能源行业用焊管制造技术的提升

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能源行业用焊管制造技术的提升

能源行业用焊管制造技术的提升

来源:2205双相不锈钢焊管发布:2020-05-31 03:23:59类别:不锈钢焊接

全球对清洁能源的需求带动了天然气行业近年来的持续性发展,全球天然气需求预计以年均1.5%的速度增长国内天然气占能源消费的比例由2000年的2.2%提升到2016年的6.2%能源消费结构呈现油降气升的态势输送天然气的管道建设也出现了同步增长,并对大直径焊管的制造能力和质量提出更高的要求管道运营的安全性迫切需要焊管提升产品质量,急切的是建立焊管制造过程的信息化管理和过程参数监控评估处置能力,以提升产品质量的稳定性和可靠性

人类对能源需求的日益增加和对生态环境更美好的追求,加速了能源消费结构的提升和转换当今,石油和天然气等清洁能源正在逐步替代煤炭等固体燃料,并在能源一次消费中的比重逐步提升,引起国际社会的高度关注

1能源行业的发展带动管道输送里程的增长

随着社会文明进程的推进,能源消费逐步向高效环境友好的方面发展石油天然气等清洁型能源逐渐成为现阶段能源消费中增长最快的产品之一

2016年,全球一次能源消费估计达128.6亿t油当量,同比增长0.8%,能源消费结构中清洁能源消费同比增加0.7%预计到2040年,全球油气消费占能源比重维持在52%左右其中:石油比重由2014年的31%下降到27%;天然气比重由2014年的21%上升至24%2021年国际天然气需求将达到3.9万亿m3,以每年1.5%的速度增长,成为能源结构转换的引领者

在我国,2000年油气表观消费量占能源表观消费量的比重为24.4%,到2016年为24.3%,维持相对稳定,但结构呈现油降气升其中:石油由2000年的22.2%下降到2016年的18.1%;天然气由2000年的2.2%提高到2016年的6.2%预计到2020年,油气表观消费量在国内能源表观消费量的比重将达到26.8%(其中:石油下降到17.9%,天然气升至8.9%),整体呈现油降气升的态势

管道输送作为油气资源长距离运输中最有效的手段之一,也得到了迅速发展据公开资料显示,2017年底全球油气管道的总里程达到233.92×104 km;我国油气管道总里程约为13.31×104 km,管道建设呈现稳步增长趋势,我国管道建设里程如图1所示输送管道主要由原油成品油和天然气管道组成从我国建成的管道构成看,天然气管道的比例接近于60%,成为输送管道中的主力,我国油气管道组成见表1

从在建管道中按介质分类看,2015年全球天然气管道在建里程6 508.3 km原油和成品油管道在建里程3 983.2 km,分别占在建管道总里程的6238按照管径分类,管径大于813 mm的在建管道里程达到4 639 km,占全球在建管道总里程的44;管径小于762 mm的在建管道里程达到5 852.5 km,占全球在建管道总里程的56其中管径大于813 mm的在建管道中,天然气管道在建里程3 845.4 km,原油和成品油在建管道里程为793.6 km,占比分别为8317可见,813 mm以上直径的天然气管道建设已成为管道建设中的生力军

2油气管道的发展与安全性提升

我国中长期油气管网规划提出:到2025年,全国油气管网规模将达到24×104 km,省区市成品油天然气主干管网全部连通,100万以上人口的城市成品油管道将基本接入,50万以上人口的城市天然气管道基本接入,逐步形成主干互联区域成网的全国天然气基础网络城市管网将逐步进入到城市和乡村,给人民生活带来极大便利和环境改善,随之而来的是对管线运行安全性的极大关注2017年国内已建管道看,接近60%为天然气管道,且其中46%都采用直径大于813 mm的焊管,提高管道输送能力成为趋势

在欧洲俄罗斯美国和加拿大等世界主要管道输送国和地区,已具有多年对管道设计运行维护及安全性评估等方面的经验在其对主要管道运行事故的跟踪调查资料中发现,天然气管道失效的主要原因有:外部因素影响材料腐蚀焊接和材料缺陷等在对管道施工运行监控改进的同时,提高输送管道用大直径焊管的质量保证能力,对管道的安全服役运行和延长寿命至关重要

