本頁關鍵詞：焊管、鍍鋅管廠、天津無縫鋼管廠
世界ERW中徑焊管生產與寶鋼ERW610焊管機組
摘要：當今世界上，以新日鐵、JFE、曼勒斯曼、考里茨（希臘）為代表的中徑直縫焊管生產裝備和生產技術取得了迅猛發展。新型排輥成型、URD精成型機及定徑機、高頻焊接設備及焊接技術、焊縫熱處理設備及技術、無損探傷等新技術的開發，中徑直縫焊管已在海洋油氣輸送用管，陸上油氣輸送用管方面得到了廣泛使用。特別是近年來，X80鋼級管線管及T.U.F油井管的問世，為中徑直縫焊管的應用開辟了廣泛的領域。寶鋼的ERW610機組，采用了世界上各類新技術，是世界上裝備先進的中徑直縫焊接鋼管生產線之一。投產后，通過半年的工藝生產技術及經驗的積累并經過科研開發，已批量供貨近5萬噸。同時致力于X80鋼級管線管、N80、P110鋼級套管及各類T.U.F套管的研發，并在N80、P110鋼級套管已有突破。
關鍵詞：ERW中徑管、X80、T.U.F、寶鋼ERW610
1. 前言
直縫高頻焊接鋼管以其低成本，高效率的優勢逐步得到市場認可，其生產設備及生產工藝技術得到了快速發展。新日鐵、JFE、曼勒斯曼、考里茨（希臘）、世亞（韓國）等世界著名直縫焊管生產廠已能生產陸用或海洋用X80鋼級管線管。在油田用套管生產方面，新日鐵已能按API標準，生產不經全管熱處理的N80-I鋼級套管。新日鐵名古屋制鐵所1986年建造的16”中徑直縫ERW機組，經過數年的技術開發及設備改造，采用了世界上各類新開發的設備技術及自行開發的專有技術，開發了Tough material，Uniform properties，Free from defects（T.U.F）油井管。由于此類焊接油井管具有耐酸性、高強度、高韌性及高壓潰性能，可以使用在地質條件很差的氣井、深井及海洋油田中，且價格比無縫鋼管低，因此具有廣闊的使用前景。新日鐵將此類直縫焊管命名為T.U.F油井管，并形成不同于API產品系列的NT系列即：新日鐵T.U.F油井管系列（Nippon Steel T.U.F for OCTG）。各項性能指標均高于API標準。NT系列產品為當今世界上油井管的高端產品，也是新日鐵的特有產品。
寶鋼ERW610機組的焊接成型線引進了SMS-Meer公司開發的設備技術，并配置了世界上最先進的無損探傷設備、高頻焊接設備、焊縫熱處理設備。投產后，通過工藝生產技術及經驗的積累，并經過科研開發，06年上半年已批量生產并供貨管線管、套管和結構管近5萬噸，并在API標準系列N80、P110套管上取得突破。目前正在研發生產X80鋼級管線管（陸上、海洋用管線管）、及各類T.U.F套管，填補我國直縫焊管產品的空白，并將在世界鋼管市場上成為無縫鋼管的強勁競爭對手。
2. 世界中徑直縫焊管技術發展現狀
2.1 技術發展現狀
焊接鋼管技術的發展是伴隨著與無縫鋼管產品的競爭而進步的。焊接鋼管在某些領域中要取代無縫鋼管，關鍵在于產品的質量及較低的生產成本。焊接鋼管產品質量的提高，主要依靠三個方面的技術進步。一是鋼鐵冶煉技術，二是熱軋帶鋼技術的提高，三是制管技術的提高。因此，世界上高品質的焊接鋼管大多是由最先進的大型鋼鐵聯合企業生產的，可以較容易的實現從鋼鐵冶煉、帶卷到焊接鋼管成品生產的質量一貫控制。避免了吃“百家飯”，無法自行控制原料質量的問題。表1.為世界著名的直縫中徑焊接鋼管企業的工藝及產品鋼級比較。
表1. 若干著名焊管廠工藝、產品、鋼級比較
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企業
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新日鐵
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JFE
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考里茨
（希臘）
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曼勒斯曼
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世亞（韓國）
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質量一貫制
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實行
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實行
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無法實行
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無法實行
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無法實行
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煉鋼
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鐵水處理
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實行
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實行
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買帶卷
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買帶卷
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買帶卷
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二次精煉
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熱軋
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TMCP
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實行
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實行
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買帶卷
