西氣東輸、川氣東（dōng）送（sòng）選用的大型錨固（gù）法蘭采用輾環軋製技（jì）術應（yīng）用--國家重大工程部件國產化

摘要：錨固法蘭是大口徑、高內壓、遠程輸氣（qì）（注）管道係統中的關鍵部件，本文對大型錨固（gù）法蘭的生產技術開展了自（zì）主創新的研究工作。采用理論計算與有限元數值模擬技術（shù）相（xiàng）結合的方（fāng）法（fǎ）進行了結構參（cān）數設計，選擇了改進型CF62鋼作為材料錨固法蘭的材料，提出了多種先進適用成形製造方案，采用輾環技術製造了一批國產化產品（pǐn），滿足了（le）國家重大工程的急需。

    錨固法蘭式遠程管道輸氣（油）工程的關鍵（jiàn）部件，焊（hàn）裝於輸氣（油）主管（guǎn）道上，並用水泥鐓（duì）固（gù）定，半埋在地下，用以防止由自重、內壓、溫差、管道軸向與方位變化等綜（zōng）合作用（yòng）力引起的管線過量位移，處在地下部分（fèn）的管線受不均（jun1）勻的土壓力、水壓力，地上部（bù）分還受風（fēng）荷、雪荷及地震（zhèn）等自然力。圖（tú）1為錨固法蘭的工況示意圖。由（yóu）於錨固法蘭口徑大（Φ200～Φ1200mm）、內壓高（6～12MPa）、使用範圍廣（沿管線途經（jīng）十餘省）、工況惡劣（沿途地質條件、氣候溫度複雜多變，還有腐蝕、震動（dòng）等作用）、安全（quán）條（tiáo）件要求（qiú）高（途經城市、鄉村、學校、醫院等（děng）人員聚集區），因而對（duì）其工作可靠性要求極高。關（guān）於錨固法蘭的製（zhì）造與應用，世界相關國家都在進（jìn）行深入的研究，但鮮見（jiàn）報道。從2002年起，對大型錨固（gù）法蘭的生產技術開展了自主創新的研（yán）發工作。通過一係列的技術攻關，在錨固法（fǎ）蘭（lán）的設（shè）計計算、材料選擇（zé）、製造技術和成形方（fāng）案等方麵取得了一些新的成果，采用“先進適用”技（jì）術製造了一批國產化產品（pǐn），替（tì）代了進口，在西氣東輸、川氣東送、陝京線、淮武線、西氣東輸二線（xiàn）等國家重點工程均有廣泛應用，滿足了（le）國家（jiā）重（chóng）大工程的急需，促進了遠程管道輸氣（油）工程的科（kē）學進展。

1         錨固法蘭的結構（gòu）設計（jì）

    由於錨固（gù）法蘭及（jí）管線受力複雜、應該進行（háng）強度、剛度校核和抗（kàng）疲勞、抗脆斷、抗地震的評定。然而有些應力目前難以進行精確計算，至今仍沒（méi）有統一（yī）的製作標準。工程設（shè）計時大都按壓力容器規範，參照有關標準和實（shí）用數據（jù）加大安全裕度，通過有限元分析結構設計，確定（dìng）工程尺（chǐ）寸。

    首先，石（shí）油天然氣相關（guān）行業根據錨固法（fǎ）蘭的介質壓（yā）力、使用區域、環境工況等因素確定設計係數、氣候條件以及最（zuì）大軸向（xiàng）推力、錨固形式等技術參數，提出技術規格書數據。在此基礎上，根（gēn）據國（guó）家標準《輸氣管道工程設計規範》（GB 5025 1-2003）、《鋼製壓力容器》（GB 150-1998），並（bìng）參照美國國家標準（zhǔn）《管法蘭和法蘭管件》（ASME B16 5-1996）（含A1998）以（yǐ）及《輸氣和配氣（qì）管道係統》（ASMEB31.8-1999）等係列標準，經（jīng）詳細論（lùn）計算，結合相關生產經驗，初步（bù）設計出錨固法蘭的結構形式（shì）和關鍵尺寸，再由焊接規範（fàn）確定端口結構尺寸。

    在理論計算基礎上，為（wéi）了得知錨（máo）固（gù）法蘭的工作狀態，采用通用有限元分析軟（ruǎn）件MSC.MABC,按規格

任務書提出當量軸向推力，極限溫度變化等（děng）數據進行計算（suàn），得出（chū）應力分布雲圖及集中應（yīng）力的大（dà）小和部位，如圖2所示。並對應力進行線性化分析，對（duì）各應力分量進行分類校（xiào）核，通過強度（dù）校核確保滿（mǎn）足強（qiáng）度要求。通過剛度分析，確定許（xǔ）可位移量，確保滿足水泥墩及管道柔性要求。