3管道用焊管技术的全面性提升

管道运行的安全性对所采用焊管的质量技术等要求越来越高,不仅要求交付的产品符合技术规范,而且常常要求制造过程质量稳定检(试)验手段先进可靠及物流质量信息可查可追溯等,加速了焊管制造技术进步的步伐

3.1焊管制造理念的提升

管道运输能力的提高,通常采用提高所用焊管的钢级及外径壁厚尺寸等措施,使得焊管朝着高钢级大直径厚壁化方向发展,焊管产品的研发与评估愈发得到重视新产品的研发从对产品单一的设备制造能力产品性能合格等的评估,进一步走向对产品制造过程的连续性验证质量的稳定性及实物破坏性检验等的综合性评价由过去单一对产品尺寸性能等量化指标的检验合格,到如今的连续炉批检验双倍取样以及千吨级产品检验第三方检验等,都从过去的检(试)验满足技术要求即认为合格提升到以过程能够连续稳定制造出满足用户要求的产品为目的彰显出下游行业对产品安全性和过程质量的重视

3.2引入焊管制造一贯制技术

管线工程通常是依据使用工况输送介质设计寿命等因素来确定生产材料的技术要求的,其所用焊管的技术规范常常各不相同对于技术规范互不相同的规范要求,引入从冶炼轧制到焊管制管涂覆检验等全过程的质量设计策划及过程一贯制质量管控技术,为满足不同工程对高品质焊管质量的要求提供有力保障

从原料到焊接制管过程的一贯制技术控制,有利于:

1)对个性化的工程项目可以从炼钢开始进行原料申请,保证产品成分的符合性和一致性;

2)对独立工程项目用焊管性能控制,从轧制到制管全流程管控,方便快速反馈及响应,使得产品性能更为稳定;

3)建立完整的产品信息,健全全过程的跟踪,方便追溯

通常管道敷设是通过焊管在现场进行环焊对接完成的,对接中的环焊缝质量更是管道安全控制的重中之重为保证环焊缝的质量及强度匹配,要求所用焊管成分体系一致,力学性能波动尽可能小(通常要求拉伸性能波动在100 MPa以内),这将有利于一贯制技术的运用

宝山钢铁股份有限公司(简称宝钢股份)焊管(包括HFWUOE)生产线在建设时就按照宝钢股份的一贯制管理体系要求进行管制建立了独自的过程控制质量管理生产管控及销售管理等全流程控制系统产品质量是从原料申请到炼钢轧制焊接制管涂覆到成品发运进行全流程控制,并按照最基本的组批单元进行质量控制及跟踪,焊管一贯制过程如图2所示

3所示为在宝钢股份UOE焊管生产线制造同规格同钢级焊管时,分别采用宝钢股份一贯制从炼钢到制管过程,以及采用宝钢股份之外某厂(图示中C厂)的原料经宝钢股份UOE生产线制管后的管体性能对比,从对比结果看,采用宝钢股份一贯制技术的产品性能控制能力更为稳定

3.3制管能力的提升

1)厚壁HFW焊管制造技术突破

近年来,国内外主要HFW焊管机组在厚壁管的制造上均有所突破日本JFE公司的知多厂(Chita)已成功制造出X60钢级Φ660 mm×25.4 mm规格的厚壁焊管;欧洲的CPW厂也制造出X65钢级Φ610 mm×19.1 mm规格厚壁管线管;宝钢股份HFW生产线也成功生产出X70钢级Φ559 mm×20.62 mm管线管其在厚壁管关键技术均有所突破:采用W成型等技术,解决了厚壁管在焊接过程中的稳定性;在高频焊接过程中,采取气体保护及焊接工艺优化等技术,有效控制了厚壁管焊接中的氧化物;采用串列式多探头技术,实现了厚壁管焊缝的检测

2017年底,宝钢股份HFW焊管生产线生产X60及以上钢级管线管达到45万余吨

2X80及以上高钢级大直径焊管原料及制管技术的进步为长输管线建设提供保障

欧洲钢管集团的迪林格公司拥有世界上最大的厚板轧机,轧制能力高达110 MN米尔海姆制管厂装备有11 000 t的预弯机和60 000 tO成型机,可以对板厚50 mm的钢板进行弯边和成型。其为X80以上钢级管线管X70钢级抗H2S管线管及海底用X80钢级管线管的应用领域提供保障。具备批量化生产X80钢级管线管的能力,且-40夏比冲击功单值达到200 J以上

