北鋼管業JCOE 生產線裝備及工藝技術

李 鋼

（北鋼管業（營口）有限公司，遼寧 營口 115007）

隨著全球各國經濟和油氣輸送管道建設的空前發展，大直徑直縫埋弧焊管生產線得到了大力發展。據統計，1990 年以來世界已建及在建的油氣輸送用大直徑直縫埋弧焊管機組已達50 套，主要分布在亞洲地區（共36 套，其中中國13 套、俄羅斯4 套、韓國8 套、印度8 套、伊朗3 套），其次為歐洲（7 套）、美洲（4 套）。我國的天然氣引進工程和西氣東輸工程的輸氣主干道、復線及支線直縫焊管用量很大，過去一直是進口，現在已實現國產化，為提高管道輸送壓力，降低在復雜地區管道損壞的可能性，采用高鋼級鋼管是油氣輸送主干管的發展方向［1-5］。

北鋼管業（營口）有限公司（簡稱北鋼管業）JCOE直縫埋弧焊管生產線2014 年開始設計、招標采購、施工安裝，年產能為25 萬t，計劃2016 年初建成投產，現對該機組情況進行介紹。

1 產品規格及原料保證

1.1 產品規格

北鋼管業JCOE 生產線設計年生產直縫埋弧焊管25 萬t，產品極限規格、最大壁厚與鋼級對應關系見表1，按品種分類的產品方案見表2。

1.2 原料保證

隨著國內輸氣管道的延長和壓力要求的提高，X70、X80 將成為主流管線管鋼級。鞍山鋼鐵集團公司的寬厚板軋機軋出的鋼板，產品鋼級為X52～X100，預留了以后生產Xl20 鋼級的發展余地。

表1 產品極限規格、最大壁厚與鋼級對照

北鋼管業JCOE 生產線采用的原料為定尺單張鋼板，厚度6～65 mm，寬度5 200～12 000 mm，長度9 000～18 400 mm；最大質量46 t，同板厚度差≤1.0 mm，不方度≤1%，同張鋼板的屈服強度極限值差≤40 MPa；鋼板年需要量26 萬t。

2 工藝流程

北鋼管業JCOE 生產線工藝流程如圖1 所示。全線采用自動化物流跟蹤系統，單機及輔聯設備均可實現自動控制，鋼板及鋼管的直線運輸采用變頻電機，鋼管橫移采用橫移車及編碼器控制，可以精確定位，實現自動化控制。

表2 按品種分類的產品方案

圖1 JCOE 直縫埋弧焊管生產線工藝流程

3 主要工藝裝備與工藝技術

3.1 鋼板超聲波探傷

管線管生產對原料鋼板除化學成分、機械性能、板型及尺寸有明確要求外，一些管線標準和技術規范（如西氣東輸和陜京二線技術規范）還要求對鋼板進行超聲波探傷［14］。北鋼管業JCOE 生產線配備了全板寬的超聲波探傷檢測設備，對板材進行超聲波100%掃描檢測，滿足板材檢測工藝要求，探頭采用進口技術，探傷工藝及標準完全滿足殼牌等標準要求。

3.2 銑邊機

銑邊機引進國外公司最新設計產品，采用2 套旋轉銑刀頭裝置，使用成型銑刀可以一次加工出所需形狀。在銑刀頭圓周上設數十個銑刀塊，刀塊分多層布置，將鋼板銑削成為要求的寬度，并加工出要求的坡口形狀。由于刀具數量較多，每個刀具的切削量少，鐵屑細小，刀具壽命較高，從而使設備停機減少，作業率提高。為了減少不同銑刀盤的總投入而采用了三明治式銑刀盤形式。另外，銑刀盤為隨動式設計，具有仿形功能，可跟蹤鋼板的浪形得到要求的坡口尺寸及形狀。

