接触焊在大中直径HFW钢管的应用优势与关健技术探讨

宋志强，蒋晓斌，张晓灵，赵学年

（中海油（天津）管道工程技术有限公司，天津 300452）

为了提高油气管线的输送能力，降低输送成本，油气输送正逐渐向高压、长距离、大管径输送等技术方向发展[1]。目前，国内外的油气能源输送主要采用直缝埋弧焊管、螺旋缝埋弧焊管、无缝管以及HFW焊管。其中，HFW焊管以其尺寸精度高、壁厚均匀、生产效率高、抗压性能和综合力学性能好以及射孔不裂等优点，具有很大的发展潜力和市场竞争力[2]。

但是，与国外先进HFW制管技术相比，我国HFW焊管制管技术相对比较落后，还存在焊管整体品质相对较低、焊管规格与品种单一、生产工艺不稳定、成品率低等诸多问题。尤其值得关注的是由日本新日铁公司采用HFW接触焊工艺生产的TUF套管等高端焊管产品（比如海底用管线、高寒地区用管线及高抗挤毁套管等），现已成为世界焊管界公认的高品质焊管[3]。查阅资料发现，日本、韩国的焊管企业508 mm以上的HFW机组，长期以来都是采用接触焊工艺来生产高端焊管产品。

然而，我国大、中直径（406～508 mm为中直径，508～660 mm为大直径）HFW焊管企业中，因接触焊工艺落后，目前主要采用感应焊生产管线钢管，没有完全克服接触焊存在的缺陷[4]。对于大、中直径的HFW焊管而言，由于受到高频感应焊工艺的限制，存在焊管品质提升困难、无效焊接电流分流大、热效率低、能耗高、适用规格单一等诸多缺点。

1 HFW接触焊管国内外现状

1.1 国内发展现状

进入21世纪后，我国掀起了建设焊管机组的新一轮高潮，一批大、中直径HFW焊管机组相继建成投产。在国内，大庆华瑞克钢管公司建成一套 Φ660 mm（26 in）HFW 焊管机组， 上海宝钢、上海中油天宝、中海金洲、天津双街钢管公司各建成一套 Φ610 mm（24 in）HFW机组，华油扬州、江苏玉龙、山西国联钢管公司各建成一套Φ508 mm（20 in）HFW焊管机组。这些机组中，特别是Φ610 mm焊管机组的建成，不仅填补了508～610 mm管径HFW焊管的空白，又增加了HFW焊管的产能[2]。

文献查阅发现，当前我国大、中直径HFW焊管企业中，除宝鸡住金石油钢管厂、渤海石油装备钢管制造公司扬州分公司外，其余大部分焊管企业仍采用高频感应焊的方式生产焊管产品。此外，文献显示中海石油金洲管道公司开发了双焊脚接触焊工艺，并已在多个项目订单中成功应用[5]。而其余大部分HFW焊管企业仍处在接触焊试验、摸索中。

1.2 国外发展现状

关于HFW高频接触焊在国外焊管企业的发展水平与应用情况，通过大量文献资料查阅发现，对于大、中直径HFW机组究竟是采用感应焊还是接触焊工艺，欧美国家与日韩焊等国有着完全不同的观点。欧美的一些焊管强国（如德国、美国等）长期以来一直坚持认为感应焊对带钢成型质量不敏感，操作相对简单，从而导致欧美焊管企业认为生产高端焊管产品只能采用高频感应焊工艺。因此，欧洲的一些焊管强国实际上是没有HFW接触焊的实际生产经验。

相反，代表东方的HFW焊管制造强国（日本、韩国等），尤其是日本在HFW焊管的开发方面在世界上首屈一指。其中，日本的新日铁焊管公司，经过多年的研究与攻关，已经掌握HFW接触焊工艺的核心制造技术。文献查阅发现，日本焊管企业Φ508 mm以上的大直径HFW机组都采用接触焊工艺生产高端焊管产品，例如海底管线管、高寒地区管线管、NT标准的TUF套管等[6]。

此外，韩国也是HFW焊管强国的亚洲代表，其HFW焊管占焊管总产量的60%以上。韩国现在拥有的3套先进610HFW机组，均采用高频接触焊工艺生产高端焊管产品。这些事实足以证明，代表亚洲制管水平的日本、韩国的HFW接触焊技术水平与现状，实际上已经代表了世界HFW接触焊的发展水平和应用现状。