国内在大直径X80钢级管线管的研究及应用方面也取得了较大的进展中国石油天然气集团有限公司已开展并形成对X80钢级1 422 mm直径12 MPa管道的断裂控制技术的研究,开展了以天然气为管道介质,进行了X80钢级1 422 mm直径12 MPa管道的全尺寸爆破试验研究,制定了Φ1 422 mm X80钢级管材的系列技术规范,为中俄东线天然气管道工程建设提供技术支撑并在宝钢股份UOE生产线巨龙钢管有限公司等得以实施,应用于中俄东线天然气管道工程中

以宝钢股份UOE焊管生产线为代表,在大直径高钢级焊管的制造技术方面取得了较大的进展。截至2017年,宝钢股份生产的X80钢级管线管超过1 035 km,最大生产壁厚达到33.8 mm也已能够实现X65MS钢级抗酸管产品的批量化生产

对于X80以上钢级的管线管,国际上自2002以来建成的数条X100/X120钢级的管线试验段已进入评价和应用阶段2004年埃克森美孚公司与Trans Canada公司合作,在加拿大-30℃冻土地带建成了世界首条长1.6 kmX120钢级输气管道的试验段国内,华油钢管有限公司在2007年成功研制出X100钢级Φ813 mm×12.5 mm规格的直缝埋弧焊管宝钢股份于2006年成功轧制出X120钢级宽厚板及试制焊管18

3.4先进高效的检测技术

1HFW厚壁管的焊缝检测技术

伴随厚壁HFW焊管在管线工程的应用,焊管UT检测技术也有了进一步的提高HFW焊管的壁厚已达到25.4 mm,探伤装置必须覆盖全焊缝壁厚为此,JFE公司的知多厂希腊CPW工厂及宝钢股份HFW生产线,均对探伤装置进行了改进,采用多通道串列式组合探头技术,实现了厚壁管焊缝的内外部的缺欠检测15

2UOE焊管焊缝自动UT检测新技术

为满足管道对高品质UOE焊管的要求,对干线用UOE焊管会提出在扩径后不允许修磨的要求。这样在焊接后和扩径前,运用自动超声波进行焊缝检查,以便在扩径前识别可修复缺欠,保持生产线的通畅这些技术在欧洲钢管集团及国内宝钢股份UOE生产线等均有使用

1995年,米尔海姆制管厂和敦刻尔克(Dunkirk)工厂配备了一套计算机控制的超声波检测装置使用新开发的复合探头(4 MHz测试频率),能够测试整根钢管横向和纵向缺陷试验速度达30 m/min,脉冲重复频率2 kHz,分辨率0.25 mm19

3)表面缺欠检测技术

大直径焊管愈来愈广泛地应用到海洋腐蚀等环境中,对焊管的表面缺欠提出更加严苛的要求。对焊管全表面进行磁粉检查缺欠点标记及修磨处置,已取得实际的应用在欧洲钢管集团的米尔海姆制管厂,已将表面检测延伸到制管过程中,其在成型和焊接后的内外表面进行光学检查,以识别划痕多肉等缺欠,并可分辨出局部1 mm的咬边和深度约0.3 mm的缺欠等,增强对在线表面缺欠的识别,提高生产线效率

4)大直径埋弧焊管的焊缝快速读片技术

大直径埋弧焊管的焊缝必须经过全长X射线检查常用的是焊管进入X射线室进行全长焊缝拍摄,然后人工读片,判定处置,不足是会带来对产线效率和人为因素的影响欧洲钢管集团与Salzgitter Mannesmann ForschungSZMF)研究所开发了E-FLORAD检测技术,成功应用在米尔海姆制管厂的大直径焊管生产线上,用数字X射线检测取代传统的X光胶片在焊管到达X射线室时,系统在PLC的帮助下自动执行测试,并记录图像,然后创建在一个关联的数字文件里,完整记录整个测试过程,并将文件存储在E-FLORAD存储系统20。在E-FLORAD系统的图像查看器中提供了判断图像所需的亮度对比度滤波器等工具,以便确定缺陷的大小并测量图像的信噪比自动X线图像评估系统分3个建设阶段:第一步图像最初由评估者评估后分类移到数据库;第二步实际调试阶段;第三步AXION初步进行自动评估,并由评估人员进行更正或确认系统得到可靠的缺陷分类后,评估过程将自动进行,最后评估人员只要参与不明缺欠的处理即可

