焊接钢管技术的新进展.ppt

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。,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海底管线最大水深达7912ft（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2275m3/a=550m3/a；工作压力高，钢管壁厚大北溪管道工作压力22MPa，钢管壁厚26.841.0mm；韧性要求高：-10CVN150JDWTTSA85%；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：-15CVN250JDWTTSA%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1219mmX80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,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X100JCOE直缝埋弧焊钢管。2007年试制成功X90JCOE直缝埋弧焊钢管。2007年试制成功X120JCOE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，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)(PRODuctionControlandInformationSystem),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34.6mm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几年世界上新建的3条X80天然气长输管线，其X80螺旋焊管的应用比例都超过了70%，有的还采用0.8的设计系数，提高了螺旋焊管的应力水平。,2.螺旋埋弧焊管（SAWH）,韩国浦项、世亚钢铁公司及美钢联新建联合螺旋钢管厂,印度Welspun,印度Man,印度PSL,印度和韩国已在美国建设螺旋焊管和配套的涂覆和二接一生产线，2009年已有3条预精焊螺旋焊管生产线建成投产，年设计产能均为30万吨。欧洲钢管博格钢管公司在佛罗里达新建了年产20万吨螺旋焊管预精焊生产线。,欧洲钢管博格钢管公司,近年来，对高质量螺旋焊管的需求推动了预精焊机组建设的飞速发展；十年前，全世界螺旋焊管预精焊机组不过4、5条，而今全世界螺旋焊管预精焊机组已超过20条，其中印度新建的预精焊机组已超过10条，土耳其1条，中国3条，美国新建的制管机组仅为预精焊机组（4条）；,印度的螺旋焊管精焊设备并不复杂，多采用带旋转辊的小车式，少数采用下设螺旋辊道，只有少数采用德国的上传动式。但效果都很好。,螺旋焊管预精焊,带旋转辊的小车式,下部螺旋辊道传动,上部传动,低应力成型和残余应力控制、管端扩径和无损检测等技术、高韧性焊丝焊剂的应用，使我国螺旋焊管的质量大大提高，西气东输二线西段一次试压成功，在世界上产生了很大的影响；我国螺旋焊管不仅为我国管道建设提供了保证，而且大量出口；但我国螺旋焊管主要采用一步法生产，预精焊技术的普及率大大低于印度，我国预精焊工艺还处于磨合阶段，精焊质量、效率较低，与印度有较大差距。我国螺旋焊管预焊机组的装备水平低于印度，但精焊机组的装备水平高于印度，应重视预焊工艺质量，提高精焊水平；某些国际石油公司在制管工厂预审时只看预精焊机组，对一步法机组不屑一顾，是否采用两步法对重大管线投标的影响已经显现，如不急起直追，我们将在进入国际市场时遭遇技术壁垒；我国油气输送用螺旋焊管产能已达400万吨，今后应注重预精焊改造而不是新建机组；我国螺旋焊管机组的信息化水平与欧洲差距很大，应重视信息化建设，对原有生产线进行改造，最近中石油已启动了螺旋焊管机组的信息化建设工程。,3.）直缝埋弧焊管,直缝埋弧焊管仍是油气管道采用的主要管型，特别是穿越用管、海底管道、大壁厚管道。大应变管、X90X120超高强度钢管的开发主要采用直缝埋弧焊工艺；JCOE技术无疑是近十几年来直缝埋弧焊管技术最重要的发展之一，它的出现大大降低了直缝埋弧焊管生产线的投资，使得中小制管企业也能够迈进直缝埋弧焊管制造的门槛；由于JCOE机组投资小，生产工艺灵活，产品质量与UOE相当，因此在世界范围内特别是在中国、印度和俄罗斯得到了迅速的发展；目前世界范围内的JCOE机组数量已超过50条，大大超过了全世界UOE机组的数量，JCOE已成为直缝埋弧焊管生产的主流工艺之一；,从成型原理看，JCOE更适合于较小管径、较大壁厚海底钢管的成型，以及大壁厚弯管母管的生产，西气东输二线厚壁X80弯管母管均为JCOE工艺生产；2005年，印度Welspun公司采用JCOE工艺成功生产了迄今为止最深的海底管线墨西哥湾海底ITP管线用管，创造了水深2400m海底管线用管的记录，打消了对JCOE钢管可靠性的疑虑，使JCOE钢管成功进入了海底管线市场；俄罗斯OMKVyksa钢管公司通过了DNV和北溪管道业主审核，获得了波罗的海海底天然气管道北溪管道25%的订单(1期+2期共50万吨），其TESA1420大口径直缝埋弧焊管JCOE生产线正在为北溪管道这一最大的海底管线生产钢管。,俄罗斯OMKVyksa钢管公司TESA1420JCOE大口径直缝埋弧焊管生产线,