為了簡化生產，實際工作中把眾多不同工況的錨固法（fǎ）蘭分類合並為若幹大類，然後按（àn）最（zuì）嚴酷的受力工（gōng）況計（jì）算校核並確定結構尺寸。

2        原材料選用

《輸氣管道過程設計規範》中（zhōng）規定：當管道附件與管道采用焊接連接時，兩者材質應相同或（huò）相近（jìn）。

管線鋼通常采用美國石油（yóu）協會推出的（de）API 51.～X70.控軋控冷生產，具有良好的（de）抗動、靜荷能力、能承（chéng）受油氣衝刷與腐蝕、低溫下抗氫致開裂和硫化物（wù）應力腐蝕能力較好。

錨固法蘭原材料的選用最初定位於管線鋼同類材料,但（dàn）在（zài）實踐中因為該鋼種控軋控冷生產困難。在業內專家的（de）提議下確定了選材原則（zé），主要（yào）是滿足使用性能要求，滿足與管線管（guǎn）焊接要求，冶（yě）煉製造（zào）方便，不僅先進可靠，還要適（shì）合國情，便於生產製造。綜合各方麵技術因素，沒（méi）有選用與管線管（guǎn）同種（zhǒng）材料鋼材，而選用改進型CF（erack frcc）62鋼。該鋼種係低碳微合金、低焊接裂紋敏（mǐn）感性的高強鋼種，其優點在於焊前不（bú）預熱或50℃預熱而不產生（shēng）裂紋，其（qí）優良的焊接性能和低溫韌性、適宜大型構件野外作業。改進型CF62經與X70管材焊接質量評定，端麵無缺陷，焊接接頭性能符合驗收規範。

3         成形製造技術

錨固（gù）法蘭式受力複雜的重要固構件（jiàn），質量要求極其嚴格。而塑性成形和熱處理時製造技術中兩個（gè）關鍵環（huán）節，隻有通過充分的塑性變形和合理的熱（rè）處理才能使內部結（jié）構密實、晶粒細勻（yún）、分布合理（lǐ），滿足使用性能（néng）要求。此（cǐ）外，熱加工過程對（duì）節材、節能、減（jiǎn）少缺陷（xiàn）次品、降低成本有重要的影響（xiǎng）。按照目前熱加工（gōng）裝備的情（qíng）況擬訂如下工藝方案。

3.1  旋轉鍛壓擴孔方案（àn）

錨固（gù）法蘭尺寸大、形（xíng）狀複雜，輾環軋（zhá）製成形需用大型輾環（huán）機（jī），兩端高頸大法蘭（lán）輾軋時材料轉（zhuǎn）移量很大，輾環技術和工裝製（zhì）造都有一定（dìng）難（nán）度。在此情況下采用了（le）旋轉鍛造擴孔方案即馬架擴孔鍛（duàn）打方案，旋轉（zhuǎn）鍛造擴孔特點是鍛造擴孔非（fēi）穩態局部成形，變形不均勻，為克（kè）服缺點采用了一些措（cuò）施，其要點是（shì）科學合理地調控熱力學參數，比如,控製變（biàn）形溫度範圍，控製壓下量（liàng），快速均勻轉動。隻要變（biàn）形足夠，熱力（lì）參數控製匹配合理，就可以得到滿意的鍛件質量。

為了節省原材料，將法蘭邊的凸緣鍛出來（lái），可（kě）以用（yòng）帶槽的上型砧——芯軸擴孔法鍛造，也可以講預擴孔的（de）坯料平放在平砧上，借助旋轉裝置，邊轉邊打鍛出法蘭邊凸緣。錨（máo）固法蘭成形過程如（rú）圖3所示。

實踐證明：隻要認真控製變（biàn）形溫度，變形數度、變形程度、並合理加以匹配，保持應變均勻分布，鍛造溫度合理，就能（néng）鍛出合（hé）格的（de）產品。但是效率（lǜ）較低，餘量較（jiào）大。對人工經（jīng）驗依賴較大，安（ān）全（quán）隱患突出（chū）。