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買帶卷
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買帶卷
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制管
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焊接控制
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PWP#
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H1*
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溫度控制
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H1*
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溫度控制
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焊縫熱處理
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N、QT
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N、QT
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N、QT
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N
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N
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OCTG
API
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~N80-I
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不生產
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~N80-I
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~N80-I
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~N80-I
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高性能OCTG
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生產
（T.U.F）
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不生產
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不生產
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不生產
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不生產
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高強度
高壓潰
高韌性
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管線管API
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~X80
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~X80
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~X80
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~X80
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~X80
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管線管
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高強度
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生產
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生產
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生產
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生產
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有條件生產
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耐酸
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生產
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生產
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有條件生產
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生產
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不生產
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海洋用管
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生產
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生產
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有條件生產
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生產
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不生產
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PWP 完美的焊接工藝（Perfect Welding Process）
HI 熱輸出（Heat Input）
從表上可以看出，代表世界中口徑直縫焊管生產技術最高水平的廠家中，數新日鐵、JFE、曼勒斯曼最為突出。尤其是新日鐵，其產品幾乎全面覆蓋了API允許用直縫焊管生產的各類鋼管。而且，還生產比API標準更嚴格的T.U.F油井管。因此，新日鐵代表了世界ERW焊管生產的最高水平。
2.2 世界一流中徑直縫焊管機組的技術特點
a. 企業實行一貫質量控制。熱軋帶卷 的質量的好壞直接決定了鋼管管體的各項性能指標。特別是在尖端產品的生產中，質量一貫管理是決定性的作用之一。新日鐵之所以能生產各類焊接鋼管的一個重要原因是企業實行制管所需的“專用合金設計”，經煉鋼廠生產出合格的鋼坯。再經由熱軋廠軋制出高尺寸精度、耐酸、高韌性、高壓潰性能的板卷。然后，再使用這些板卷生產高質量的管線管及T.U.F油井管。
JFE川崎制鐵所也是實行質量一貫管理的，所以川崎制鐵所的管線管從產品的合金成分設計到質量控制都能為制管生產提供有力的支撐。再加上其制管技術的開發，其生產的管線管的質量、品種均能滿足用戶要求。
曼勒斯曼焊管廠的原料板卷來源渠道單一，由蒂森熱軋廠供料。由于長期形成的合作關系，使其較易從源頭熱軋板卷上控制產品質量。因此，其生產狀況與JFE雷同。
考里茨與世亞則和上述三家焊管廠不同，他們的板卷原料從世界各國購買，原料的差異較大，造成產品質量差異較大，這也是不生產高端產品的原因之一。
b. 采用銑邊機對板邊進行銑切加工。
板卷的熱軋自然邊經過銑邊機加工后，板卷寬度一致，且具有較高的尺寸精度，經過銑邊后的板卷，邊部光滑、潔凈，這就大大提高了焊縫的質量。
c. 采用80年代開發的經過90年代改進的全排輥成型技術。
排輥成型是由輥式成型演變而來的一種新的成型技術。采用全排輥成型技術可以防止帶鋼邊緣產生折皺。因為它可以通過沿帶鋼軸線方向邊緣外側的軋輥群控制邊緣延伸，同時軋輥群由外側束縛帶鋼邊緣，將邊緣外側作為壓縮變形形式被吸收。所以這是一種既能保持連續塑性彎曲，又能防止邊緣延伸和吸收延伸的成型技術。
d. 采用高頻感應加熱方式對管坯兩邊緣進行感應加熱。
如圖1-a所示，20世紀建造的ERW610機組都是采用高頻接觸焊，即利用兩塊接觸片分別與管坯兩邊緣接觸。電流從一個接觸片沿V形回路流向另一個接觸片。因高頻電流產生集膚效應和領近效應使V形回路，即管坯V形缺口邊緣瞬間被加熱到焊接溫度，同時加熱使金屬分子迅速擴散，金屬產生再結晶從而焊成鋼管。由于高頻接觸焊的電極是同管坯表面接觸的，因此在管坯前進中的跳動及管坯表面的不平整，極易使電極與管坯表面產生電火花，造成管坯表面的燒損或疤痕。此外，由于電極與管坯接觸，電極磨損后的粉末極易帶入焊縫，造成焊縫質量不合格。接觸焊的優點是熱效率高，電耗要少。
20世紀末，高頻感應技術取得了突破性的進展。開發出了大功率的高頻感應加熱裝置。因此，在21世紀初建造的24”ERW機組中，大多選擇了高頻感應加熱方式對管坯邊緣加熱。
如圖1-b所示，高頻感應焊是將感應圈與管坯看成是變壓器的一次圈與二次圈。鋼管從感應圈中間通過，當感應線圈中高頻電流產生高頻磁場，因而在鋼管中產生渦流電流。密集的渦流電流徑管坯邊緣V形回路，由于“極膚效應”是兩邊緣產生大量的熱量被加熱到焊接溫度，同時加壓焊合成鋼管。由于在感應焊中，感應線圈同鋼管無任何接觸，因而避免了接觸焊帶來的各種弊端，提高了焊縫的質量及鋼管的表面質量。
圖1-a接觸焊原理圖 圖1-b感應焊原理圖
e. 采用完美的焊接控制技術。
新日鐵自行研究開發的PWP（Perfect Welding Process）焊接控制技術是當今世界上最先進的焊接控制技術。目前，除新日鐵之外，其余著名的焊管企業，均采用高頻焊機生產廠商提供的溫度檢測系統，檢測焊縫區域的表面溫度，然而反饋到焊機的控制系統調節高頻電流的大小來控制焊縫區域的溫度。由于在焊管生產中，各類材質、壁厚及焊接速度所需的焊接熱量是不同的，而鋼管焊接時，最佳化焊接所需的熱量值的波動范圍又是很窄的。開發商提供的焊接溫度控制元件僅是從其實驗室中對各常規鋼種，在設定的焊接速度下進行實驗得出的數據，加以歸納分析處理后，做成控制元件提供給客戶。生產廠在實際操作中，操作人要根據現場實際生產情況及自己的經驗，觀察焊接區的金屬融溶焊接狀態，對焊機輸出的熱量進行調整，生產合格的焊接鋼管。
新日鐵的PWP焊接控制技術是全面歸納總結了其幾十年焊管生產經驗，根據各種規格、焊接速度、壁厚、鋼種所需的焊接熱量，自行開發的控制元件。使用這一焊接控制系統，整個焊接狀態總是被控制在焊接最佳值范圍內，以達到最佳焊接質量。
f. 采用帶有快速換輥裝置的URD(Uniform Rigidity Design)設計的精成型機、擠壓焊接機及定徑機。
URD（均勻剛性設計）精成型機、擠壓焊接機及定徑機為閉式框架結構。用寬厚板制成的機架，具有水平與垂直方向均勻一致的剛性。由于是閉式機架，因此在同樣截面積的情況下，其剛性要高于開式立柱形機架。見圖2所示。
a. URD機架 b. 常規設計機架
圖2. URD機架示意圖
常規設計中，其水平方向的剛性一般要小于垂直方向的剛性。而在四輥軋機中，為了保證水平剛性達到要求，則需增加水平方向機架的橫截面面積，造成機架重量增大，增加了的設計及制造的難度。
采用帶有快速換輥裝置的URD機架，由于機架是板式框架結構其快速換輥系統的設計及配置都比常規設計機架容易。
g. 采用既能對焊縫進行正火又能對焊縫進行淬火+回火（Q+T）、淬火+正火（Q+N）的雙重中頻焊縫熱處理裝置。
在生產高鋼級的油氣輸送管及石油套管時，焊縫熱處理技術至關重要。為了使焊縫的金相結構及性能與管體一致，并使焊縫具有高韌性，焊縫須經Q+T或Q+N方法進行熱處理。焊縫雙重熱處理工藝系90年代開發的新技術。目前，世界上僅新日鐵、JFE、考里茨及曼勒斯曼等少數企業生產的海洋管線管及新日鐵生產的T.U.F油井管，其焊縫熱處理工藝均采用這一技術。
圖2所示為焊縫熱處理的示意圖。
圖2 焊縫熱處理（Q+T）
3.
