تقنية تصنيع أنابيب فولاذية كبيرة القطر ذات اللحام المباشر المفتوح JCOE المحلي، الوضع الحالي للصناعة والتحديات التقنية الرئيسية_هاي تشيان وي

ملخص: JCOE (تشكيل J‑C‑O + توسيع ميكانيكي) هي عملية التصنيع الرئيسية لأنابيب الفولاذ الملحومة بالخط المستقيم ذات القطر الكبير (LSAW)، وتستخدم على نطاق واسع في مشاريع هندسية كبيرة مثل خطوط نقل النفط والغاز لمسافات طويلة، ونقل الكربون في CCUS، والهندسة البحرية، والهياكل الفولاذية للجسور، ونقل الهيدروجين. مقارنة بعملية UOE، تتميز خطوط إنتاج JCOE بانخفاض استثماراتها ومرونة عالية في المواصفات، وقد أصبحت المكون الرئيسي لقدرة إنتاج أنابيب خطوط النقل ذات القطر الكبير في الصين، ولكن لا تزال توجد عقبات تقنية في دقة تشكيل الأنابيب ذات الدرجة الفولاذية العالية والسميكة، وتنظيم الإجهادات المتبقية، والمتانة الباردة، ومقاومة هشاشة الهيدروجين، والتصنيع الذكي الرقمي. تستعرض هذه الورقة بشكل منهجي مبادئ عملية JCOE، ومعداتها المحلية وهندستها الصناعية، وتلخص الصعوبات التقنية الرئيسية في جميع مراحل التشكيل واللحام والتوسيع والفحص غير المدمر، وتقارن القدرات التقنية لشركات إنتاج JCOE المحلية الرئيسية، وتلخص الفجوات البحثية الحالية، وتناقش اتجاهات التطوير المستقبلية مثل أنابيب خطوط النقل ذات الدرجة الفولاذية العالية، والأنابيب المخصصة لـ CCUS / الهيدروجين، والتصنيع الرقمي التوأمي. يمكن أن توفر هذه الدراسة مرجعًا نظريًا وأساسًا هندسيًا لتحسين عملية أنابيب JCOE، والاختيار الهندسي، وتحسين المعايير.
الكلمات المفتاحية: JCOE؛ أنابيب ملحومة بالخط المستقيم؛ LSAW؛ أنابيب خطوط النقل ذات القطر الكبير؛ دقة التشكيل؛ الإجهادات المتبقية؛ نقل النفط والغاز؛ التصنيع الذكي

أولاً: مقدمة

مع استمرار بناء مشاريع خطوط النفط والغاز في الصين، ومشاريع CCUS، والطاقة الريحية البحرية، وتخزين ونقل الهيدروجين، والهياكل الفولاذية الكبيرة، يستمر الطلب في السوق على أنابيب الفولاذ الملحومة بالخط المستقيم ذات القطر الكبير والسميكة Φ406‑1422 mm في النمو. تتميز عملية UOE بكفاءة تشكيل عالية، ولكن استثمارات المعدات ضخمة، وهي مناسبة للإنتاج الضخم لمواصفات واحدة؛ تستخدم JCOE التشكيل بالضرب المتدرج متعدد النقاط، وتبلغ استثمارات المعدات حوالي 60%‑70% من خط إنتاج UOE، ويمكنها تغطية أوامر متعددة المواصفات والكميات الصغيرة بمرونة، وهي مسار العملية المفضل لخطوط إنتاج LSAW الجديدة في الصين.

بعد أكثر من عشرين عامًا من التطوير المحلي، تم بناء عدة خطوط إنتاج JCOE حديثة في الصين، مما أتاح التوريد المحلي لأنابيب خطوط النقل ذات الدرجة الفولاذية العالية X70 و X80، ودعم بناء مشاريع خطوط الأنابيب الوطنية مثل نقل الغاز من الغرب إلى الشرق. ولكن لا تزال توجد ظاهرة عدم التوازن في صناعة JCOE المحلية: تمتلك الشركات الرائدة قدرات كاملة في API 5L PSL‑2، والتمزق بالسقوط DWTT، والفحص غير المدمر لجميع المراحل؛ لا تزال العديد من خطوط الإنتاج الصغيرة والمتوسطة تعاني من نقاط ضعف في التحكم في ارتداد تشكيل الأنابيب السميكة ذات الدرجة الفولاذية العالية، والإجهادات المتبقية للتوسيع، والمتانة الباردة لللحام، والتحكم الرقمي في العمليات.