2 HFW焊管制管原理与工艺

2.1 HFW焊管制管原理

HFW焊管的制管原理是先将热轧卷板经成型机成型为管坯后，再利用高频电流的集肤效应和邻近效应将管坯边缘迅速加热到熔融状态，同时通过挤压辊施加挤压力而焊合成钢管。HFW焊管的焊接方式通常可分为高频接触焊和高频感应焊，其具体工作原理如图1所示。

图1 HFW焊管制作原理示意图

2.2 HFW焊管制管工艺流程

通过文献资料查阅和对HFW钢管制造企业的调研发现，目前，国内HFW制管工艺流程如图2所示。

图2 HFW焊管制管工艺流程简图

3 接触焊在HFW焊管生产中的应用优势

3.1 HFW焊管质量对比

目前，日本新日铁公司Φ508 mm以上HFW焊管机组，大部分采用接触焊工艺生产高频焊接TUF套管，其质量已得到了世界焊管界的公认。此外，日本JFE公司对采用接触焊工艺生产的X65级Φ610 mm×19.1 mm高频焊管和UOE工艺生产的X65级Φ610 mm×18.9 mm埋弧焊管的十几项性能指标进行分析比较后认为，两种焊管性能基本相似，说明采用接触焊工艺生产的焊管质量也很好[6]。

在国内，渤海石油装备钢管制造公司508HFW焊管机组分别采用接触焊和感应焊工艺，生产L415材质Φ457 mm×14.2 mm焊管，在相同条件下，对焊缝低温冲击性能进行测试，其性能对比如图3所示[7]。

由图3可知，接触焊管的焊缝冲击韧性明显好于感应焊管。由于冲击韧性是焊缝力学性能指标中最为关键的一项，只要该项指标提高，则其余的力学性能指标均会整体相应提高，故采用接触焊生产的焊管焊缝质量比感应焊明显要好。此外，采用该工艺生产的HFW焊管外观质量良好，无电弧灼伤和划伤。

图3 接触焊与感应焊焊缝夏比冲击功（-40℃）对比

20世纪90年代宝鸡住金石油钢管公司和日本住友金属合资以来，引进日方先进技术和管理，至今一直采用接触焊工艺生产套管和管线管。如今，已得到国内石油系统专家认可，认为该机组“焊缝做到等韧等强，焊管质量一直很好，是国内高频焊管机组中真正掌握了HFW生产核心技术的机组”[8]。

3.2 能耗与节电方面的对比

对于HFW高频焊管的生产能耗，其直接对应的就是高频焊机的焊接输出功率。而焊机的输出功率则与焊接工艺、焊管规格、焊接速度以及V形开口的加热长度等因素直接相关。为了找出两种焊接工艺在生产大、中直径HFW焊管中的优势，国内外焊管企业纷纷对相同规格的HFW焊管采用感应焊与接触焊工艺的输出功率、节电效果等方面进行了对比。

（1）对于610HFW 的焊管机组（焊管直径219～630 mm， 壁厚 2.5～20.0（22.2）mm， 焊接速度10～30（40）m/min），若采用感应焊工艺，高频焊机感应线圈功率一般为0～1 500 kW；而采用接触焊工艺，其电极功率一般为0～600 kW或者稍大一些[6]。

（2）国内某焊管公司610HFW焊管机组，其引进的高频焊机具有感应焊和接触焊的双焊接功能。感应焊线圈功率1 200 kW，接触焊电极功率600 kW。该公司于2006年底，对规格为Φ610 mm×22.0 mm焊管分别采用两种焊接工艺进行生产试验，实测功率对比见表1[6]。

表1 610HFW焊管机组感应焊和接触焊功率比较

由表1可知，当HFW焊管规格相同、焊接速度相近时，厚壁焊管接触焊的功率为感应焊功率的43.4%[6]。

此外，中海石油金洲管道公司在相同生产条件下，记录不同规格焊管生产时接触焊与感应焊实际焊接功率，并对焊接功率数值进行了对比，具体对比情况见表2[5]。

表2 在生产不同规格焊管时接触焊与感应焊实际焊接功率对比情况

图4 接触焊与感应焊功率损耗对比

（3） 渤海石油装备钢管制造公司于2009年3月开始正式采用接触焊工艺，生产规格为Φ457 mm×14.2 mm、材质为L415MB的焊管500 t所需的接触焊功率不到感应焊的50%[8]。图4是该公司在相同焊速下，生产各种壁厚焊管采用接触焊与感应焊时的电能损耗对比情况[7]。