经过对数据库的建立,其自动识别技术对焊管检测的周期约为90 s,提升了生产节奏,也减少图片处理及存储等费用该焊缝检测系统适用于API Spec 5LDNV-OS-F101EN 1435EN 10246-10EN 13068-3标准焊管的检验

5)尺寸检验技术

大直径焊管的尺寸自动检测技术的应用提高尺寸控制的准确性欧洲钢管集团采用激光实时在线检测和过程控制技术,满足了北溪天然气管道用管(Φ1 219 mm×26.8~41.0 mm)对尺寸的严格要求,其管端椭圆度控制在5.0 mm以内,达到了海底管道对管端尺寸控制的严格要求国内在宝钢股份UOE生产线也已装备了钢管激光测径装置,实现焊管在线全尺寸检验和尺寸控制

4焊管制造信息化系统建设

为了实现对焊管生产过程物流指令传递客户质量需求的下达过程质量记录与控制检(试)验结果判定及最终产品的出厂等一系列工作,需要建立完善的信息化系统来保证过程质量稳定和物流信息的顺畅

HFW焊管,是将热轧钢卷经过冷加工成型高频焊接定径等加工及检(试)验等工序整合而完成的当每个热轧钢卷投入产线时,热轧钢卷号就附带上材料的尺寸牌号及成分等信息,再经过制管过程时就赋予了生产线上成型焊接等参数及检(试)验等信息,然后定尺切割后依次生成焊管号系统将记录建立起每个钢卷号焊管号的对应关系HFW制管过程实物及信息流如图4所示

UOE焊管,是将单张的热轧钢板经过加工成型埋弧焊接扩径等加工及检(试)验等工序整合来完成的当单张钢板投入生产线时,钢板号就附带上材料的尺寸牌号及成分等信息进入生产线在制管过程中每个钢板在工序加工时对应记录下变形焊接及检(试)验等过程信息,在产出后对应生成焊管号系统将记录建立每个钢板号焊管号的对应关系UOE制管过程实物及信息流如图5所示

宝钢股份焊管厂是在宝钢股份一贯质量管理体系下运行的在资源质量计划过程管控和控制系统的共同运作下,实现宝钢股份焊管厂从用户需求到炼钢轧制制管涂覆再到交付的全流程信息管控,实现过程质量管制及溯源,并利用系统中对过程参数与质量数据的分析,能够对过程参数进行诊断和持续优化,提升产品质量的稳定性和用户满意度

欧洲钢管集团在焊管信息化方面已走在行业前列其在20世纪末率先进行了焊管厂信息化改造,主要在于:

1)建立生产专业化的生产控制和信息系统PRODISproduction control and information system),记录所有的质量数据和客户的要求该系统与工艺质量参数自动检测系统相连接,对从材料到成品管的生产全过程和各中间阶段实行不间断监控,记录所有的质量数据和提供制作客户文档

2)敦刻尔克工厂应用了工艺设备参数记录仪(PEPR通过信息网络建立所有生产设备的实时记录,尤其是对焊管质量有直接影响的参数,如成焊接和精整设备的主要工艺参数同时,在所有生产设备间建立相互连接,并在质量参数发生偏差时向后续工序发出操作预警

3)在工艺设备参数管理系统中具有正反向运作模式正向模式是在合同执行前,预先进行工艺优化设置和工具选择,由技术人员记录在参数管理机(PRM中,以便下发传递给设备执行反向模式是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进行分析,优化质量控制参数

运用这些系统数据在敦刻尔克工厂的最终目标是:根据每张板材的性能选择最适当的制管工艺参数,以适应生产线与板材性能的差异性,生产出质量稳定一致的焊管产品

5结语

天然气已成为当今世界清洁能源中的主要产品之一,在2021年前估计将以每年平均1.5%的速度增长Φ813 mm以上的大直径焊管将成为天然气管道输送的主导产品管道输送的安全性要求,对焊管制造能力提升焊管制造过程的信息化系统管理过程的在线监控与自动识别质量控制和处置都提出了更高的要求,也促进了焊管技术的进步和产品质量的稳定提升

本文标题:能源行业用焊管制造技术的提升

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