楊社民 編譯

（中國(guó)石油集團(tuán)東南亞管道有限公司，北京100028）

0 前 言

世界上大多數(shù)X120管線鋼管的制造都是通過(guò)UOE工藝進(jìn)行的[1]。而管線鋼管成型需要非常高的成型力，另外還需要新的成型模具。X120超高強(qiáng)度材質(zhì)管線管需要高成型力，因?yàn)閁成型和O成型工序必須在單次沖程中分別成型。因此，X120超高強(qiáng)度材質(zhì)管線鋼管通過(guò)JCOE工藝制造更方便，節(jié)省成本，以及需要有效的成型力的模具。JCO成型是在以較小成型力和較少模具的情況下，按所需的沖程數(shù)增量加壓成型高強(qiáng)度管線鋼管。在JCO成型過(guò)程中，通過(guò)控制每個(gè)沖程的深度，可以在一定程度上控制超高強(qiáng)度X120鋼級(jí)管線鋼管的回彈。要實(shí)現(xiàn)X120鋼級(jí)管線鋼管成型的所有工序，必須建立所需的模具以便獲得管線鋼管所需的形狀。

1 JCOE管線鋼管成型技術(shù)

管線鋼管的成型是通過(guò)一系列工序?qū)摪鍓褐瞥晒芘?，同時(shí)加工焊接坡口，然后將銑好的板邊沿鋼板的長(zhǎng)度方向通過(guò)預(yù)彎/成型為如圖1所示的預(yù)彎邊尺寸，再通過(guò)JCO工序?qū)摪宄尚蜑楣芘鞯男螤?，?jīng)過(guò)縱向焊接成管線鋼管，最后通過(guò)機(jī)械擴(kuò)徑將鋼管變形到所需的直徑尺寸，如圖2所示。

圖1 預(yù)彎工藝示意圖

圖2 JCOE鋼管成型工藝示意圖

1.1 鋼板銑邊

鋼板銑邊機(jī)由直徑600 mm刀盤(pán)，48只40°布置的銑刀組成，用于將板邊銑到所需的寬度，同時(shí)獲得所需的焊接坡口幾何形狀。管線鋼管制造要求的焊接坡口幾何形狀為雙Y形，3個(gè)維度，即上坡口、下坡口和坡口鈍邊，如圖3所示。銑刀盤(pán)設(shè)計(jì)成刀片與下坡口、上坡口產(chǎn)生40°斜角以及與坡口鈍邊產(chǎn)生2°角，以便靈活獲得超高強(qiáng)度TMCP鋼板理想的下坡口、上坡口和坡口鈍邊。坡口鈍邊2°角就是為管線管預(yù)焊時(shí)獲得零間隙。預(yù)焊時(shí)坡口鈍邊根本不需要間隙，這樣就避免了最后的埋弧焊接過(guò)程中產(chǎn)生類(lèi)似氣孔、夾渣的缺陷。

圖3 鋼管焊接接頭幾何形狀

1.2 鋼板預(yù)彎

鋼管JCOE制造工藝中，鋼板預(yù)彎邊工序非常關(guān)鍵。帶長(zhǎng)焊縫管線鋼管的最終尺寸是通過(guò)控制鋼板預(yù)彎尺寸精度來(lái)保證的。不當(dāng)?shù)匿摪孱A(yù)彎將在機(jī)械擴(kuò)徑后造成板邊預(yù)彎區(qū)焊縫及平坦區(qū)的撅嘴（正的或負(fù)的峰值）。卷曲不足將產(chǎn)生正峰值，卷曲過(guò)量會(huì)產(chǎn)生負(fù)峰值。根據(jù)API SPEC 5L規(guī)范，機(jī)械擴(kuò)徑后這些缺陷限制最大為1.59 mm。從制造的角度，機(jī)械擴(kuò)徑機(jī)不能矯正超出一定限度的扁平塊和撅嘴，這樣管線管長(zhǎng)焊縫的焊趾就有斷裂的可能。如果預(yù)彎邊產(chǎn)生的峰值超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求，焊接后直接對(duì)焊縫進(jìn)行擴(kuò)徑是不可接受的。在機(jī)械擴(kuò)徑中，如果產(chǎn)生的峰值高，此時(shí)正峰值在焊趾（熔合線）里面產(chǎn)生裂紋，反之亦然。一般是通過(guò)設(shè)計(jì)相應(yīng)的鋼板預(yù)彎邊模具來(lái)控制鋼板預(yù)彎邊時(shí)本身的峰值的。

鋼板預(yù)彎邊模具的設(shè)計(jì)有兩個(gè)重要的方面，一是材料及其處理，二是尺寸（厚度和半徑）。這些模具由低合金鋼感應(yīng)硬化到45～48 HRC制成，以使模具在工作區(qū)具有耐磨性和足夠的耐磨厚度層，如圖4所示。