3.2 輾環機軋（zhá）製方案

安裝大型（xíng）輾環機，並實施（shī）大批量生產時可以應用該方（fāng）案。該方案生（shēng）產率極高，加工餘量小，如果合理調（diào）控熱力學參數，可以實（shí）施控軋控冷，改善組織性能，進（jìn）一步提高質量。選用濟南泉躍數控製造的（de）數控立式輾（niǎn）環機如D51K-1500型，或臥式徑向輾環機D52K-2000型，臥式徑軸向輾環機D53K-2000型均可實現快（kuài）速軋製生產的工藝要求。閉式（shì）模具，輾擴軋製工藝在可鍛區間（jiān）采用體積不變（biàn）的原（yuán）則，使鍛件連續塑形變形，線性分布均勻，抗（kàng）拉強度高。切（qiē）成型一個環件隻需幾十秒（miǎo）。

3.3  鑄鍛（軋）聯（lián）合成形方案

將鑄造和鍛壓兩工（gōng）序聯合，利用優（yōu）勢互補（bǔ）的成形（xíng）機製，更快更好地製造產品。因為鑄造可以很方便地製造（zào）出（chū）十分複雜的形狀，而鍛軋能夠很（hěn）好（hǎo）地改善內部組織性能，二者結合、優勢互補，能夠提高效率和（hé）重（chóng）量。對環（huán）件而言，鑄坯可以用離心（xīn）澆鑄、電渣熔鑄環坯（pī），中頻熔鑄環坯，再經過短時間的（de）均熱，後輾擴（或鍛壓）成形。該方案工藝（yì）流程短、效率高、節能（néng）（熱能消耗小）、節材、成本（běn）低（dī）。隻要將鑄坯熱成形的（de）工（gōng）藝參數調控得當，就可實現優質、高效、低成本的生產目標。

綜上所述：控製熱成形，短（duǎn）流程工藝都是先（xiān）進（jìn）的熱加工方法，有待繼續開（kāi）發應用。

3.4  校形（xíng）整徑技術（shù）

大型環件（jiàn）熱成形，由於各種因素的影響，形狀尺（chǐ）寸偏差往往較大，機加工（gōng）前應該校形，以減小加工餘量。校形裝置可以為機械楔擴式整徑（jìng）裝置，或者液壓轉動校形裝置。我們泉躍數控公司（sī）目前采用對稱式液壓校正圓度的（de）方（fāng）式得到了很好的推廣應用。

3.5  控溫節電熱處理

按照技術要求，為保（bǎo）證工件的綜合力學性能，錨固法蘭成形要求調質處理。由於電爐控溫性能最好，所以能保證熱處理質量，但（dàn）在用（yòng）電緊張情況下為了減少電能消（xiāo）耗，可（kě）以實行先在煤氣爐中預熱，再（zài）轉電爐控溫，即節約了（le）電能，又保證了熱處理質量。

4 質量檢驗與使用性能試（shì）驗

錨固法蘭（lán）製成後還要進行多項質（zhì）量檢查，比如力學性能、金相組織、無損探傷及著色檢測以確保（bǎo）製件的高質量。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，如圖4所示（shì）。

壓力（lì）彎曲試驗是模擬（nǐ）錨固法蘭實（shí）際工況，即承接（jiē）受流體壓又在緣周（zhōu）上施加當量軸向推（tuī）力，檢測其變形和滲漏等現象，評（píng）定（dìng）其使用性能，確保（bǎo）工作安全（quán）可靠性。但試驗（yàn）時，因製件口徑大，所需（xū）密封（fēng）力大，可用省力措施，防止附加彎曲變形。該方案現場使用效果良好，值得推廣。

5 機械加工、防腐及包裝

根據技（jì）術要求,錨（máo）固法蘭（lán）熱處理（lǐ）之前要進行粗加工並作超聲波探（tàn）傷。在成形（xíng）、熱處（chù）理之後（hòu）要（yào）進行精加工，包括（kuò）精加工外形尺寸和焊接坡口進行必要的檢查，交付用戶前要（yào）進行防腐蝕處理，並包裝發運（yùn）至使用現（xiàn）場與線路管道焊（hàn）接，圖5為產品照片。

6         結論

6.1 理論計算（suàn）與有限元數值模擬技術相結合，參照實踐生產經驗，設計出較為合理的結構參數。

6.2 實踐證明，改（gǎi）進型CF62鋼可替（tì）代X70鋼製（zhì）作錨固法蘭，不僅可滿足（zú）使用性能要求及焊接要求，而（ér）且冶煉製（zhì）造方便，適合國情，便於生產製造。

6.3 輾環機軋製方案是當（dāng）前比較適用的錨固（gù）法蘭成形（xíng）製造方案，隨著裝備、工藝技術的不斷提高，會有更多更好的新（xīn）方案脫（tuō）穎而出。

6.4 壓力彎曲試（shì）驗是比較實用的效驗手段，值（zhí）得推廣。

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