3.3 其他方面的对比

HFW接触焊工艺不仅适用于大直径HFW焊管机组的连续生产，还适用于单卷生产。然而，感应焊工艺只适用于连续生产。对于大、中直径HFW焊管机组，若采用单卷生产工艺具有许多优点，主要优点如下：

（1）更加节省能耗和投资。对大中直径HFW焊管机组，若采用接触焊、单卷生产工艺，不但可节省焊接本身的电能消耗，而且可取消带钢剪切对焊机和螺旋活套设备及这些设备占用的空间。对610HFW焊管机组，剪切对焊机和螺旋活套设备的总质量约504 t，采用国外图纸国内制造，设备单价按5.0万元/吨计算，设备费用约为2 520万元；占用厂房长度约80 m，厂房跨度30 m，厂房面积约2 400 m2，对50 t吊车的厂房单价按2 200元/平方米计算，厂房价格约为528万元。仅上述两项投资就约3 048万元。这2台设备操作工每班3人，3班共9人，人均年工资、福利及养老金等按5.0万元计算，年人工费用就多出45万元；同时还可以完全省去这2台设备890 kW的电能消耗[9]。

（2）扩大了HFW焊管产品范围。从公开资料查阅，目前，国内已经投产的采用连续生产工艺的610HFW机组，未见到大量生产高钢级、壁厚18～22.0 mm焊管的报道。主要有两方面原因：①对高钢级、厚度18～22.0 mm的焊管，成型机刚性不足，钢带边部弯曲不到位，在V形角内钢带端面平行度差，若采用大功率感应焊工艺，因其焊接频率低，焊缝质量不好，致使焊缝性能指标达不到要求；②由于厚钢带在剪切对焊时，钢带对焊质量不合格，易造成断带或者钢带的对焊时间增长，导致螺旋活套容量不够，使成型机不能连续生产。如果采用先进的接触焊、单卷生产技术，这套610HFW焊管机组完全可以正常生产Φ610 mm×22.0 mm焊管，从而扩大了焊管的规格和品种。

（3）提高了焊管金属收得率。对于采用感应焊连续生产的610HFW焊管机组，由于焊管更换规格和轧辊损坏需要更换轧辊时，必须采用“钢带停机”操作。这样对要求焊缝进行Q+T（淬火+回火）热处理的焊管，由于“钢带停机”造成焊管焊缝热处理温差大，焊缝质量不合格而使30～40 m长的焊管成为次品或废品，这将造成很大的浪费，且对连续生产的大中直径HFW焊管机组是不可避免的问题。如果采用接触焊、单卷生产工艺，不管何种原因，将这一卷钢带成型、焊接完以后再停机，就不存在焊缝质量不合格而产生的次品或废品，这将提高了金属收得率。

4 HFW接触焊管关键技术探讨

4.1 概述

由HFW接触焊的工作原理和制管工艺可知，接触焊工艺的关键技术主要涉及生产设备和工艺两方面，这两方面既相互独立，也相互关联，共同作用决定着HFW接触焊焊管的整体质量。

其中，HFW接触焊设备关键技术主要是指接触焊生产线中“三大”核心工序（即成型、焊接和热处理生产工序）重要设备对应的关键技术。由于HFW接触焊在成型和热处理两个工序的设备与HFW感应焊对应的设备相同，故本研究仅对接触焊与感应焊不同的焊接工序对应设备的关键技术进行介绍。接触焊焊接工序生产设备关键技术主要包含具有接触焊功能的高频焊机、具有自动调节功能的接触电极安装机械装置、接触焊电极的冷却装置以及接触焊焊前板边清理装置等焊接工序设备对应的关键技术；接触焊工艺关键技术主要是指接触焊制管工序中核心工序对应的工艺参数方面，比如成型、焊接和热处理等核心工序的工艺参数。由于接触焊成型与热处理工序对应的工艺参数与感应焊工艺也是相同的，故本研究仅对接触焊生产设备关键技术进行论述。

