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--國家重大工程部件國產(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)制造了一批國產(chǎn)化產(chǎn)品，滿足了國家重大工程的急需。
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)格書數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)國家標(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），并參照美國國家標(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，通過強(qiáng)度校核確保滿足強(qiáng)度要求。通過剛度分析，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，還要適合國情，便于生產(chǎn)制造。綜合各方面技術(shù)因素，沒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，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?。?、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、無損探傷及著色檢測以確保制件的高質(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。