圖4 管線管預(yù)彎邊模具

預(yù)彎邊模具的半徑是由對(duì)應(yīng)管線鋼管的直徑、壁厚和鋼級(jí)來(lái)確定的。直徑?jīng)Q定外模半徑系數(shù)，直徑、厚度是預(yù)彎邊內(nèi)模半徑的決定因素。鋼級(jí)/強(qiáng)度也是同樣重要的，因?yàn)樗@示了熱機(jī)械控制處理（控軋控冷工藝）鋼板的回彈，而這正是確定預(yù)彎邊內(nèi)、外模半徑時(shí)應(yīng)該考慮的。管鋼線管的直徑通過(guò)銑邊時(shí)確定板寬來(lái)保證，板寬相對(duì)鋼管的周長(zhǎng)減去管線管直徑擴(kuò)徑比來(lái)說(shuō)是微不足道的，管線鋼管制造時(shí)銑邊的寬度可以表示為

式中：MW—鋼板軋制寬度；

D—最終管線鋼管的工程外徑；

t—鋼板的實(shí)際厚度；

△D—擴(kuò)徑后達(dá)到工程直徑的擴(kuò)徑比。

擴(kuò)徑前管線鋼管直徑dBE可以用鋼板的周長(zhǎng)CBE和寬度表示，即

成型前預(yù)彎邊內(nèi)模與預(yù)彎邊外模直徑可以表示為

式中：dCIT—預(yù)彎內(nèi)模直徑；

dCOUT—預(yù)彎外模直徑。

但有一個(gè)未知系數(shù)被稱(chēng)為回彈。所以確定鋼板預(yù)彎邊模具半徑時(shí)必須考慮回彈。因此模具半徑相對(duì)理想形狀（鋼管半徑）的偏差百分比來(lái)說(shuō)是不重要的，所以包括預(yù)彎邊內(nèi)模具和外模具的上述參數(shù)可以表示為

式中：rCIN—預(yù)彎邊內(nèi)模的半徑；

rCOUT—預(yù)彎邊外模的半徑；ψ—管線鋼回彈系數(shù)百分比。

對(duì)于 X70鋼級(jí)，ψ在管線鋼管半徑成型前約為10%；對(duì)于X80鋼級(jí)，ψ在管線鋼管半徑成型前為15%～20%；對(duì)于X120鋼級(jí)，ψ在管線鋼管半徑成型前為30%。

板邊預(yù)彎模板內(nèi)、外徑分別為

因此，板邊預(yù)彎相對(duì)應(yīng)的半徑是

式中：dTIN—內(nèi)模板直徑；

rTIN—內(nèi)模板半徑；rCOUT—外模具半徑。

這些樣板用來(lái)檢定鋼板預(yù)彎邊輪廓的正確性以確保其適合的工序功能。

1.3 JCO成型

管線鋼管JCO加工成型的工序?qū)C(jī)械擴(kuò)徑后管線鋼管周長(zhǎng)的最終尺寸是非常重要的。管線鋼管周長(zhǎng)的最終尺寸是通過(guò)獲得管線鋼管已成型鋼板所需的半徑來(lái)控制。不當(dāng)?shù)某尚驮跈C(jī)械擴(kuò)徑后造成板邊成型區(qū)橢圓及局部平整度（扁平塊）。根據(jù)管線鋼管的制造規(guī)范，這些尺寸缺陷是不可接受的。根據(jù)API 5L規(guī)范，這些缺陷限制在機(jī)械擴(kuò)徑后，局部平整度最大為1.59 mm，橢圓度為1%。從制造的角度來(lái)說(shuō)，機(jī)械擴(kuò)徑機(jī)不能矯正超出一定限度的局部平整度，管線鋼管制造的標(biāo)準(zhǔn)操作程序是設(shè)計(jì)適合的管鋼線管JCO成型模具，通過(guò)JCO自身成型時(shí)來(lái)控制局部平整度及橢圓度。管線鋼管JCO成型模具的設(shè)計(jì)原則與預(yù)彎邊內(nèi)模具設(shè)計(jì)基本相同。JCO成型模具的設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 鋼管JCO成型工具

1.4 機(jī)械擴(kuò)徑

因JCO成型鋼管焊縫是鑄造結(jié)構(gòu)，在標(biāo)準(zhǔn)的管線鋼管制造工序中沒(méi)有進(jìn)行處理，根據(jù)制造規(guī)范，不能直接對(duì)焊縫進(jìn)行擴(kuò)徑。在機(jī)械擴(kuò)徑中，管線鋼管內(nèi)焊縫不應(yīng)與擴(kuò)徑機(jī)的模具接觸。

