西气东输、川气东送选用的大型锚固法兰采用辗环轧制技术应用--国家重大工程部件国产化

摘要：锚固法兰是大口径、高内压、远程输气（注）管道系统中的关键部件，本文对大型锚固法兰的生产技术开展了自主创新的研究工作。采用理论计算与有限元数值模拟技术相结合的方法进行了结构参数设计，选择了改进型CF62钢作为材料锚固法兰的材料，提出了多种先进适用成形制造方案，采用辗环技术制造了一批国产化产品，满足了国家重大工程的急需。

    锚固法兰式远程管道输气（油）工程的关键部件，焊装于输气（油）主管道上，并用水泥镦固定，半埋在地下，用以防止由自重、内压、温差、管道轴向与方位变化等综合作用力引起的管线过量位移，处在地下部分的管线受不均匀的土压力、水压力，地上部分还受风荷、雪荷及地震等自然力。图1为锚固法兰的工况示意图。由于锚固法兰口径大（Φ200～Φ1200mm）、内压高（6～12MPa）、使用范围广（沿管线途经十余省）、工况恶劣（沿途地质条件、气候温度复杂多变，还有腐蚀、震动等作用）、安全条件要求高（途经城市、乡村、学校、医院等人员聚集区），因而对其工作可靠性要求极高。关于锚固法兰的制造与应用，世界相关国家都在进行深入的研究，但鲜见报道。从2002年起，对大型锚固法兰的生产技术开展了自主创新的研发工作。通过一系列的技术攻关，在锚固法兰的设计计算、材料选择、制造技术和成形方案等方面取得了一些新的成果，采用“先进适用”技术制造了一批国产化产品，替代了进口，在西气东输、川气东送、陕京线、淮武线、西气东输二线等国家重点工程均有广泛应用，满足了国家重大工程的急需，促进了远程管道输气（油）工程的科学进展。

1         锚固法兰的结构设计

    由于锚固法兰及管线受力复杂、应该进行强度、刚度校核和抗疲劳、抗脆断、抗地震的评定。然而有些应力目前难以进行精确计算，至今仍没有统一的制作标准。工程设计时大都按压力容器规范，参照有关标准和实用数据加大安全裕度，通过有限元分析结构设计，确定工程尺寸。

    首先，石油天然气相关行业根据锚固法兰的介质压力、使用区域、环境工况等因素确定设计系数、气候条件以及最大轴向推力、锚固形式等技术参数，提出技术规格书数据。在此基础上，根据国家标准《输气管道工程设计规范》（GB 5025 1-2003）、《钢制压力容器》（GB 150-1998），并参照美国国家标准《管法兰和法兰管件》（ASME B16 5-1996）（含A1998）以及《输气和配气管道系统》（ASMEB31.8-1999）等系列标准，经详细论计算，结合相关生产经验，初步设计出锚固法兰的结构形式和关键尺寸，再由焊接规范确定端口结构尺寸。

    在理论计算基础上，为了得知锚固法兰的工作状态，采用通用有限元分析软件MSC.MABC,按规格

任务书提出当量轴向推力，极限温度变化等数据进行计算，得出应力分布云图及集中应力的大小和部位，如图2所示。并对应力进行线性化分析，对各应力分量进行分类校核，通过强度校核确保满足强度要求。通过刚度分析，确定许可位移量，确保满足水泥墩及管道柔性要求。

为了简化生产，实际工作中把众多不同工况的锚固法兰分类合并为若干大类，然后按最严酷的受力工况计算校核并确定结构尺寸。

2        原材料选用

《输气管道过程设计规范》中规定：当管道附件与管道采用焊接连接时，两者材质应相同或相近。

管线钢通常采用美国石油协会推出的API 51.～X70.控轧控冷生产，具有良好的抗动、静荷能力、能承受油气冲刷与腐蚀、低温下抗氢致开裂和硫化物应力腐蚀能力较好。

锚固法兰原材料的选用最初定位于管线钢同类材料,但在实践中因为该钢种控轧控冷生产困难。在业内专家的提议下确定了选材原则，主要是满足使用性能要求，满足与管线管焊接要求，冶炼制造方便，不仅先进可靠，还要适合国情，便于生产制造。综合各方面技术因素，没有选用与管线管同种材料钢材，而选用改进型CF（erack frcc）62钢。该钢种系低碳微合金、低焊接裂纹敏感性的高强钢种，其优点在于焊前不预热或50℃预热而不产生裂纹，其优良的焊接性能和低温韧性、适宜大型构件野外作业。改进型CF62经与X70管材焊接质量评定，端面无缺陷，焊接接头性能符合验收规范。

3         成形制造技术

锚固法兰式受力复杂的重要固构件，质量要求极其严格。而塑性成形和热处理时制造技术中两个关键环节，只有通过充分的塑性变形和合理的热处理才能使内部结构密实、晶粒细匀、分布合理，满足使用性能要求。此外，热加工过程对节材、节能、减少缺陷次品、降低成本有重要的影响。按照目前热加工装备的情况拟订如下工艺方案。