4.2 接触焊关键技术探讨

4.2.1 接触焊焊接电极与焊机的选取

（1）接触焊电极材料的优化选择

由HFW接触焊原理可知，接触电极主要起传导高频电流的作用，其材料的性能将直接影响焊管的焊缝质量和电极的使用寿命。目前，我国国内的一些制管厂曾使用紫铜作为电极材料进行结构钢管的试生产。结果发现，因紫铜的导电率较高，能满足高频电流输入损耗较小的要求（即可较好地保证焊接输入热量的要求），能生产出满足使用性能要求的结构钢管。但是，因紫铜的强度、硬度较低，在使用过程中极易产生电极磨损较快的问题，从而造成电极寿命较短，而且磨损的铜粉末残留于焊管与焊缝表面易形成表面缺陷，而这种焊接缺陷在石油、天然气输送管线管中是不允许出现的。因此，HFW接触电极的研发与选型应满足以下性能要求：①电极应具有较高的导电率、热导率和熔点；②为满足接触电极能传递压力和传导电流，电极材料应有足够的强度、硬度与热硬度以及良好的耐磨性和抗熔焊性能；③电极在使用中应具有足够的化学稳定性，不易与焊管金属形成合金。

要快速、高效地研发满足HFW接触焊的电极材料，笔者认为，可采用对满足上述性能要求的各种电极材料进行对比试验的方法，通过一系列的试验数据结果比对，优化选择出理想的电极材料。

目前，中海石油金洲管道公司已通过试验检测出了紫铜与银铜材料电极的使用性能指标。其中，紫铜的导电率为90%，硬度80HV，在300℃测量的热硬度为75HV；而银铜的导电率为98%，硬度110HV，在300℃测量热硬度为103HV。因此，银铜合金材料的各项性能指标优于紫铜，故银铜合金是HFW接触焊电极材料的一个选择方向。此外，该公司已针对传统接触焊焊接电极存在的问题，自主开发了双侧双焊脚电极，并已在生产项目中应用。具体焊接电极结构如图5[10]所示。

图5 双侧双焊脚结构示意图

（2）HFW接触焊焊机的优化选择

目前，各国焊管企业能生产出的最大HFW焊管直径是660 mm。对于Φ660 mm×（3.0～25.4）mm、焊接速度为10～30 m/min的HFW焊管，若采用感应焊工艺生产，则HFW生产线上需配置线圈功率为1 800 kW高频焊机，焊接设备成本和能耗较高；但是，若采用接触焊工艺生产，只需配置电极功率为800 kW高频焊机[4]即可，其焊机成本和能耗相对较低。因此，对于大中直径的HFW焊管，若采用接触焊工艺，只需选配频率150 kHz、功率800 kW且具有接触焊功能的高频焊机即可。

如今，随着电力电子技术的飞速发展，HFW高频焊机的制造技术已比较成熟，国内外均有比较成熟的高频焊接设备制造厂家。所以，对于HFW接触焊机的制造技术不需要制管企业进行专门研发，只需依据生产HFW焊管的规格选择合适频率、功率的高频接触焊机型号后，通过选型，购置即可。

4.2.2 接触焊电极摆动臂自动调节系统的设计

由HFW接触焊原理和焊接工艺可知，由于焊管管坯在成型过程中存在小的波浪、带钢表面存在氧化层以及带钢头尾存在镰刀弯等现象，易造成HFW焊接过程中钢带边缘与电极接触不稳，形成打火现象，从而影响焊管焊缝质量。因此，针对接触焊电极与管坯表面接触不稳、易产生电弧灼伤，进而降低焊管质量的问题。通过反复观察、研究，笔者认为，研发具有自动调节功能的接触电极机械手臂可解决上述接触焊电极接触不稳造成电弧灼伤的问题。

通过研发接触电极机械手臂的自动调节系统，可使接触焊电极与钢带的接触压力保持恒定压力的接触。当遇到管坯成型波动时，电极机械手臂调节装置将自动调节电极的接触压力大小，使HFW接触电极与管坯表面保持稳定的接触，从而保持向管坯输入稳定的焊接电流，有效地避免了电极与管坯接触不良造成的电弧灼伤焊接缺陷。接触电极摆动臂自动调节系统主要由电极和液压缸安装支架、接触电极伸缩机械手以及由液压缸、传感器和电液伺服控制系统等部分构成。其工作原理如图6所示。

图6 HFW接触电极机械手伸缩运动电液伺服系统工作原理框图

4.2.3 接触焊电极冷却系统设计

由HFW接触焊工作原理可知，接触电极在焊接过程中需传导高频电流，因此电极与管坯不可避免会存在接触电阻而产生热量，再加上电极与管坯的摩擦生热和电极是具有高热导率的材料，这一系列过程致使接触电极块上具有较高的热量。由于电极在300℃以下具有较好的耐磨性，为了延长电极使用寿命，就必须降低电极的工作温度。为了有效地降低接触电极温度和保持电极长时间的合理工作温度，笔者认为，单独依靠内部或外部冷却方法均不能满足充分冷却的目的，对接触焊电极的冷却系统应该采用内、外同时进行冷却的方式来设计HFW接触焊电极的冷却系统。