銑邊機設備的主要技術參數：

含引弧板的管長 9 000～18 900 mm

板寬 1 200～5 200 mm

長度 9.0～18.4 m

板厚 6.4～65.0 mm

單邊最大銑削量 20 mm

鋼級 API Spec 5L：A、B；

X42~X120

最大屈服強度 1 050 MPa

銑邊功率 2×75 kW

刀盤直徑 600 mm

銑邊速度 380 m/min

進給交流伺服電機功率 41 kW

進給速度 1 500～6 000 mm/min

最大快速進退速度 60 000 mm/min

液壓站油箱 160 L

泵電機功率 18.5 kW

最大工作壓力 16.5 MPa

3.3 預彎邊機

預彎邊機適用的產品范圍更寬，特別是對于可成型高鋼級、大壁厚鋼管。北鋼管業預彎機為引進德國技術，國內制造。主要有以下優點：

（1） 預彎機機架由兩個C 型機架組合而成，每個C 型機架由上段、中段、下段組成，通過4根主拉力柱及4 根副拉力柱聯結為一體。機架均為焊接結構件，保證足夠的強度及剛性。通過對拉力柱施加一定的預緊力，將機架連接為剛性體［15］。機器工作時的壓力完全由拉力柱承受，機架始終承受的是壓應力。由于中間機架為焊接件結構，其受壓后機架的變形很小，此時上機架與中間機架之間的接觸面間無位移發生，機架受力后變形量非常微小。

（2） 根據鋼管產品規格，采用漸開線曲面模具，只要幾套模具即可覆蓋全部規格，大大降低了設備成本及使用成本。

（3） 進出口輸送輥道配備隨動托料裝置［16］，避免鋼板在壓制過程中由于自重引起撓度變形使得預彎后的鋼板變形。

（4） 主液壓站與充液液壓站共用一個液壓站，液壓系統采用了組合油缸電液比例同步液壓控制技術［17］，液壓系統壓力采用比例溢流閥控制，液壓系統方向控制采用三位四通高頻響閥先導帶電氣限位控制和集成電控裝置（OBE）的比例方向閥。

（5） 電氣系統采用兩套專用的數控系統分別控制左、右兩邊的油缸，位置檢測元件光柵尺直接安裝在下模兩側，借由光柵尺的位置反饋完成數控系統對下模位置的閉環控制［18］，同時根據光柵尺的位置變化配合數控系統對比例方向閥的流量進行控制，完成下模兩油缸的速度同步控制。重復定位精度±0.01 mm，定位精度±0.03 mm。

3.4 成型機

成型機采用18 m、1 萬t 成型機的第二代新技術。成型機主要技術參數：

成型機長度 21 000 mm

成型機寬度 15 000 mm

成型機高度（總） 10 500 mm

成型機高度（地面以上） 7 800 mm

設備質量 1 600 t

成型梁的壓力 100 MN

單位壓力 5.2 MN/m

成型梁總行程 360 mm

有效彎曲長度 19 100 mm

成型梁前進速度（快速） 50 mm/s壓力100 MN 時速度 20 mm/s返回速度 50 mm/s負載時同步精度 ±0.25 mm

3.4.1 成型模具

成型機的上模具有兩種結構形式，分別對應不同規格產品生產時使用。

（1） 折彎壓板。成型工具是一個堅固的帶有固定成型曲率的壓板，通過螺栓固定在上梁，不能安裝模具。壓板沿高度方向有恒定的寬度，約為100 mm。折彎壓板可以適應全規格產品的生產，在生產高鋼級、大壁厚、小直徑鋼管時優勢明顯，但生產大規格鋼管時效率會降低。

（2） 成型壓板與模具。成型壓板通過螺栓固定在上梁，配有一個可以推入工具的夾持器。單獨的成型模具在軸向上夾緊，防止任何縱向移動。壓板每側有磨損保護板。理論上講，每個規格的成型鋼管都需要配備不同的模具，才能達到最佳成型效果與成型效率。但從生產成本考慮，對模具進行優化組合，保證在一定規格范圍內的模具可以通用，既能適當降低備件儲備，也能保證成型的效果與生產效率。

3.4.2 框架式主機結構描述

（1） 成型機框架包括9 個相互連接的單獨封閉框架。每個框架通過一個上焊接鋼結構和下焊接鋼結構組成［19］。上下框架通過兩個側面零件連接。

（2） 上梁的導向位于上部。在整個成型過程中允許上梁偏移而不損壞導向。下梁的導向固定在下部，用于保證下梁在橫向的位置并且防止在成型過程中的扭轉。在軸向上，下梁固定在控制臺一側。

（3） 下梁用來固定成型模具，放置在支撐楔塊和兩個固定支撐上。在成型過程中，下梁的偏移通過長度基準棒測量，通過使用支撐楔塊調整來做出相應的補償控制，使開口管滿足成型的技術要求。

