式立柱形机架。见图2所示。


a. URD机架 b. 常规设计机架
图2. URD机架示意图
常规设计中,其水平方向的刚性一般要小于垂直方向的刚性。而在四辊轧机中,为了保证水平刚性达到要求,则需增加水平方向机架的横截面面积,造成机架重量增大,增加了的设计及制造的难度。
采用带有快速换辊装置的URD机架,由于机架是板式框架结构其快速换辊系统的设计及配置都比常规设计机架容易。
g. 采用既能对焊缝进行正火又能对焊缝进行淬火+回火(Q+T)、淬火+正火(Q+N)的双重中频焊缝热处理装置。
在生产高钢级的油气输送管及石油套管时,焊缝热处理技术至关重要。为了使焊缝的金相结构及性能与管体一致,并使焊缝具有高韧性,焊缝须经Q+T或Q+N方法进行热处理。焊缝双重热处理工艺系90年代开发的新技术。目前,世界上仅新日铁、JFE、考里茨及曼勒斯曼等少数企业生产的海洋管线管及新日铁生产的T.U.F油井管,其焊缝热处理工艺均采用这一技术。
图2所示为焊缝热处理的示意图。
图2 焊缝热处理(Q+T)

3.
宝钢ERW610机组
宝钢ERW610机组是集成型焊接、精整、管加工、焊接套管全管热处理于一体的ERW610机组。其产品范围涵盖颇广。可以生产从X42~X80钢级的海上、陆地用管线管;可以生产钢级直至P110的各类焊接套管;也可以生产各类结构圆管、方矩形管。焊接成型线从SMS-Meer引进,而精整、管加工、热处理线则采用单机国内外采购,全线自行设计总成的方式。
建设规模
年生产直径Ф219.1~610mm焊管30万吨,年加工无缝石油套管3万吨
3.1 产品大纲

序号

产品品种

代表钢号或钢级

技术标准

产品规格

年产量

管径(mm)

壁厚(mm)

长度(m)

(104t)

%

1

焊接石油套管(3)

H40、J55、K55、M65、L80、N80、C95、(P110)

API SPEC 5CT-2001

Ф219.1~ 508

7.72~16.66

7.62~14.63

9

27.3

无缝石油套管

J55、K55、 L80、N80、 P110

API SPEC 5CT-2001

Ф177.8

6.20~12.65

7.62~14.63

3(2)

9.1

2

管线用焊管

A、B、X42-X80

API SPEC 5L-2000

GB/T9711.1-1997

(DNV-OS-F101-2000)(4)

Ф219.1~609.6

4.0~19.1

6~18.3

18

54.6

3

结构用圆管

A、B

ASTM A53

Ф219.1~609.6

6.0~19

6~12

1.5

4.5

4

结构用方(矩)管

STKR 41、STKR 50

JIS G3466

(EN 10219)

□175~450

□220×140~□500×400

6.0~18

6~12

1.5

4.5

合计

33(1)

