研究的背景與問題

  海上油氣進口和海洋油氣產業作為我國海工裝備制造業的重要組成部分，在雙碳目標和國內油氣消費增長的背景下得到快速發展，其生產、輸送環境惡劣，在耐高壓、-162℃超低溫、耐腐蝕及耐候性等方面要求更高。而大口徑厚壁不銹鋼焊管因其具有高強度、高耐腐蝕性及良好的低溫塑性，能克服極端溫度、高壓、腐蝕極端環境，是我國海上油氣進口和開發不可或缺的基礎管材。因此，市場對大口徑不銹鋼焊管需求急劇增加，且管材大量依靠進口，在交貨期、技術性能、技術標準上均設置門檻，對我國相關行業形成壁壘。造成這種局面的原因有以下三個方面：

  1、傳統JCOE制備方式均應用于生產“黑材”，容易出現壁厚不均勻、開口度不一致、圓度不足等缺陷，嚴重的將出現不能修復而報廢，目前大口徑厚壁不銹鋼焊管生產中間環節繁冗，良品率低，滿足不了多品種、多規格產品連續化生產需求。

  2、大口徑厚壁不銹鋼焊管因生產技術不成熟，導致在服役過程中極易出現“跑”、“冒”、“滴”、“漏”等現象，產品性能難以滿足極端環境需求，而油氣輸送管路對尺寸與低溫韌性要求更加嚴格，因此重點開展關鍵技術研究是提升管材服役行為的重要手段。

  3、目前國內擁有的設備均是從國外進口或者國內單臺設備按工序組成離散型產線，設備價格昂貴，缺少自主研發的經驗與能力。因此需要結合大口徑厚壁不銹鋼焊管成形理論、工藝的研究，提出與產線需求一致的裝備結構形式與生產能力，打破大口徑厚壁不銹鋼焊管裝備依賴進口的現狀。

  主要創新內容

  項目團隊經過十多年的聯合攻關，解決了成形與焊接的問題，在此基礎上輔助制備工藝、熱處理技術以及與之匹配的裝備。構建彎曲成形、連續焊接協同加工體系，解決管體成形與焊接性能一致性的問題，融合合理的工藝制度、熱處理技術以及與之匹配的裝備，制備出滿足市場需求的大口徑厚壁不銹鋼直縫焊管。其總體思路如圖1所示。

圖1 大口徑厚壁不銹鋼焊管總體思路

  創新點一、基于厚壁板材中性層偏移、彎曲回彈、包辛格效應理論，構建了獲得板邊預彎、管體連續折彎與精整成形方法，為工藝制定和裝備研發提供了理論依據，形成不同規格產品單道次折彎過程中性層偏移量（板厚6%-18%）、回彈（板厚0.8%）等精準控制，解決了管體折彎成形過程尺寸偏差與缺陷難題。

  開展應力中性層與幾何中心層偏移規律研究，構建基于厚度強化模型的中性層偏移方法，可輔助預測管體折彎過程每道次管壁減薄量以及管徑延伸量，實現原始坯料精確定寬；開展板材彎曲成形過程回彈機制研究，構建可有效控制折彎角度的方法，回彈量平均值約為板厚的0.8%左右，實現了板坯折彎卸載后回彈量的精確預測，有效避免管體成形出現焊縫開口較大、周向圓度不良缺陷；開展板材彎曲過程加/卸載過程中包辛格效應研究，構建厚板彎曲包辛格效應方法，與實際測量誤差小于10%，為厚壁不銹鋼焊管JCOE成形工序中管體預彎、連續折彎成形工藝制定提供技術依據。 

圖2 厚壁板材中性層偏移、彎曲回彈、包辛格效應等方法

  創新點二、研究了管體成形過程關鍵工序模具構型，揭示了不同材質、規格產品成形過程的變形規律，獲得滿足生產需求的成形工藝技術體系，解決了成形過程中產生缺陷等技術難題。

開展預彎模具對大口徑厚壁焊管在預彎階段的影響規律研究，制定出滿足大口徑不銹鋼直縫焊管預彎階段的成形工藝。構建可滿足不同直徑、壁厚管材的板坯預彎成形凹凸模具，基于管坯直邊弧邊轉變區域的預彎模具過渡段、上下模具相位差優化設計方法，板材厚度每增加10mm，過渡段角度增加1°，過渡段彎曲量增加9mm左右，有效實現下模行走行程與加載方式精準控制，實現了不同直徑管體成形一模多用的效果；開展板材折彎成形過程步進式連續彎曲成形研究，優化了上模具壓下量、下模具開口度及下壓道次等工藝參數，折彎成形上模具壓下量和下模開口度、折彎道次優化設計方法，提高了管體尺寸精度，滿足不同規格管體生產的最優折彎成形工藝要求，實現了管體制備階段高效化、精確化；開展預整形機多自由度合縫研究，優化了合縫輥位置、軸向壓下角度的調節工藝，構建基于不同開口度預整形調整方法與關鍵技術、“桃形”“梨形”“錯邊”等特殊缺陷優化機理，實現了管體焊縫精準對接，提高管體成形質量。 