（4） 成型機上梁連接主液壓缸［20］，執行上梁的成型行程和返回動作。上梁包含導向元件，其確保了成型時導向的安全。每次變形時，上梁的變形通過縱向參考棒進行測量，通過主液壓缸進行控制；使開口管滿足變形的技術要求。

（5） 縱向參考棒分別裝在基礎上的一個橋架上，消除了成型機框架彈性變形產生的任何影響。

（6） 支撐結構位于設備的兩側，在每一個成型步驟之后鋼板的下落過程中，該機構可以防止橫移臺架的損壞。

3.4.3 成型機的主功能使用VSP 液壓系統

將“變速泵”液壓系統（VSP）用于主液壓缸組，進行壓機的主要動作。通過伺服電機連接到泵，根據油的流量和壓力進行單獨設定，VSP 液壓系統不需要通過比例閥操作。伺服電機通過變頻器進行控制［21］，形成一個閉環。PLC 僅設定主要參數。變頻器通過總線系統在主、副配置中進行相互的通信。VSP 系統不僅大大提高系統工作效率，也降低電耗達25%左右，液壓系統設備的結構也非常簡單。

3.4.4 Shape 自動化系統

Shape 自動化系統包括3 個模塊：“共享成型專家”軟件包（Shape），Shape view 管型測量硬件；Shape control 管型控制自動化模塊。

（1） 共享成型專家。Shape 軟件用于JCO 成型過程的計算和控制。Shape 軟件對工藝進行計算，提供合適的設備參數。操作者只需要將用于計算基礎設定的主要參數值（如鋼管直徑、壁厚、鋼級）輸入到系統即可；共享成型專家系統將自動優選成型策略，將上模具曲率、墊片組厚度作為計算結果輸出，并對成型步驟數量及每步的理論回縮深度作出建議，回縮深度根據工藝控制是可以調整的。

對于JCO 過程控制，Shape 程序與測量系統和設備的PLC 進行通訊。在成型過程中，測量系統對完整的鋼管內部形狀進行連續的監測。在每個成型步驟之后，Shape 對名義管型和實際管型進行對比并分析出偏差?；诠に嚹Ｐ?，Shape 軟件計算出針對下一個成型步驟的回縮深度的必要修正值。當前的回縮深度傳送到設備的PLC。通過這種方式，實現了回縮深度的連續優化。

（2） 形狀測量與管型控制。一個緊湊式的傳感器測量頭，包括6 個激光斷面傳感器，固定在成型壓板的中間，對成型區和相鄰區域進行無接觸式的測量。管型測量通過“壓板位置”和“成型壓力”信號激活。在每個成型步驟之后的單個測量形狀相互疊加，最終形成開口管的整個內部形狀。部分或整個管型在管型測量系統的HMI 人機界面上進行監測。每次成型后測量的數據通過以太網（TCP/IP）發送到Shape 計算機。實際形狀與名義形狀進行對比，重新計算實際成型參數并發往成型機的PLC，即成型過程與實際成型狀態進行匹配［22］。

3.5 預焊機

預焊機用于使成型后的管筒合縫并采用氣體保護焊進行連續焊接，具有自動送料、合縫預焊和自動出料等多種功能，能連續、高效、優質、低耗地完成大直縫埋弧焊管的合縫預焊。

預焊機采用框架輥籠式合縫結構，最大牽引力300 kN，采用數控系統控制，電液伺服驅動13 個液壓合攏輥，將JCO 成形的開口管筒主動連續合縫和預焊。在合縫過程中，根據激光跟蹤系統顯示的誤差，實時調整和糾正錯邊量與合縫間隙，實現自動送料、連續焊接、優質高效。

