西氣東輸、川氣東送選用的大型錨固法蘭采用輾環(huán)軋制技術(shù)應(yīng)用--國(guó)家重大工程部件國(guó)產(chǎn)化
摘要:錨固法蘭是大口徑、高內(nèi)壓、遠(yuǎn)程輸氣(注)管道系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件,本文對(duì)大型錨固法蘭的生產(chǎn)技術(shù)開(kāi)展了自主創(chuàng)新的研究工作。采用理論計(jì)算與jsqy/1057.html">有限元數(shù)值模擬技術(shù)相結(jié)合的方法進(jìn)行了結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì),選擇了改進(jìn)型CF62鋼作為材料錨固法蘭的材料,提出了多種先進(jìn)適用成形制造方案,采用輾環(huán)技術(shù)制造了一批國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品,滿足了國(guó)家重大工程的急需。
錨固法蘭式遠(yuǎn)程管道輸氣(油)工程的關(guān)鍵部件,焊裝于輸氣(油)主管道上,并用水泥鐓固定,半埋在地下,用以防止由自重、內(nèi)壓、溫差、管道軸向與方位變化等綜合作用力引起的管線過(guò)量位移,處在地下部分的管線受不均勻的土壓力、水壓力,地上部分還受風(fēng)荷、雪荷及地震等自然力。圖1為錨固法蘭的工況示意圖。由于錨固法蘭口徑大(Φ200~Φ
1 錨固法蘭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
由于錨固法蘭及管線受力復(fù)雜、應(yīng)該進(jìn)行強(qiáng)度、剛度校核和抗疲勞、抗脆斷、抗地震的評(píng)定。然而有些應(yīng)力目前難以進(jìn)行精確計(jì)算,至今仍沒(méi)有統(tǒng)一的制作標(biāo)準(zhǔn)。工程設(shè)計(jì)時(shí)大都按壓力容器規(guī)范,參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)用數(shù)據(jù)加大安全裕度,通過(guò)有限元分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),確定工程尺寸。
首先,石油天然氣相關(guān)行業(yè)根據(jù)錨固法蘭的介質(zhì)壓力、使用區(qū)域、環(huán)境工況等因素確定設(shè)計(jì)系數(shù)、氣候條件以及最大軸向推力、錨固形式等技術(shù)參數(shù),提出技術(shù)規(guī)格書(shū)數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 5025 1-2003)、《鋼制壓力容器》(GB 150-1998),并參照美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《管法蘭和法蘭管件》(ASME B16 5-1996)(含A1998)以及《輸氣和配氣管道系統(tǒng)》(ASMEB31.8-1999)等系列標(biāo)準(zhǔn),經(jīng)詳細(xì)論計(jì)算,結(jié)合相關(guān)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),初步設(shè)計(jì)出錨固法蘭的結(jié)構(gòu)形式和關(guān)鍵尺寸,再由焊接規(guī)范確定端口結(jié)構(gòu)尺寸。
在理論計(jì)算基礎(chǔ)上,為了得知錨固法蘭的工作狀態(tài),采用通用有限元分析軟件MSC.MABC,按規(guī)格
任務(wù)書(shū)提出當(dāng)量軸向推力,極限溫度變化等數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,得出應(yīng)力分布云圖及集中應(yīng)力的大小和部位,如圖2所示。并對(duì)應(yīng)力進(jìn)行線性化分析,對(duì)各應(yīng)力分量進(jìn)行分類校核,通過(guò)強(qiáng)度校核確保滿足強(qiáng)度要求。通過(guò)剛度分析,確定許可位移量,確保滿足水泥墩及管道柔性要求。