对于HFW接触焊电极内部的冷却系统，笔者认为，只需在电极内部结构中设置冷却水循环通道，另外在电极两端部设置循环水进、出水管接头即可达到冷却目的。当电极正常启动工作时，只需启动循环水泵，使循环水快速通过电极冷却通道流出，从而从里到外带走电极表面的大部分热量，起到较好地冷却电极温度的作用。至于HFW接触焊电极的外部冷却系统，只需在电极与管坯接触部位设立外部冷却风管，直接对接触部位的电极吹风空冷，从而进一步降低接触电极的工作温度，有效保证电极的工作性能和使用寿命。

4.2.4 接触焊焊前与焊后清扫装置的设计

（1）管坯焊前清扫装置的设计

依据HFW焊管的制管工艺可知，在高频焊接工序之前由于带钢边缘经过铣边工序后会产生一些小的毛刺，同时带钢表面存在锈蚀、氧化铁皮、脏物等，这些物质会影响电极与带钢的接触稳定性和增大电极的磨擦阻力。因此，需要在焊接工序之前设计焊前清扫装置，从而将带钢边缘毛刺和管坯表面氧化物清理干净，改善带钢边缘和管坯表面质量，减小或消除电极磨损以及因电极接触不稳造成的电弧灼伤现象。

对于管坯焊前清扫装置的设置位置，笔者通过综合考虑，认为将该装置设置在铣边工序与成型工序之间，因为该工序之间有较长的传送空间距离，适宜焊前清扫装置的合理布置。至于焊前清扫装置的设计也相对简单，只需在自动铣边工序后适当的距离，沿传送带钢边缘端部和边缘上下钢板面上设置几组旋转的钢刷，各组钢刷以一定旋转速度和压力施加在带刚清扫面上工作，从而可清除带钢边缘和管坯表面的毛刺和氧化物，提高了管坯电极接触面的表面粗造度，有效地保障高频焊接工序接触电极的稳定性，进一步减少电弧打火灼伤现象。

（2）钢管焊后清扫装置的设计

由HFW接触焊工作原理可知，要使焊机直接输出的高频电流高效地输送到管坯焊接回路上，就必须通过施加一定压力的电极接触到管坯上保持电极接触稳定，再加上焊管传送过程中的电极磨损，会使钢管焊接完成后在电极接触过焊管表面残存电极压痕和电极磨损粉末，这些缺陷在石油、天然气输送管线用管中是不允许存在的。因此，针对HFW接触焊存在的痕迹，需在钢管焊接后设置相应的清扫装置，以去除该类缺陷，保证焊管表面的质量。

对于钢管焊后清扫装置的设置位置，笔者认为将该装置设置在焊缝热处理工序与定径成型工序之间。主要原因：①因为该工序之间有较长的传送空间距离，适宜焊后清扫装置的合理布置；②在该位置将电极压痕和磨损电极粉末去除后，再进行焊管的定径矫直工序，可彻底清除该缺陷而不残留任何电极压痕，从而有效提高焊管表面质量。

对于HFW钢管的焊后清扫装置的设计也相对简单，只需在焊缝热处理工序结束的适当位置，沿传送焊管电极接触位置上设置几组旋转钢刷，各组钢刷以一定旋转速度和压力施加在焊管圆周电极接触表面上，并在该位置设置高压水冲洗，然后焊管再进入定径成型工序，从而有效清除HFW接触焊管表面因电极接触或磨损残留缺陷，保证HFW接触焊管表面质量。

5 结 论

（1）对于406 mm、508 mm、610 mm等大、中直径HFW焊管，采用接触焊具有焊接热效率高、无效分流小、焊缝HAZ小、生产能耗低等应用优势。

（2）采用接触焊工艺生产大、中直径HFW焊管，不仅可精简生产工艺、节省投资，而且可扩大焊管生产品种与规格，提高焊管品质与金属收得率。

（3）本研究对焊接电极与焊机优选、接触电极摆动臂调节系统、接触电极冷却系统、焊前与焊后清扫装置设计等关键技术的解决方案论述，可为HFW接触焊设备与工艺改进提供参考价值。

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