圖3 管體成形過程關鍵工序模具構形設計方法與工藝調控技術

  創新點三、開發了焊接熔池與焊縫圖像智能識別跟蹤、焊縫成形智能工藝控制技術、焊縫質量的全流程監控與動態優化技術，熔池形態識別正確率達96.34%，焊縫缺陷識別和檢測準確率達95%以上，焊接成本降低30%以上，效率提高10倍。

  開發出滿足大直徑厚壁焊管焊接需求的高效低成本深熔焊接方法及工藝技術，開展深熔TIG焊接成形過程力學分析，利用熱流固耦合進行深熔TIG焊接數值模擬，獲得了深熔TIG焊接成形過程工藝；構建基于焊縫熔池及凝固成形后焊縫形狀的捕捉系統，獲得了焊接熔池與焊縫圖像智能識別技術；開展基于視覺傳感、電壓電流多信息融合的熔池特征數據采集系統研究，掌握焊縫跟蹤、焊縫成形控制與焊接過程補償技術，熔池形態識別方面正確率達96.34%，準確率和檢測效率達95%以上，獲得焊接過程焊縫成形質量智能控制，準確的預測熔池力學行為及熔寬形貌，確保了厚壁焊管焊縫質量與基體不銹鋼材料的性能一致性，提高焊接質量及焊接效率。

圖4 管體厚壁不銹鋼焊管圖像動態識別、智能補償的高效焊接方法

  創新點四、開發了可實現焊縫與母材性能一致性調控、晶粒尺寸在線檢測方法等關鍵技術，實現了管材熱處理過程組織性能與析出相的動態調控，在線晶粒度誤差小于10%，解決了晶粒度預測難、焊縫開裂、焊接部分與基體性能一致性差等難題。

  構建了微觀組織晶粒預測方法，發現了管材在不同溫度下的組織晶粒的再結晶、晶粒長大等變化規律，實現了晶粒度精確控制；建立激光超聲波衰減的晶粒尺寸檢測方法，實現了管材微觀晶粒尺寸的在線實時檢測；基于成形后的管材需進行熱處理行為實現管件焊縫與母材組織與性能的一致性，研究雙相不銹鋼、鎳基合金相變規則，闡明在不同溫度條件下的相變特征，構建可實現焊縫和基體性能一致性的關鍵技術，結合CCT及TTT曲線，避免無效及有害溫度，形成典型雙相不銹鋼、鎳基合金的熱處理工藝制度。

圖5 厚壁不銹鋼焊管熱處理過程組織晶粒、析出相等演變機理

  創新點五、研制出大口徑厚壁不銹鋼焊管成套裝備，構建了非對稱布置的板邊預彎、管體連續折彎等關鍵結構形式，實現了工藝與設備的集成創新，形成Φ219-Φ1219mm、壁厚80mm、長度12500mm系列產品生產技術，效率提高2倍以上。

  發明出可連續往復切削的大切削量銑邊裝備，構建快速響應厚壁焊管焊縫倒角大切削量需求的多刀頭切削方式與快速定寬、定厚、刀頭角度調整的結構形式，生產效率提升2倍以上；發明出厚壁焊管板邊預彎需求的錯邊非對稱布置形式與多曲面弧段組合大步長彎曲方式，可實現模具快速調整、更換的步進式預彎，預彎邊2800mm以上、模具投資為傳統預彎裝置的40%；構建了厚壁焊管管體彎曲需求的高剛度“C”形結構布置形式與大跨度雙機組合連續折彎設備結構形式，發明出快速送料、出料的雙機同步聯動的強力彎曲裝備，機組能力2×3000t、同步精度達到±0.1mm；發明出厚壁焊管管體多自由度合縫結構形式、消除管體彎曲成形過程遺留缺陷的多軸合縫糾偏裝備，實現智能焊接降低人為因素、調速范圍為0.2m/s-0.7m/s。

圖6 大口徑厚壁不銹鋼焊管高質高效制備的成套裝備

  應用情況與效果

  項目在國家973計劃、國家自然科學基金、山西省重大專項、國家火炬計劃產業化示范項目等重大專項的支撐下，通過十多年聯合技術攻關，發明了經濟高效的JCOE連續制管工藝的專有技術，擁有全部自主知識產權的首條大口徑厚壁不銹鋼焊管裝備，滿足柔性生產的多規格、多品種的要求。系列產品整體達到芬蘭Outokumpu、韓國EEW公司、德國Butting同類產品水平，部分指標優于國外水平。本項目已獲專利59件（發明專利30件），軟件著作權11件，論文59篇，起草了國家標準16項。

  產品已應用于“一帶一路”俄羅斯亞馬爾LNG2液化天然氣項目、阿爾及利亞國家石油公司Kurvers Piping高硫原油輸送管線項目、伊拉克哈法亞CPF3項目以及山東LNG接收站、廣西LNG接收站、天津LNG接收站、浙江石化的4000萬噸/年煉化一體化項目等230多項大中型工程項目，累計銷售近10萬噸，實現銷售24億元，利稅4.55億元，提升我國不銹鋼焊管產業整體競爭力，對提升高端裝備制造水平及國產化率有較大現實意義。