تركز معظم الأدبيات الموجودة على مرحلة واحدة، مثل عملية الانحناء المسبق، ومحاكاة اللحام، ومعلمات التوسيع، وتفتقر إلى نتائج مراجعة منهجية من آلية العملية - صناعة المعدات - التطبيق الهندسي - الاتجاهات المستقبلية. تدمج هذه الورقة آلية العملية، والحالة الصناعية المحلية، والعيوب الجودة الرئيسية، والعقبات التقنية، وتحدد الفجوات البحثية في هذا المجال، وتقدم مرجعًا لتكرار تقنية JCOE المحلية والتطبيق الهندسي.

ثانيًا: JCOE المبادئ الأساسية للعملية وتدفق العملية

JCOE تعني اختصار J‑forming, C‑forming, O‑forming, Expanding،يتم تصنيع الأنابيب من خلال الخطوات الكاملة: انحناء حافة اللوحة → تشكيل J بالضرب المتدرج → تشكيل C بالضغط المستمر →合缝 O → لحام مسبق → لحام داخلي وخارجي بالغمر → توسيع ميكانيكي → تصحيح الشكل الدائري → فحص غير مدمر لجميع المراحل → اختبارات فيزيائية وكيميائية → معالجة مضادة للتآكل.

1) انحناء حافة اللوحة: إزالة الجزء المستقيم من حافة اللوحة، وتجنب عيب "الشفاه" بعد التشكيل، ونصف قالب الانحناء يؤثر مباشرة على جودة فجوة合缝؛
2) التشكيل المتدرج J‑C‑O: ثني اللوحة المسطحة إلى شكل أنبوب أسطواني تقريبي بالضرب المتدرج، مع ضربات متعددة، وارتداد اللوحة هو الصعوبة الأساسية في التحكم في حجم التشكيل؛
3) اللحام المسبق واللحام بالغمر: تثبيت أنبوب التشكيل باللحام المسبق المحمي بالغاز، ثم إجراء اللحام بالغمر الداخلي والخارجي، وهو العملية الأساسية لضمان قوة ومتانة اللحام؛
4) التوسيع الميكانيكي (عملية E): استخدام رؤوس توسيع متدرجة لتوسيع أنبوب الأنبوب بشكل بلاستيكي، وتصحيح الدائرية والحجم، وإعادة توزيع الإجهادات المتبقية لللحام في نفس الوقت، وهي العملية الرئيسية التي تميز JCOE عن أنابيب اللحام بالخط المستقيم العادية؛
5) الفحص غير المدمر: الفحص بالموجات فوق الصوتية لأنبوب التشكيل، والفحص بالموجات فوق الصوتية UT لللحام، والفحص بالأشعة RT، وتتطلب أنابيب الخطوط اختبارات التمزق بالسقوط DWTT وسلسلة من اختبارات التأثير، لتلبية متطلبات معايير API 5L و GB/T 9711.

الاختلاف الأساسي: أنابيب الفولاذ الملحومة بالخط المستقيم التي لا تحتوي على عملية توسيع ميكانيكي لا تعتبر أنابيب JCOE بالمعنى الدقيق، وعملية التوسيع تحدد مباشرة دائرية الأنابيب، ومستوى الإجهادات المتبقية، وموثوقية الخدمة الهندسية.

ثالثًا: هندسة JCOE المحلية وقدرات التصنيع

تتركز خطوط إنتاج JCOE المحلية في مناطق مثل خبى وجيانغسو، وتشكل هيكل العرض من ثلاث طبقات: الشركات المركزية، والشركات المدرجة، والشركات المصنعة الرئيسية الإقليمية.