100

注: (1)33万t/a钢管包括30万t/a焊接钢管和3万t/a无缝石油套管;直缝焊管生产线、焊管精整生产线年产量为30万t/a
(2) 3万t/a无缝石油套管仅考虑管体加工(包括管端车丝、水压试验等)。管体由无缝提供。
(3) M65、L80、N80-Q、C95、(P110)焊接石油套管管体需进行热处理
(4) 括号内技术标准为本工程产品参考执行技术标准
3.2 宝钢ERW610机组的技术特点及其先进性
3.2.1 实行质量一贯管理体制
从钢种的设计到原料的冶炼,板卷的轧制及焊管的生产全过程实行跟踪管理。使产品质量从源头抓起,这在宝钢也是其先进性及优越性的具体体现。实行质量一贯管理体制,为宝钢今后开发各类新产品奠定了良好的物质及技术管理基础。
3.3.2 采用带钢边探加全板探技术
超声波带钢边探加全板探,可以实时记录带钢的分层缺陷并进行料流跟踪。对边探或全板探发现的缺陷,在出厂前的管端探伤及全管体探伤设备上进行复检并作出最终的判断。满足了海洋用管线管等高品质用户的采购技术要求。新日铁及JFE均采用带钢边部超声探伤加全管体探伤方式。
3.3.3 采用铣边机对带钢边缘进行铣削加工
90年代之前制造的焊管机组,都是采用刨边机对带钢边缘进行加工。进入90年代之后,对高钢级焊管要求也越来越高,刨边机加工的板边边缘已不能满足焊接发展的要求。因此新建的企业都采用铣边机,而采用刨边机的生产厂如新日铁、JFE、,曼勒斯曼都进行了技术改造,采用铣边机代替刨边机。
3.3.4 采用了新型排辊技术及带有快速换辊装置的精成型机、挤压机、定径机。
排辊成型法出现在80年代。经过了近20年的应用后,90年代末米尔总结了世界各国排辊成型设备所存在的问题,对设备的强度、刚度及成型方式进行了较大改进,推出了米尔的排辊成型设备。希腊考里茨厂使用后实绩很好。他们又根据考里茨厂实际使用状况,对排辊成型区设备再作改进,提供给宝钢。新型排辊成型增强了设备强度、刚度及改进了成型方式,以保证在生产薄壁钢管及高钢级厚壁钢管时获得良好的产品质量。
均衡刚性设计的精成型机、挤压焊接机、定径机为米尔的专利产品,是世界上最先进的精成型段设备。其强度、刚度、快速换辊及调整性能均优越于其它同类产品。在2004年米尔根据此类设备的使用状况又作了较大改进,在精成型机各机架之间再加入一段小型排辊,以保证在生产薄壁钢管时的产品质量。
3.3.5 采用大功率高频感应焊
大功率高频感应焊系90年代未开发的技术。在此之前24”ERW机组均采用高频接触焊。进入90年代后,海洋石油公司对海洋专用油气管的要求越来越高,对接触焊所引起的电火花烧痕,接触块的擦伤都有严格的规定。因此,在90年代中期以后建设的焊管厂都在寻求大功率高频感应焊接技术。20世纪末考里茨厂在24”ERW机组中首先采用了1800KW高频感应焊技术,并在世界上取得了良好的声誉。在此之前,1986年建设的新日铁名古屋16”ERW机组,首先在同类机组中使用了高频感应焊(功率为1000KW),并用此焊接设备生产TUF油井管。由此可见,在生产各类高端产品中高频接触焊将逐渐被高频感应焊所取代。
宝钢ERW610机组吸取了世界同类机组的发展经验,结合当前世界先进的高频感应技术的发展采用了高频感应焊接技术。这是世界上第3套采用高频感应焊技术的ERW610机组。宝钢采用的高频感应焊设备,功率为1800KW,可生产壁厚达20mm的中径管。
3.3.6 采用焊缝双重热处理装置,既可对焊缝实行正火(N)又可对焊缝实行淬火+正火(Q+N)及淬火+回火(Q+T)。宝钢采用的双热处理装置,其中频感应装置每台功率为2400 KW。第一套加热装置对焊缝进行加热至淬火温度。在2台加热装置之间的快速水冷区,喷注乳化液对焊缝进行快速冷却,然后在第二套加热装置中再进行加热以达到回火或正火目的。
3.3.7 采用计算机技术实行料流跟踪对产品质量进行逐根跟踪。目前在世额上采用此类技术仅新日铁及JFE。
3.8.8 按照API标准及DNV海洋管线管标准,配置各类无损探伤设备及力学性能检化验设备。
4. 宝钢ERW610机组产品技术开发的几个重点
宝钢ERW610机组采用了诸多世界上最先进的工艺设备,为焊管产品开发、工艺技术的研究与进步创造了良好的硬件条件。宝钢正集中科研力量开发专有的生产技术及专利,生产出目前世界上仅有个别企业能生产的产品,来取得强势的市场竞争地位。根据当前世界焊管工业的发展,目前正在研究的技术有:
4.1 完美的焊接工艺技术(Perfect Welding Process)
焊接工艺技术是直接影响焊管质量的核心技术之一,世界上少数几家先进的焊管企业是不会转让这些核心技术的。要在焊管方面取得突破性进展必须要开发自己的焊接工艺技术。这一技术开发成功,将为宝钢生产高级套管及高钢级管线管奠定重要的技术基础。
4.2 焊缝热处理技术
焊管厂生产高质量焊管关键点一是钢管的形状及尺寸精度,二是焊缝的质量。焊缝的质量一靠焊接技术,二靠焊缝热处理技术。因此,焊缝热处理技术是影响焊管质量的核心技术之二。
当今世界上几个最先进的焊管生产企业,在焊缝热处理的设备及生产技术开发方面的投入是很大的。新日铁及JFE开发了生产管线管的专有焊缝热处理技术——焊缝TMCP热处理技术;新日铁开发了T.U.F油井管的专有热处理技术——焊缝Q+T热处理及焊缝Q+N热处理技术。这些先进的焊管企业,开发专有的焊缝热处理技术的目的是为了使焊缝的金相结构及力学性能与母材的金相结构及力学性能一致。实现了俗称的焊接钢管“无缝化”。
宝钢ERW610机组采用了当前世界上技术最先进,装机容量最大的双重热处理设备。投产以后,就有条件进行科研及技术开发,研究开发出适合各种规格钢种的专有焊缝热处理技术,满足各类高端产品的需要。
4.3 采用FEM技术(有限元模拟解析技术),开展直线成型区、精成型区的弹塑性变形及轧制力能参数研究,建立宝钢专有的ERW610机组成型工艺。
4.4 开发T.U.F油田用套管。T.U.F套管的开发是从钢种的设计到冶炼、热轧板卷生产、钢管成型、焊接及焊缝热处理一体化的研究项目。T.U.F套管的开发成功,将使宝钢ERW机组成为世界超一流的焊管机组。该项技术无疑将成为宝钢集团的关键核心技术之一。
4.5 与轧辊生产企业合作开展轧辊国产化科研工作。
ERW机组的轧辊数量极多,其品种规格也颇杂,整个辊子的配置量约为ERW成型焊接线设备总重量的三分之一左右。这些轧辊中,有一大部分辊子目前国内尚不能生产,需大量引进。因此,从降低生产成本方面来考虑,与国内轧辊生产企业合作,开发出适合生产需要的轧辊也是一件重要的科研工作。
5. 结论
宝钢ERW610机组装备是世界一流的,但是生产经验及技术达到世界先进水平还需要一个过程。世界先进的焊管企业已有50年以上的技术、经验积淀,是宝钢学习的榜样。宝钢ERW焊管投产后,正利用自己的优势,通过一贯管理体制,组织自己的研发人员,顺应世界焊管技术发展的方向,积极开展科学研究工作,将宝钢ERW610机组打造成为世界超一流的焊管机组,满足更高端用户的要求。



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