為了簡(jiǎn)化生產(chǎn),實(shí)際工作中把眾多不同工況的錨固法蘭分類合并為若干大類,然后按最嚴(yán)酷的受力工況計(jì)算校核并確定結(jié)構(gòu)尺寸。
2 原材料選用
《輸氣管道過(guò)程設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定:當(dāng)管道附件與管道采用焊接連接時(shí),兩者材質(zhì)應(yīng)相同或相近。
管線鋼通常采用美國(guó)石油協(xié)會(huì)推出的API 51.~X70.控軋控冷生產(chǎn),具有良好的抗動(dòng)、靜荷能力、能承受油氣沖刷與腐蝕、低溫下抗氫致開(kāi)裂和硫化物應(yīng)力腐蝕能力較好。
錨固法蘭原材料的選用最初定位于管線鋼同類材料,但在實(shí)踐中因?yàn)樵撲摲N控軋控冷生產(chǎn)困難。在業(yè)內(nèi)專家的提議下確定了選材原則,主要是滿足使用性能要求,滿足與管線管焊接要求,冶煉制造方便,不僅先進(jìn)可靠,還要適合國(guó)情,便于生產(chǎn)制造。綜合各方面技術(shù)因素,沒(méi)有選用與管線管同種材料鋼材,而選用改進(jìn)型CF(erack frcc)62鋼。該鋼種系低碳微合金、低焊接裂紋敏感性的高強(qiáng)鋼種,其優(yōu)點(diǎn)在于焊前不預(yù)熱或
3 成形制造技術(shù)
錨固法蘭式受力復(fù)雜的重要固構(gòu)件,質(zhì)量要求極其嚴(yán)格。而塑性成形和熱處理時(shí)制造技術(shù)中兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié),只有通過(guò)充分的塑性變形和合理的熱處理才能使內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)、晶粒細(xì)勻、分布合理,滿足使用性能要求。此外,熱加工過(guò)程對(duì)節(jié)材、節(jié)能、減少缺陷次品、降低成本有重要的影響。按照目前熱加工裝備的情況擬訂如下工藝方案。
3.1 旋轉(zhuǎn)鍛壓擴(kuò)孔方案
錨固法蘭尺寸大、形狀復(fù)雜,輾環(huán)軋制成形需用大型輾環(huán)機(jī),兩端高頸大法蘭輾軋時(shí)材料轉(zhuǎn)移量很大,輾環(huán)技術(shù)和工裝制造都有一定難度。在此情況下采用了旋轉(zhuǎn)鍛造擴(kuò)孔方案即馬架擴(kuò)孔鍛打方案,旋轉(zhuǎn)鍛造擴(kuò)孔特點(diǎn)是鍛造擴(kuò)孔非穩(wěn)態(tài)局部成形,變形不均勻,為克服缺點(diǎn)采用了一些措施,其要點(diǎn)是科學(xué)合理地調(diào)控?zé)崃W(xué)參數(shù),比如,控制變形溫度范圍,控制壓下量,快速均勻轉(zhuǎn)動(dòng)。只要變形足夠,熱力參數(shù)控制匹配合理,就可以得到滿意的鍛件質(zhì)量。
為了節(jié)省原材料,將法蘭邊的凸緣鍛出來(lái),可以用帶槽的上型砧——芯軸擴(kuò)孔法鍛造,也可以講預(yù)擴(kuò)孔的坯料平放在平砧上,借助旋轉(zhuǎn)裝置,邊轉(zhuǎn)邊打鍛出法蘭邊凸緣。錨固法蘭成形過(guò)程如圖3所示。
實(shí)踐證明:只要認(rèn)真控制變形溫度,變形數(shù)度、變形程度、并合理加以匹配,保持應(yīng)變均勻分布,鍛造溫度合理,就能鍛出合格的產(chǎn)品。但是效率較低,余量較大。對(duì)人工經(jīng)驗(yàn)依賴較大,安全隱患突出。
3.2 輾環(huán)機(jī)軋制方案
安裝大型輾環(huán)機(jī),并實(shí)施大批量生產(chǎn)時(shí)可以應(yīng)用該方案。該方案生產(chǎn)率極高,加工余量小,如果合理調(diào)控?zé)崃W(xué)參數(shù),可以實(shí)施控軋控冷,改善組織性能,進(jìn)一步提高質(zhì)量。選用濟(jì)南泉躍數(shù)控制造的數(shù)控立式輾環(huán)機(jī)如D51K-1500型,或臥式徑向輾環(huán)機(jī)D52K-2000型,臥式徑軸向輾環(huán)機(jī)D53K-2000型均可實(shí)現(xiàn)快速軋制生產(chǎn)的工藝要求。閉式模具,輾擴(kuò)軋制工藝在可鍛區(qū)間采用體積不變的原則,使鍛件連續(xù)塑形變形,線性分布均勻,抗拉強(qiáng)度高。切成型一個(gè)環(huán)件只需幾十秒。