預焊機主要技術參數：

含引弧板的最大管長 19 100 mm（兩頭管端部的引弧板長度分別為300，400 mm，管長

18 400 mm）

最大管質量 46 000 kg

最大牽引力 300 kN

滿載牽引速度 1～10 m/min，變頻調速

空載牽引速度 1～20 m/min，變頻調速

輸送輥道最大速度 30 m/min，變頻調速

合攏輥數量 9 組

電液伺服合縫輥 6 組（1~3 與6~8 號輥）

電液伺服控制輥 1 組（9 號輥）

機械預選合縫輥 2 組（4~5 號輥）

電液合縫輥單缸輸出力 1 000 kN（1~3 與6~8 號輥）

電液控制輥單缸輸出力 1 000 kN（9 號輥）

合縫輥伸出行程 725 mm

環形架升降行程 750 mm

（1） 采用數控系統和電液伺服系統，根據激光跟蹤系統顯示的誤差，全數字實時調整和糾錯邊量與合縫間隙。

（2） 電液合縫輥由前后兩個液壓缸驅動，編碼器檢測，在數控系統和電液伺服系統控制下同步運行和精確定位，定位精度0.2 mm，重復精度0.1 mm。在負載條件下實時調整電液合縫輥。電液合縫輥可調整為全開或半開狀態，也可調整為錐形，方便管筒推入，安全可靠。

（3） 根據管筒合縫時的錐形曲面，合縫輥入口處的前3 個輥輪按不同的導入曲線分布，有效降低前3 個輥輪的負載。合縫輥輪采用一體化厚壁外圈專用軸承輥，承載力大，抗沖擊能力強，經久耐用。

（4） 采用進口大功率變頻電機與行星減速機組合單元傳動，兩個推料擋塊循環推料，無需空程返回。

（5） 數控系統采用工業嵌入式計算機作為硬件平臺、自主開發16 軸實時同步控制算法為核心的開放式軟件構架，全數字實時控制整合合縫預焊工藝過程，除管筒開口對中和焊接系統要求暫停外，其他工作過程均可自動完成。

3.6 內外埋弧焊機

北鋼管業JCOE 生產線的焊接設備包括3 套四絲內縫自動焊機和3 套五絲外縫自動焊機。整套設備采用當前成熟可靠的先進工藝和技術，產品實物質量、生產成本、各項消耗指標和勞動生產率等達到國際先進水平。內外埋弧焊機主要采用了以下技術及設置：

（1） 多絲焊接技術。目前世界上普遍采用四絲及五絲焊接技術以替代過去的雙絲或三絲焊接。多絲焊接具有可焊厚度和焊接速度增加、有利于改善焊接熱影響區晶粒長大、線能量小、效率高、熱影響區窄等優點。

（2） 數字控制技術。數字化焊接電源［23］具有焊接參數提前預置、焊接電流及電壓波動小、焊縫質量穩定、焊縫成型美觀、操作方便、低耗節能等一系列優點，代表焊接電源的發展趨勢。同時采用激光跟蹤和焊接參數自動控制技術，通過多絲參數的控制，能夠滿足大壁厚、高韌性鋼管的焊接要求。

（3） 焊接系統的優化設計，提高小直徑鋼管合格率。小直徑鋼管焊接過程中，電弧容易受到電磁場的干擾，導致焊接過程不穩定，焊縫缺陷率較高，特別是管頭和管尾更加嚴重，影響鋼管的一次合格率。有的工廠甚至不得不采用切管頭的方式來生產，生產效率低下，成材率較低，生產成本高。北鋼管業對焊接系統回路［24］進行設計優化，改進導電機構，成功地解決了小直徑鋼管焊接時焊接過程不穩定的問題，使焊管合格率得到很大提高。直縫埋弧焊管內外焊設備主要技術參數：

焊頭數 4 絲

焊接速度 0.5～3.0 m/min焊絲直徑 3.2～4.0 mm

焊絲干伸長變化范圍 ±1 mm

內焊跟蹤滑板行程 隨動、電動水平方向各±20 mm，垂直方向

±10 mm

跟蹤精度 水平方向≤±0.5 mm，

垂直方向≤±0.5 mm

懸臂 升降高度≥200 mm

接地裝置 升降高度≥1 500 mm外焊

自動跟蹤精度 水平方向≤±0.2 mm，

垂直方向≤±0.2 mm

跟蹤滑板行程 水平方向±100 mm，垂直方向±100 mm

機頭及接地裝置 升降高度1 500 mm跟蹤輪結構方式 機械跟蹤輪與焊槍采用分體結構，焊接過程中焊槍可橫向調節

焊劑

輸送距離 ≥22 m

回收距離 ≥26 m

回收高度 ≥6 m

暫載率 100%

焊接小車驅動方式 齒輪齒條驅動

焊接小車行走速度 0.1～18.0 m/min（預留焊

接冶金復合管的能力）

3.7 擴徑機

JCOE 生產線設計了一臺公稱拉力為1 500 t 的擴徑機，9.0～12.5 m 鋼管一次全長擴徑；12.5～18.0 m 鋼管采用兩端擴徑工藝，由旋轉車將一端擴徑后的鋼管旋轉，完成另一端的擴徑。