3.1  旋转锻压扩孔方案

锚固法兰尺寸大、形状复杂，辗环轧制成形需用大型辗环机，两端高颈大法兰辗轧时材料转移量很大，辗环技术和工装制造都有一定难度。在此情况下采用了旋转锻造扩孔方案即马架扩孔锻打方案，旋转锻造扩孔特点是锻造扩孔非稳态局部成形，变形不均匀，为克服缺点采用了一些措施，其要点是科学合理地调控热力学参数，比如,控制变形温度范围，控制压下量，快速均匀转动。只要变形足够，热力参数控制匹配合理，就可以得到满意的锻件质量。

为了节省原材料，将法兰边的凸缘锻出来，可以用带槽的上型砧——芯轴扩孔法锻造，也可以讲预扩孔的坯料平放在平砧上，借助旋转装置，边转边打锻出法兰边凸缘。锚固法兰成形过程如图3所示。

实践证明：只要认真控制变形温度，变形数度、变形程度、并合理加以匹配，保持应变均匀分布，锻造温度合理，就能锻出合格的产品。但是效率较低，余量较大。对人工经验依赖较大，安全隐患突出。

3.2 辗环机轧制方案

安装大型辗环机，并实施大批量生产时可以应用该方案。该方案生产率极高，加工余量小，如果合理调控热力学参数，可以实施控轧控冷，改善组织性能，进一步提高质量。选用济南泉跃数控制造的数控立式辗环机如D51K-1500型，或卧式径向辗环机D52K-2000型，卧式径轴向辗环机D53K-2000型均可实现快速轧制生产的工艺要求。闭式模具，辗扩轧制工艺在可锻区间采用体积不变的原则，使锻件连续塑形变形，线性分布均匀，抗拉强度高。切成型一个环件只需几十秒。

3.3  铸锻（轧）联合成形方案

将铸造和锻压两工序联合，利用优势互补的成形机制，更快更好地制造产品。因为铸造可以很方便地制造出十分复杂的形状，而锻轧能够很好地改善内部组织性能，二者结合、优势互补，能够提高效率和重量。对环件而言，铸坯可以用离心浇铸、电渣熔铸环坯，中频熔铸环坯，再经过短时间的均热，后辗扩（或锻压）成形。该方案工艺流程短、效率高、节能（热能消耗小）、节材、成本低。只要将铸坯热成形的工艺参数调控得当，就可实现优质、高效、低成本的生产目标。

综上所述：控制热成形，短流程工艺都是先进的热加工方法，有待继续开发应用。

3.4  校形整径技术

大型环件热成形，由于各种因素的影响，形状尺寸偏差往往较大，机加工前应该校形，以减小加工余量。校形装置可以为机械楔扩式整径装置，或者液压转动校形装置。我们泉跃数控公司目前采用对称式液压校正圆度的方式得到了很好的推广应用。

3.5  控温节电热处理

按照技术要求，为保证工件的综合力学性能，锚固法兰成形要求调质处理。由于电炉控温性能最好，所以能保证热处理质量，但在用电紧张情况下为了减少电能消耗，可以实行先在煤气炉中预热，再转电炉控温，即节约了电能，又保证了热处理质量。

4 质量检验与使用性能试验

锚固法兰制成后还要进行多项质量检查，比如力学性能、金相组织、无损探伤及着色检测以确保制件的高质量。此外，为了保证锚固法兰使用安全可靠，还要进行压力弯曲试验，如图4所示。

压力弯曲试验是模拟锚固法兰实际工况，即承接受流体压又在缘周上施加当量轴向推力，检测其变形和渗漏等现象，评定其使用性能，确保工作安全可靠性。但试验时，因制件口径大，所需密封力大，可用省力措施，防止附加弯曲变形。该方案现场使用效果良好，值得推广。

5 机械加工、防腐及包装

根据技术要求,锚固法兰热处理之前要进行粗加工并作超声波探伤。在成形、热处理之后要进行精加工，包括精加工外形尺寸和焊接坡口进行必要的检查，交付用户前要进行防腐蚀处理，并包装发运至使用现场与线路管道焊接，图5为产品照片。

6         结论

6.1 理论计算与有限元数值模拟技术相结合，参照实践生产经验，设计出较为合理的结构参数。

6.2 实践证明，改进型CF62钢可替代X70钢制作锚固法兰，不仅可满足使用性能要求及焊接要求，而且冶炼制造方便，适合国情，便于生产制造。

6.3 辗环机轧制方案是当前比较适用的锚固法兰成形制造方案，随着装备、工艺技术的不断提高，会有更多更好的新方案脱颖而出。

6.4 压力弯曲试验是比较实用的效验手段，值得推广。

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