西氣東輸、川氣東送選用的大型錨固法蘭采用輾環軋制技術應用--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（注）管道系統中的關鍵部件，本文對大型錨固法蘭的生產技術開展了自主創新的研究工作。采用理論計算與jsqy/1057.html">有限元數值模擬技術相結合的方法進行了結構參數設計，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制造方案，采用輾環技術制造了一批國產化產品，滿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受力復雜、應該進行強度、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行精確計算，至今仍沒有統一的制作標準。工程設計時大都按壓力容器規范，參照有關標準和實用數據加大安全裕度，通過有限元分析結構設計，確定工程尺寸。
首先，石油天然氣相關行業根據錨固法蘭的介質壓力、使用區域、環境工況等因素確定設計系數、氣候條件以及最大軸向推力、錨固形式等技術參數，提出技術規格書數據。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，經詳細論計算，結合相關生產經驗，初步設計出錨固法蘭的結構形式和關鍵尺寸，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，采用通用有限元分析軟件MSC.MABC,按規格
任務書提出當量軸向推力，極限溫度變化等數據進行計算，得出應力分布云圖及集中應力的大小和部位，如圖2所示。并對應力進行線性化分析，對各應力分量進行分類校核，通過強度校核確保滿足強度要求。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，實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
《輸氣管道過程設計規范》中規定：當管道附件與管道采用焊接連接時，兩者材質應相同或相近。
管線鋼通常采用美國石油協會推出的API 51.～X70.控軋控冷生產，具有良好的抗動、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,但在實踐中因為該鋼種控軋控冷生產困難。在業內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，不僅先進可靠，還要適合國情，便于生產制造。綜合各方面技術因素，沒有選用與管線管同種材料鋼材，而選用改進型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，其優點在于焊前不預熱或
3 成形制造技術
錨固法蘭式受力復雜的重要固構件，質量要求極其嚴格。而塑性成形和熱處理時制造技術中兩個關鍵環節，只有通過充分的塑性變形和合理的熱處理才能使內部結構密實、晶粒細勻、分布合理，滿足使用性能要求。此外，熱加工過程對節材、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，輾環軋制成形需用大型輾環機，兩端高頸大法蘭輾軋時材料轉移量很大，輾環技術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，旋轉鍛造擴孔特點是鍛造擴孔非穩態局部成形，變形不均勻，為克服缺點采用了一些措施，其要點是科學合理地調控熱力學參數，比如,控制變形溫度范圍，控制壓下量，快速均勻轉動。只要變形足夠，熱力參數控制匹配合理，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，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。錨固法蘭成形過程如圖3所示。
實踐證明：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，就能鍛出合格的產品。但是效率較低，余量較大。對人工經驗依賴較大，安全隱患突出。
3.2 輾環機軋制方案
安裝大型輾環機，并實施大批量生產時可以應用該方案。該方案生產率極高，加工余量小，如果合理調控熱力學參數，可以實施控軋控冷，改善組織性能，進一步提高質量。選用濟南泉躍數控制造的數控立式輾環機如D51K-1500型，或臥式徑向輾環機D52K-2000型，臥式徑軸向輾環機D53K-2000型均可實現快速軋制生產的工藝要求。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，線性分布均勻，抗拉強度高。切成型一個環件只需幾十秒。
3.3 鑄鍛（軋）聯合成形方案
將鑄造和鍛壓兩工序聯合，利用優勢互補的成形機制，更快更好地制造產品。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、優勢互補，能夠提高效率和重量。對環件而言，鑄坯可以用離心澆鑄、電渣熔鑄環坯，中頻熔鑄環坯，再經過短時間的均熱，后輾擴（或鍛壓）成形。該方案工藝流程短、效率高、節能（熱能消耗小）、節材、成本低。只要將鑄坯熱成形的工藝參數調控得當，就可實現優質、高效、低成本的生產目標。
綜上所述：控制熱成形，短流程工藝都是先進的熱加工方法，有待繼續開發應用。
3.4 校形整徑技術
大型環件熱成形，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，或者液壓轉動校形裝置。我們泉躍數控公司目前采用對稱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
按照技術要求，為保證工件的綜合力學性能，錨固法蘭成形要求調質處理。由于電爐控溫性能最好，所以能保證熱處理質量，但在用電緊張情況下為了減少電能消耗，可以實行先在煤氣爐中預熱，再轉電爐控溫，即節約了電能，又保證了熱處理質量。
4 質量檢驗與使用性能試驗
錨固法蘭制成后還要進行多項質量檢查，比如力學性能、金相組織、無損探傷及著色檢測以確保制件的高質量。此外，為了保證錨固法蘭使用安全可靠，還要進行壓力彎曲試驗，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，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。該方案現場使用效果良好，值得推廣。
5 機械加工、防腐及包裝
根據技術要求,錨固法蘭熱處理之前要進行粗加工并作超聲波探傷。在成形、熱處理之后要進行精加工，包括精加工外形尺寸和焊接坡口進行必要的檢查，交付用戶前要進行防腐蝕處理，并包裝發運至使用現場與線路管道焊接，圖5為產品照片。
6 結論
6.1 理論計算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，改進型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，便于生產制造。
6.3 輾環機軋制方案是當前比較適用的錨固法蘭成形制造方案，隨著裝備、工藝技術的不斷提高，會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用的效驗手段，值得推廣。