3.3 鑄鍛(軋)聯(lián)合成形方案
將鑄造和鍛壓兩工序聯(lián)合,利用優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的成形機(jī)制,更快更好地制造產(chǎn)品。因?yàn)殍T造可以很方便地制造出十分復(fù)雜的形狀,而鍛軋能夠很好地改善內(nèi)部組織性能,二者結(jié)合、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),能夠提高效率和重量。對(duì)環(huán)件而言,鑄坯可以用離心澆鑄、電渣熔鑄環(huán)坯,中頻熔鑄環(huán)坯,再經(jīng)過(guò)短時(shí)間的均熱,后輾擴(kuò)(或鍛壓)成形。該方案工藝流程短、效率高、節(jié)能(熱能消耗小)、節(jié)材、成本低。只要將鑄坯熱成形的工藝參數(shù)調(diào)控得當(dāng),就可實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低成本的生產(chǎn)目標(biāo)。
綜上所述:控制熱成形,短流程工藝都是先進(jìn)的熱加工方法,有待繼續(xù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用。
3.4 校形整徑技術(shù)
大型環(huán)件熱成形,由于各種因素的影響,形狀尺寸偏差往往較大,機(jī)加工前應(yīng)該校形,以減小加工余量。校形裝置可以為機(jī)械楔擴(kuò)式整徑裝置,或者液壓轉(zhuǎn)動(dòng)校形裝置。我們?nèi)S數(shù)控公司目前采用對(duì)稱式液壓校正圓度的方式得到了很好的推廣應(yīng)用。
3.5 控溫節(jié)電熱處理
按照技術(shù)要求,為保證工件的綜合力學(xué)性能,錨固法蘭成形要求調(diào)質(zhì)處理。由于電爐控溫性能最好,所以能保證熱處理質(zhì)量,但在用電緊張情況下為了減少電能消耗,可以實(shí)行先在煤氣爐中預(yù)熱,再轉(zhuǎn)電爐控溫,即節(jié)約了電能,又保證了熱處理質(zhì)量。
4 質(zhì)量檢驗(yàn)與使用性能試驗(yàn)
錨固法蘭制成后還要進(jìn)行多項(xiàng)質(zhì)量檢查,比如力學(xué)性能、金相組織、無(wú)損探傷及著色檢測(cè)以確保制件的高質(zhì)量。此外,為了保證錨固法蘭使用安全可靠,還要進(jìn)行壓力彎曲試驗(yàn),如圖4所示。
壓力彎曲試驗(yàn)是模擬錨固法蘭實(shí)際工況,即承接受流體壓又在緣周上施加當(dāng)量軸向推力,檢測(cè)其變形和滲漏等現(xiàn)象,評(píng)定其使用性能,確保工作安全可靠性。但試驗(yàn)時(shí),因制件口徑大,所需密封力大,可用省力措施,防止附加彎曲變形。該方案現(xiàn)場(chǎng)使用效果良好,值得推廣。
5 機(jī)械加工、防腐及包裝
根據(jù)技術(shù)要求,錨固法蘭熱處理之前要進(jìn)行粗加工并作超聲波探傷。在成形、熱處理之后要進(jìn)行精加工,包括精加工外形尺寸和焊接坡口進(jìn)行必要的檢查,交付用戶前要進(jìn)行防腐蝕處理,并包裝發(fā)運(yùn)至使用現(xiàn)場(chǎng)與線路管道焊接,圖5為產(chǎn)品照片。
6 結(jié)論
6.1 理論計(jì)算與有限元數(shù)值模擬技術(shù)相結(jié)合,參照實(shí)踐生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),設(shè)計(jì)出較為合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
6.2 實(shí)踐證明,改進(jìn)型CF62鋼可替代X70鋼制作錨固法蘭,不僅可滿足使用性能要求及焊接要求,而且冶煉制造方便,適合國(guó)情,便于生產(chǎn)制造。
6.3 輾環(huán)機(jī)軋制方案是當(dāng)前比較適用的錨固法蘭成形制造方案,隨著裝備、工藝技術(shù)的不斷提高,會(huì)有更多更好的新方案脫穎而出。
6.4 壓力彎曲試驗(yàn)是比較實(shí)用的效驗(yàn)手段,值得推廣。