寶鋼ERW610機組
寶鋼ERW610機組是集成型焊接、精整、管加工、焊接套管全管熱處理于一體的ERW610機組。其產品范圍涵蓋頗廣?？梢陨a從X42~X80鋼級的海上、陸地用管線管；可以生產鋼級直至P110的各類焊接套管；也可以生產各類結構圓管、方矩形管。焊接成型線從SMS-Meer引進，而精整、管加工、熱處理線則采用單機國內外采購，全線自行設計總成的方式。
建設規模
年生產直徑Ф219.1~610mm焊管30萬噸，年加工無縫石油套管3萬噸
3.1 產品大綱
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序號
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產品品種
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代表鋼號或鋼級
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技術標準
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產品規格
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年產量
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管徑(mm)
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壁厚(mm)
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長度(m)
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(104t)
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%
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1
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焊接石油套管(3)
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H40、J55、K55、M65、L80、N80、C95、(P110)
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API SPEC 5CT-2001
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Ф219.1~ 508
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7.72~16.66
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7.62~14.63
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9
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27.3
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無縫石油套管
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J55、K55、 L80、N80、 P110
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API SPEC 5CT-2001
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Ф177.8
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6.20~12.65
|
7.62~14.63
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3(2)
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9.1
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2
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管線用焊管
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A、B、X42-X80
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API SPEC 5L-2000
GB/T9711.1-1997
(DNV-OS-F101-2000)(4)
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Ф219.1~609.6
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4.0~19.1
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6~18.3
|
18
|
54.6
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|
3
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結構用圓管
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A、B
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ASTM A53
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Ф219.1~609.6
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6.0~19
|
6~12
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1.5
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4.5
|
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4
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結構用方（矩）管
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STKR 41、STKR 50
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JIS G3466
(EN 10219)
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□175~450
□220×140~□500×400
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6.0~18
|
6~12
