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、高內壓、遠程輸氣（注）管道系統中的關(guān)鍵部件，本文對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。采用理論計算與jsqy/1057.html">有限元數值模擬技術(shù)相結合的方法進(jìn)行了結構參數設計，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(mǎn)足了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(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、內壓、溫差、管道軸向與方位變化等綜合作用力引起的管線(xiàn)過(guò)量位移，處在地下部分的管線(xiàn)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 錨固法蘭的結構設計
由于錨固法蘭及管線(xiàn)受力復雜、應該進(jìn)行強度、剛度校核和抗疲勞、抗脆斷、抗地震的評定。然而有些應力目前難以進(jìn)行精確計算，至今仍沒(méi)有統一的制作標準。工程設計時(shí)大都按壓力容器規范，參照有關(guān)標準和實(shí)用數據加大安全裕度，通過(guò)有限元分析結構設計，確定工程尺寸。
首先，石油天然氣相關(guān)行業(yè)根據錨固法蘭的介質(zhì)壓力、使用區域、環(huán)境工況等因素確定設計系數、氣候條件以及最大軸向推力、錨固形式等技術(shù)參數，提出技術(shù)規格書(shū)數據。在此基礎上，根據國家標準《輸氣管道工程設計規范》（GB 5025 1-2003）、《鋼制壓力容器》（GB 150-1998），并參照美國國家標準《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》（ASMEB31.8-1999）等系列標準，經(jīng)詳細論計算，結合相關(guān)生產(chǎn)經(jīng)驗，初步設計出錨固法蘭的結構形式和關(guān)鍵尺寸，再由焊接規范確定端口結構尺寸。
在理論計算基礎上，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,按規格
任務(wù)書(shū)提出當量軸向推力，極限溫度變化等數據進(jìn)行計算，得出應力分布云圖及集中應力的大小和部位，如圖2所示。并對應力進(jìn)行線(xiàn)性化分析，對各應力分量進(jìn)行分類(lèi)校核，通過(guò)強度校核確保滿(mǎn)足強度要求。通過(guò)剛度分析，確定許可位移量，確保滿(mǎn)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(lèi)合并為若干大類(lèi)，然后按最嚴酷的受力工況計算校核并確定結構尺寸。
2 原材料選用
《輸氣管道過(guò)程設計規范》中規定：當管道附件與管道采用焊接連接時(shí)，兩者材質(zhì)應相同或相近。
管線(xiàn)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(kāi)裂和硫化物應力腐蝕能力較好。
錨固法蘭原材料的選用最初定位于管線(xiàn)鋼同類(lèi)材料,但在實(shí)踐中因為該鋼種控軋控冷生產(chǎn)困難。在業(yè)內專(zhuān)家的提議下確定了選材原則，主要是滿(mǎn)足使用性能要求，滿(mǎn)足與管線(xiàn)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(méi)有選用與管線(xiàn)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鋼種，其優(yōu)點(diǎn)在于焊前不預熱或
3 成形制造技術(shù)
錨固法蘭式受力復雜的重要固構件，質(zhì)量要求極其嚴格。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，只有通過(guò)充分的塑性變形和合理的熱處理才能使內部結構密實(shí)、晶粒細勻、分布合理，滿(mǎn)足使用性能要求。此外，熱加工過(guò)程對節材、節能、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 旋轉鍛壓擴孔方案
錨固法蘭尺寸大、形狀復雜，輾環(huán)軋制成形需用大型輾環(huán)機，兩端高頸大法蘭輾軋時(shí)材料轉移量很大，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鍛造擴孔方案即馬架擴孔鍛打方案，旋轉鍛造擴孔特點(diǎn)是鍛造擴孔非穩態(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)合理地調控熱力學(xué)參數，比如,控制變形溫度范圍，控制壓下量，快速均勻轉動(dòng)。只要變形足夠，熱力參數控制匹配合理，就可以得到滿(mǎn)意的鍛件質(zhì)量。
為了節省原材料，將法蘭邊的凸緣鍛出來(lái)，可以用帶槽的上型砧——芯軸擴孔法鍛造，也可以講預擴孔的坯料平放在平砧上，借助旋轉裝置，邊轉邊打鍛出法蘭邊凸緣。錨固法蘭成形過(guò)程如圖3所示。
實(shí)踐證明：只要認真控制變形溫度，變形數度、變形程度、并合理加以匹配，保持應變均勻分布，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。對人工經(jīng)驗依賴(lài)較大，安全隱患突出。
3.2 輾環(huán)機軋制方案
安裝大型輾環(huán)機，并實(shí)施大批量生產(chǎn)時(shí)可以應用該方案。該方案生產(chǎn)率極高，加工余量小，如果合理調控熱力學(xué)參數，可以實(shí)施控軋控冷，改善組織性能，進(jìn)一步提高質(zhì)量。選用濟南泉躍數控制造的數控立式輾環(huán)機如D51K-1500型，或臥式徑向輾環(huán)機D52K-2000型，臥式徑軸向輾環(huán)機D53K-2000型均可實(shí)現快速軋制生產(chǎn)的工藝要求。閉式模具，輾擴軋制工藝在可鍛區間采用體積不變的原則，使鍛件連續塑形變形，線(xiàn)性分布均勻，抗拉強度高。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)勢互補的成形機制，更快更好地制造產(chǎn)品。因為鑄造可以很方便地制造出十分復雜的形狀，而鍛軋能夠很好地改善內部組織性能，二者結合、優(yōu)勢互補，能夠提高效率和重量。對環(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（或鍛壓）成形。該方案工藝流程短、效率高、節能（熱能消耗?。?、節材、成本低。只要將鑄坯熱成形的工藝參數調控得當，就可實(shí)現優(yōu)質(zhì)、高效、低成本的生產(chǎn)目標。
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，有待繼續開(kāi)發(fā)應用。
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，機加工前應該校形，以減小加工余量。校形裝置可以為機械楔擴式整徑裝置，或者液壓轉動(dòng)校形裝置。我們泉躍數控公司目前采用對稱(chēng)式液壓校正圓度的方式得到了很好的推廣應用。
3.5 控溫節電熱處理
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)行先在煤氣爐中預熱，再轉電爐控溫，即節約了電能，又保證了熱處理質(zhì)量。
4 質(zhì)量檢驗與使用性能試驗
錨固法蘭制成后還要進(jìn)行多項質(zhì)量檢查，比如力學(xué)性能、金相組織、無(wú)損探傷及著(zhù)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，如圖4所示。
壓力彎曲試驗是模擬錨固法蘭實(shí)際工況，即承接受流體壓又在緣周上施加當量軸向推力，檢測其變形和滲漏等現象，評定其使用性能，確保工作安全可靠性。但試驗時(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。該方案現場(chǎng)使用效果良好，值得推廣。
5 機械加工、防腐及包裝
根據技術(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(hù)前要進(jìn)行防腐蝕處理，并包裝發(fā)運至使用現場(chǎng)與線(xiàn)路管道焊接，圖5為產(chǎn)品照片。
6 結論
6.1 理論計算與有限元數值模擬技術(shù)相結合，參照實(shí)踐生產(chǎn)經(jīng)驗，設計出較為合理的結構參數。
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(mǎn)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)機軋制方案是當前比較適用的錨固法蘭成形制造方案，隨著(zhù)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 壓力彎曲試驗是比較實(shí)用的效驗手段，值得推廣。