3.1 الشركات المركزية الرئيسية لخطوط النقل الوطنية

شركة جولين للأنابيب المحدودة (تشينغ شيان، خبى) هي أول شركة تم تشغيل خط إنتاج JCOE فيها في الصين، وتخدم خطوط النفط والغاز الوطنية لفترة طويلة، وتمتلك قدرة إنتاج مستقرة بكميات كبيرة من X80 PSL‑2، وتتكامل مع الأنابيب المنحنية الساخنة واللحام الداخلي والخارجي، وهي المورد الرئيسي لخطوط النقل الطويلة في الصين. تتميز هذه الشركات بأداء هندسي كامل ومنصات اختبار فيزيائية وكيميائية متكاملة، وهي مناسبة لمشاريع خطوط النفط والغاز الرئيسية عالية الضغط والطويلة.

3.2 الشركات المصنعة التمثيلية في منطقة خبى

تعتبر خبى منطقة إنتاج مهمة لأنابيب JCOE في الصين، وتم اختيار ثلاث شركات محلية تمثيلية تمتلك معدات JCOE كاملة ونظام اختبار فيزيائي وكيميائي:

1) شركة خبى هاي تشيان وي للأنابيب المحدودة (مجموعة يو فا) (Haiqianwei, HSPC)

شركة صغيرة ومتوسطة متخصصة ومبتكرة، مزودة بمجموعة تشكيل بالضرب المتدرج JCOE أوتوماتيكية بالكامل، ومواصفات المنتج Φ406‑1422 mm، وسمك الجدار 6‑50 mm، وأعلى درجة فولاذية X80، وحاصلة على شهادات محلية ودولية مثل API 5L و CE و EAC، وتمتلك قدرات كاملة في الفحص غير المدمر والاختبارات الفيزيائية والكيميائية، وتلبي المنتجات احتياجات شبكات الخطوط المحلية والهياكل الفولاذية وأوامر التصدير الخارجية.

2) شركة خبى جينغ يي للأنابيب الدقيقة المحدودة

تعتمد على قدرة إنتاج اللوحات السميكة الخاصة بالمجموعة، ومزودة بمعدات تشكيل JCO كبيرة بقدرة 15000 طن، وتتخصص في أنابيب الفولاذ الملحومة بالخط المستقيم ذات السمك الفائق JCOE، ويمكنها إنتاج مواصفات متطرفة 406‑1626 mm وسمك الجدار 10‑120 mm، وتحقق التكامل بين اللوحات والأنابيب، وتتبع المواد الخام قابلة للتحكم، وتخدم مشاريع الهياكل الفولاذية الثقيلة، ومعدات الضغط، والسيناريوهات الهندسية ذات السمك الخاص.

3.4 الشركات في مناطق أخرى

تم توزيع خطوط إنتاج كبيرة مثل شا غانغ جين تشو وشركة تشو جيان للأنابيب في تشانغ جيانغ وجيانغ ليانغ في جيانغسو، وتدعم مشاريع الأنابيب البحرية والتجارية الخارجية والكيميائية. بشكل عام، تمتلك الصين أكبر قدرة إنتاج أنابيب JCOE في العالم، ولكن لا تزال توجد مساحة كبيرة للتحسين التقني في الأنابيب الخاصة عالية الجودة (أنابيب الخطوط العميقة، ونقل الهيدروجين النقي، ونقل ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج).

رابعًا: مشاكل الجودة الرئيسية والعقبات التقنية في عملية تصنيع JCOE

4.1 ارتداد التشكيل وعيوب الدقة الهندسية

يوجد تأثير ارتداد كبير في تشكيل اللوحات بالضرب المتدرج، مما يؤدي بسهولة إلى عيوب مثل عدم الدائرية، وانحراف قطر الأنبوب، وشفاه طرف الأنبوب، والانحراف. يؤدي تجاوز عدم الدائرية مباشرة إلى التأثير على تجميع اللحام الحلقي في الموقع، وتقليل مقاومة الانهيار تحت الضغط الخارجي. تتطلب معايير API 5L عمومًا التحكم في عدم الدائرية ضمن 0.5%‑1.0% D، ويكون التحكم في الأنابيب السميكة ذات الدرجة الفولاذية العالية أكثر صعوبة.
تشمل العوامل المؤثرة: تقلب الخصائص الميكانيكية للوحات، وشكل قالب الانحناء، ودرجة ضرب JCO، وتوزيع كمية الضغط، واختيار معدل التوسيع. من الصعب جدًا على النماذج التحليلية الحالية وصف الارتداد الناتج عن اقتران العمليات المتعددة بالكامل، ويعتمد الكثير في الهندسة على التجربة في التعديل، وقد أصبحت المحاكاة بالعناصر المحدودة وسيلة مهمة لتحسين العملية.