|
1.5
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4.5
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|
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合計
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33(1)
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100
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注： （1）33萬t/a鋼管包括30萬t/a焊接鋼管和3萬t/a無縫石油套管；直縫焊管生產線、焊管精整生產線年產量為30萬t/a
（2） 3萬t/a無縫石油套管僅考慮管體加工（包括管端車絲、水壓試驗等）。管體由無縫提供。
（3） M65、L80、N80-Q、C95、(P110)焊接石油套管管體需進行熱處理
（4） 括號內技術標準為本工程產品參考執行技術標準
3.2 寶鋼ERW610機組的技術特點及其先進性
3.2.1 實行質量一貫管理體制
從鋼種的設計到原料的冶煉，板卷的軋制及焊管的生產全過程實行跟蹤管理。使產品質量從源頭抓起，這在寶鋼也是其先進性及優越性的具體體現。實行質量一貫管理體制，為寶鋼今后開發各類新產品奠定了良好的物質及技術管理基礎。
3.3.2 采用帶鋼邊探加全板探技術
超聲波帶鋼邊探加全板探，可以實時記錄帶鋼的分層缺陷并進行料流跟蹤。對邊探或全板探發現的缺陷，在出廠前的管端探傷及全管體探傷設備上進行復檢并作出最終的判斷。滿足了海洋用管線管等高品質用戶的采購技術要求。新日鐵及JFE均采用帶鋼邊部超聲探傷加全管體探傷方式。
3.3.3 采用銑邊機對帶鋼邊緣進行銑削加工
90年代之前制造的焊管機組，都是采用刨邊機對帶鋼邊緣進行加工。進入90年代之后，對高鋼級焊管要求也越來越高，刨邊機加工的板邊邊緣已不能滿足焊接發展的要求。因此新建的企業都采用銑邊機，而采用刨邊機的生產廠如新日鐵、JFE、，曼勒斯曼都進行了技術改造，采用銑邊機代替刨邊機。
3.3.4 采用了新型排輥技術及帶有快速換輥裝置的精成型機、擠壓機、定徑機。
排輥成型法出現在80年代。經過了近20年的應用后，90年代末米爾總結了世界各國排輥成型設備所存在的問題，對設備的強度、剛度及成型方式進行了較大改進，推出了米爾的排輥成型設備。希臘考里茨廠使用后實績很好。他們又根據考里茨廠實際使用狀況，對排輥成型區設備再作改進，提供給寶鋼。新型排輥成型增強了設備強度、剛度及改進了成型方式，以保證在生產薄壁鋼管及高鋼級厚壁鋼管時獲得良好的產品質量。
均衡剛性設計的精成型機、擠壓焊接機、定徑機為米爾的專利產品，是世界上最先進的精成型段設備。其強度、剛度、快速換輥及調整性能均優越于其它同類產品。在2004年米爾根據此類設備的使用狀況又作了較大改進，在精成型機各機架之間再加入一段小型排輥，以保證在生產薄壁鋼管時的產品質量。
3.3.5 采用大功率高頻感應焊
大功率高頻感應焊系90年代未開發的技術。在此之前24”ERW機組均采用高頻接觸焊。進入90年代后，海洋石油公司對海洋專用油氣管的要求越來越高，對接觸焊所引起的電火花燒痕，接觸塊的擦傷都有嚴格的規定。因此，在90年代中期以后建設的焊管廠都在尋求大功率高頻感應焊接技術。20世紀末考里茨廠在24”ERW機組中首先采用了1800KW高頻感應焊技術，并在世界上取得了良好的聲譽。在此之前，1986年建設的新日鐵名古屋16”ERW機組，首先在同類機組中使用了高頻感應焊（功率為1000KW），并用此焊接設備生產TUF油井管。由此可見，在生產各類高端產品中高頻接觸焊將逐漸被高頻感應焊所取代。
寶鋼ERW610機組吸取了世界同類機組的發展經驗，結合當前世界先進的高頻感應技術的發展采用了高頻感應焊接技術。這是世界上第3套采用高頻感應焊技術的ERW610機組。寶鋼采用的高頻感應焊設備，功率為1800KW，可生產壁厚達20mm的中徑管。
3.3.6 采用焊縫雙重熱處理裝置，既可對焊縫實行正火（N）又可對焊縫實行淬火+正火（Q+N）及淬火+回火（Q+T）。寶鋼采用的雙熱處理裝置，其中頻感應裝置每臺功率為2400 KW。第一套加熱裝置對焊縫進行加熱至淬火溫度。在2臺加熱裝置之間的快速水冷區，噴注乳化液對焊縫進行快速冷卻，然后在第二套加熱裝置中再進行加熱以達到回火或正火目的。
3.3.7 采用計算機技術實行料流跟蹤對產品質量進行逐根跟蹤。目前在世額上采用此類技術僅新日鐵及JFE。
3.8.8 按照API標準及DNV海洋管線管標準，配置各類無損探傷設備及力學性能檢化驗設備。
4. 寶鋼ERW610機組產品技術開發的幾個重點
寶鋼ERW610機組采用了諸多世界上最先進的工藝設備，為焊管產品開發、工藝技術的研究與進步創造了良好的硬件條件。寶鋼正集中科研力量開發專有的生產技術及專利，生產出目前世界上僅有個別企業能生產的產品，來取得強勢的市場競爭地位。根據當前世界焊管工業的發展，目前正在研究的技術有：
4.1 完美的焊接工藝技術（Perfect Welding Process）
焊接工藝技術是直接影響焊管質量的核心技術之一，世界上少數幾家先進的焊管企業是不會轉讓這些核心技術的。要在焊管方面取得突破性進展必須要開發自己的焊接工藝技術。這一技術開發成功，將為寶鋼生產高級套管及高鋼級管線管奠定重要的技術基礎。
4.2 焊縫熱處理技術
焊管廠生產高質量焊管關鍵點一是鋼管的形狀及尺寸精度，二是焊縫的質量。焊縫的質量一靠焊接技術，二靠焊縫熱處理技術。因此，焊縫熱處理技術是影響焊管質量的核心技術之二。
當今世界上幾個最先進的焊管生產企業，在焊縫熱處理的設備及生產技術開發方面的投入是很大的。新日鐵及JFE開發了生產管線管的專有焊縫熱處理技術——焊縫TMCP熱處理技術；新日鐵開發了T.U.F油井管的專有熱處理技術——焊縫Q+T熱處理及焊縫Q+N熱處理技術。這些先進的焊管企業，開發專有的焊縫熱處理技術的目的是為了使焊縫的金相結構及力學性能與母材的金相結構及力學性能一致。實現了俗稱的焊接鋼管“無縫化”。
寶鋼ERW610機組采用了當前世界上技術最先進，裝機容量最大的雙重熱處理設備。投產以后，就有條件進行科研及技術開發，研究開發出適合各種規格鋼種的專有焊縫熱處理技術，滿足各類高端產品的需要。
4.3 采用FEM技術（有限元模擬解析技術），開展直線成型區、精成型區的彈塑性變形及軋制力能參數研究，建立寶鋼專有的ERW610機組成型工藝。
4.4 開發T.U.F油田用套管。T.U.F套管的開發是從鋼種的設計到冶煉、熱軋板卷生產、鋼管成型、焊接及焊縫熱處理一體化的研究項目。T.U.F套管的開發成功，將使寶鋼ERW機組成為世界超一流的焊管機組。該項技術無疑將成為寶鋼集團的關鍵核心技術之一。
4.5 與軋輥生產企業合作開展軋輥國產化科研工作。
ERW機組的軋輥數量極多，其品種規格也頗雜，整個輥子的配置量約為ERW成型焊接線設備總重量的三分之一左右。這些軋輥中，有一大部分輥子目前國內尚不能生產，需大量引進。因此，從降低生產成本方面來考慮，與國內軋輥生產企業合作，開發出適合生產需要的軋輥也是一件重要的科研工作。
5. 結論
寶鋼ERW610機組裝備是世界一流的，但是生產經驗及技術達到世界先進水平還需要一個過程。世界先進的焊管企業已有50年以上的技術、經驗積淀，是寶鋼學習的榜樣。寶鋼ERW焊管投產后，正利用自己的優勢，通過一貫管理體制，組織自己的研發人員，順應世界焊管技術發展的方向，積極開展科學研究工作，將寶鋼ERW610機組打造成為世界超一流的焊管機組，滿足更高端用戶的要求。 |