擴(kuò)徑機(jī)將控制管線鋼管的最終尺寸，即在焊縫、平整度、橢圓度、直線度和直徑上的峰值。這些尺寸又取決于管線鋼管的擴(kuò)徑工具設(shè)計(jì)和擴(kuò)徑率。擴(kuò)徑工具設(shè)計(jì)有2個(gè)重要方面：①材料和處理；②相對(duì)應(yīng)的工具尺寸（厚度和半徑）。這些擴(kuò)徑模具是由模具鋼整體淬火+回火至55～88HRC洛氏硬度制成，以使模具在工作區(qū)域有足夠的耐磨性和厚度。擴(kuò)徑的負(fù)載加載到斜楔形上進(jìn)行擴(kuò)徑段運(yùn)動(dòng)時(shí)，斜楔形作用非常重要，其表面光潔度和自潤(rùn)滑性能應(yīng)妥善設(shè)計(jì)，其材料及熱處理非常關(guān)鍵。因此，ADI材料的新型斜楔形經(jīng)過(guò)重新設(shè)計(jì)，具有合適的強(qiáng)度和自潤(rùn)滑性能的耐磨性。新的斜楔形ADI材料具有模塊化計(jì)數(shù)103～120 mm2，該結(jié)構(gòu)基體是珠光體，極限抗拉強(qiáng)度790 MPa，硬度32HRC。斜楔形的ADI材料整體淬火和回火后硬度可達(dá)到45～48HRC。擴(kuò)徑機(jī)擴(kuò)徑段的半徑取決于管線鋼管的直徑、壁厚與鋼級(jí)，直徑和壁厚是擴(kuò)徑機(jī)擴(kuò)徑段半徑的決定因素。管線管的直徑通過(guò)銑邊確定的板寬來(lái)保證，在相同的假設(shè)下，擴(kuò)徑段的半徑可以按照如上所述的鋼板預(yù)彎邊內(nèi)模具來(lái)設(shè)計(jì)。校定樣板的半徑是最后的管線鋼管公稱(chēng)半徑。

2 試驗(yàn)技術(shù)

試驗(yàn)所用低C、低Pcm的微合金X120M鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)用X120M鋼的化學(xué)成分 %

在試驗(yàn)中通過(guò)光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡分別對(duì)上述鋼的微觀組織做了檢測(cè)，如圖6～圖8所示。

圖6 光學(xué)顯微鏡顯示的母材貝氏體組織 1200×

圖7 掃描電子顯微鏡顯示的母材貝氏體組織

圖8 透射電子顯微鏡顯示的板條貝氏體鐵素體

通過(guò)透射電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)，該X120M鋼具有微細(xì)析出物的金屬碳化物，如圖9所示。X120M鋼的力學(xué)性能見(jiàn)表2和表3。

圖9 透射電子顯微鏡中的組織

表2 試制X120M鋼的拉伸性能

表3 試制X120M鋼的夏比沖擊韌性

在上述假設(shè)的基礎(chǔ)上，為管線鋼管成型（鋼板銑邊、板邊預(yù)彎、JCO成型與機(jī)械擴(kuò)徑）設(shè)計(jì)模具，同時(shí)，為制造φ457.2 mm×14.3 mm的X120M管線鋼管設(shè)計(jì)出一套完整的模具（擴(kuò)徑比=1%）。模具計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 模具參數(shù)的計(jì)算

鋼管成型工序包括加裝引弧板、鋼板超聲檢驗(yàn)、銑邊、沖洗、連續(xù)定位焊接、清除和埋弧焊接。初次設(shè)計(jì)的模具在成型和埋弧焊后的管線鋼管尺寸與樣板輪廓不吻合。這是由于其抗拉強(qiáng)度比管線鋼管強(qiáng)度高，在機(jī)械擴(kuò)徑時(shí)管線鋼管擴(kuò)徑失敗。重新對(duì)模具進(jìn)行審核設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)該模具的半徑不是按管線管所需輪廓的半徑設(shè)計(jì)。將模具重新按鋼管直徑40%的回彈設(shè)計(jì)，內(nèi)模具半徑122.9 mm，外模具半徑131.5 mm，成型工具半徑122.9 mm，其他參數(shù)不變。

根據(jù)管線鋼管標(biāo)準(zhǔn)制造工藝，重新設(shè)計(jì)后的模具成型和埋弧焊后的管線鋼管的尺寸良好，且輪廓也與樣板輪廓相吻合，所有的參數(shù)都在可接受的范圍內(nèi)。對(duì)該管線鋼管進(jìn)行了成功擴(kuò)徑，其橢圓度為3～4 mm，峰值為0.8 mm，0.9%～1.0%擴(kuò)徑率時(shí)的直線度為7 mm。

3 結(jié) 論

對(duì)規(guī)格為φ457.2 mm×14.3 mm的 X120M管線鋼管，通過(guò)不同成型工序，如鋼板銑邊、鋼板預(yù)彎、JCO成型、1%的機(jī)械擴(kuò)徑以及40%的回彈設(shè)計(jì)，利用開(kāi)發(fā)的成型模具進(jìn)行成型、焊接和擴(kuò)徑?；貜検怯绊懗尚偷囊粋€(gè)重要的因素。在成型前，成型過(guò)程中的回彈是不可預(yù)知的。在確定管線鋼管成型不同階段所用的模具半徑時(shí)，需要輸入正確的回彈量。除了鋼板銑邊工序外，管線鋼管成型的每個(gè)工段所用模具的半徑，對(duì)其最終尺寸和形狀都起著至關(guān)重要的作用。