（1） 采用鋼管在線校直裝置。北鋼管業JCOE生產線的擴徑機采用了鋼管在線校直裝置，可以在擴徑過程對鋼管在水平及垂直方向的位置變化進行控制，使之達到理想的直線度。擴徑機的鋼管夾持系統在送進鋼管的同時，改變夾鉗高度，使鋼管受彎，可以起到較好校直作用。該鋼管在線校直裝置與鋼管夾持系統的校直功能綜合使用，不僅能使鋼管沿焊縫方向的大刀彎得到校直，還能有效改善鋼管的側彎曲量。

（2） 采用國產擴徑工具。北鋼管業JCOE 生產線采用國產擴徑頭。擴徑頭擴徑直縫埋弧焊管的鋼級、壁厚可達：X70 鋼級的壁厚≤45 mm，X80 鋼級的壁厚≤40 mm，X100 鋼級的壁厚≤36 mm。

（3） 擴徑拉桿采用高等級的核電轉子鋼作為制作拉桿的材料，并采用二次熔煉的電渣錠作為鍛件坯料，經精鍛機進行快速鍛造后成型，再經過調質、定型、精加工、珩磨等11 道工序后制作出成品，并且嚴格進行材料理化分析、金相組織分析、無損探傷檢測、機械性能檢測。拉桿經熱處理后，硬度在350～380 HB 時，其屈服強度≥1 120 MPa、抗拉強度≥1 250 MPa、伸長率≥13%。

（4） 電氣控制系統有技術優勢。主要有整體的S120 驅動器配置設計方案，有源整流回饋單元+逆變單元使傳動設備有效節能；軟啟動器減輕電網壓力和機械沖擊，且具有自保護功能和過載保護功能；帶有DP 通信的絕對值編碼器可以實現設備位置的自動尋參。

3.8 鋼管探傷

S7-414 3PN/DP PLC 帶有2 個以太網口，可以用于上位機控制和ERP 管理系統，供方在監控工控機里做了數據備份程序，可以自動保存擴徑機的運行數據，以便于需方和供方交流、分析設備運行情況，診斷、處理設備故障。

（5） 液壓系統壓力可根據不同負載進行切換。主動力源壓力采用比例調節，即主液壓系統壓力可以根據擴徑不同規格、壁厚、鋼級的直縫埋弧焊管所形成的不同擴徑負載作系統壓力的切換，通過操作屏設定相應的壓力值，由比例壓力閥調整主液壓系統［25］獲得合理的壓力。此項改進能平穩切換不同壓力，較好地消除系統壓力沖擊，減少因壓力調整不合理而在節流元件上損失的過多能耗。

北鋼管業JCOE 生產線終檢超聲波檢驗系統由檢測機械（探頭架、探頭架驅動設備等）、檢測電子（超聲波探傷主機、超聲波檢測結果的處理系統）、檢測電氣（電氣控制系統）及耦合水處理系統等4 部分組成。

（1） 采用了最先進的射流式耦合，其優點在于：超聲波探頭的入射角0°~90°連續可調，從而對任何直徑、任何壁厚的鋼管均可將設備調整到最理想的探傷角度，在弧面狀態下可真正意義上滿足殼牌標準中對入射角的要求；探傷機械與鋼管表面的接觸由滑動摩擦變為滾動摩擦，大大提高了機械設備運行的可靠性與連續性，避免了鋼管表面焊接飛濺及鋼管橢圓度、不直度對探傷結果的不利影響，從而提高了探傷結果的可靠性；更換鋼管規格時不需更換探頭楔及其他任何機械附件，不需針對不同鋼管配備不同的附件，即減少了以后的運營費用，又大大縮短了更換鋼管規格時的設備調整時間；探頭可以騎在焊縫上直接檢測橫向缺陷。

（2） 采用了前置放大器、統計降噪、隔離電源等多項抗干擾措施，從而保證了系統在工廠環境中的可靠運行。

（3） 采用射界面波跟蹤和浮動閘門技術，從而極大地降低了漏報、誤報率，提高了檢測的可靠性。

（4） 采用一組探頭—多項功能技術，即同一組探頭即可以采用自發、自收檢測焊縫中的缺陷，又可以采用一發、一收隨時監測設備的調整及耦合狀態。這種設備的自我監測功能很好地保證了設備的可靠性。

4 結 語

北鋼管業著眼于未來優質管線管及海底管線管的生產，力主開發海外市場。為滿足國內外客戶對產品品質不斷提升的要求，新建生產線通過精心規劃、科學布局、嚴謹操作，力爭打造一條國內外先進的直縫埋弧焊管生產線，為我國經濟的快速發展做出更大的貢獻。

［1］ 吳堅. UOE 成型大直徑直縫焊管生產［J］. 鋼管，2000，29（5）：13-16.

［2］ 謝仕強，桂光正，鄭磊，等. X80 鋼級大直徑UOE 直縫埋弧焊管的開發及應用［J］. 鋼管，2011，40（4）：29-36.

［3］ 彭在美，沈發楚，嵇紹偉. 我國UOE/JCOE 直縫埋弧焊管機組的現狀及發展趨勢［J］. 鋼管，2013，42（2）：1-5.

［4］ 曲賓，王東明. 國產JCOE 焊管裝備制造技術及管理升級研究［J］. 鋼管，2014，43（2）：7-10.

［5］ 王東明. 基于Proficy 智能平臺的JCOE 生產線MES 系統研究［J］. 鋼管，2011，40（4）：49-53.

［6］ API 標準翻譯出版委員會. API Spec 5L—2012 管線鋼管規范［S］.45 版.北京：石油工業標準化研究所，2012.

［7］ 國家質量監督檢驗檢疫總局，國家標準化管理委員會.GB/T 9711—2011 石油天然氣工業 管線輸送系統用鋼管［S］. 北京：中國標準出版社，2012.

［8］ 國家質量監督檢驗檢疫總局，國家標準化管理委員會.GB/T 3091—2008 低壓流體輸送用焊接鋼管［S］. 北京：中國標準出版社，2008.

［9］ 國家發展和改革委員會. SY/T 5768—2006 一般結構用焊接鋼管［S］. 北京：石油工業出版社，2006.

［10］ 國家質量監督檢驗檢疫總局，國家標準化管理委員會.GB/T 21835—2008 焊接鋼管尺寸及單位長度重量［S］.北京：中國標準出版社，2012.

［11］ JIS G 3444—2010 一般結構用碳素鋼管［S］. 2010.

［12］ ASTM A 53/A 53M—2010 無鍍層及熱浸鍍鋅焊接與無縫公稱鋼管［S］. 2010.

［13］ ASTM A 500/A 500M—2010 圓鋼和型鋼的冷成形焊接與無縫碳鋼結構管用標準規范［S］. 2010.

［14］ 韓云臺. 測試技術手冊［M］. 北京：國際工業出版社，1989.

［15］ 聞邦椿. 機械設計手冊［M］. 北京：機械工業出版社，2010.

［16］ 方宏明. 機械設計、制造常用數據及標準規范實用手冊［M］.北京：當代中國音像出版社，2004：539-574.

［17］ 毛好喜. 液壓與氣動技術［M］. 北京：人民郵電出版社，2009.

［18］ 王俊杰. 檢測技術與儀表［M］. 武漢：武漢理工大學出版社，2002.

［19］ 孫志禮. 機械設計［M］. 沈陽：東北大學出版社，2000：38-44.

［20］ 袁廣，張勤. 液壓與氣壓傳動技術［M］. 北京：北京大學出版社，2008.

［21］ 周繼明，江世明. 傳感技術與應用［M］. 長沙：中南大學出版社，2005.

［22］ 徐科軍，馬修水，李曉林. 傳感器與檢測技術［M］. 北京：電子工業出版社，2005.

［23］ 黃石生. 弧焊電源及其數字化控制［M］. 北京：機械工業出版社，2007.

［24］ 吳毅雄. 焊接手冊［M］. 北京：機械工業出版社，2008.

［25］ 郝木明. 機械密封技術及應用［M］. 北京：中國石化出版社，2010：61-70.