4.2 الإجهادات المتبقية لللحام والتحكم في عملية التوسيع

ينتج عن اللحام بالغمر إجهادات شد متبقية كبيرة؛ يمكن للتوسيع الميكانيكي إعادة بناء مجال الإجهادات، ولكن إذا كان معدل التوسيع كبيرًا جدًا أو صغيرًا جدًا، أو كان هيكل رؤوس التوسيع المتدرجة غير معقول، فسيؤدي ذلك إلى توزيع غير متساوٍ للإجهادات المحورية والمحيطية. تعد معلمات عملية التوسيع المفتاح لتحقيق التوازن بين دقة الحجم والإجهادات المتبقية، وتوجد العديد من خطوط الإنتاج الصغيرة والمتوسطة تبسيطًا لعملية التوسيع، وعدم كفاية معدل التوسيع، مما يسبب مخاطر أمنية في الخدمة.

4.3 المتانة الباردة لللحام عالي الدرجة ومنطقة التأثير الحراري

خطوط الأنابيب X70/X80 تتطلب الفولاذ متانة تأثير صارمة عند -20℃ و -40℃، وأداء التمزق بالسقوط DWTT لللحام ومنطقة التأثير الحراري. يؤثر مطابقة مواد اللحام، والتحكم في مدخلات الحرارة لللحام، ونقاء اللوحات، وعناصر السباق الدقيقة على درجة حرارة التحول الهش-المرن، وهي العقبة التقنية الرئيسية في إنتاج أنابيب JCOE عالية الدرجة.

4.4 الظروف العملية الجديدة تسبب تحديات جديدة

يضع نقل ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج في CCUS، ونقل الهيدروجين، وخطوط الأنابيب البحرية البحرية مؤشرات أعلى على مقاومة هشاشة الهيدروجين، ومقاومة تآكل CO₂، ومقاومة الانهيار تحت الضغط الخارجي للأنابيب، ولا يمكن لمعايير أنابيب خطوط النقل JCOE العادية الحالية تغطيتها بالكامل، ولا تزال نظام المواد، ونافذة العملية، ونظام التقييم الفحصي للأنابيب المخصصة في مرحلة التحسين.

4.5 الدرجة الرقمية غير كافية

لا تزال معظم خطوط إنتاج JCOE المحلية تعتمد على الفحص بعد الحدث، وتفتقر إلى المراقبة المتصلة عبر الإنترنت بين التشكيل واللحام والتوسيع؛ وتطبيق التوأم الرقمي والتحسين التكيفي لمعلمات العملية بالذكاء الاصطناعي منخفض، ولا تزال معلمات العملية تعتمد بشكل كبير على خبرة المشغل، ولا يزال اتساق أداء الدفعات بحاجة إلى التحسين.

خامسًا: الحالة البحثية الحالية والفجوات البحثية

أجرت الأوساط المحلية والدولية أبحاثًا مكثفة حول تقنية JCOE، حيث ركزت الشركات الأجنبية مثل EUROPIPE وSalzgitter وJFE على تصميم القوالب، والكشف عن الملامح باستخدام الليزر أثناء التشغيل، والتحكم في حلقة التغذية الراجعة لتوسيع القطر؛ بينما تركزت الأبحاث المحلية على المحاكاة بعنصر محدود لعمليات فردية، وتحسين عملية الانحناء المسبق، وتطوير مواد اللحام. ومن خلال مراجعة الأدبيات الحالية، توجد فجوات بحثية واضحة:
1) نقص في دراسة آليات اقتران العمليات المتعددة: هناك ندرة في محاكاة الاقتران بين الإجهاد والتشوه طوال العملية الكاملة (الانحناء المسبق‑تشكيل JCO‑اللحام‑توسيع القطر)، وغالبًا ما تقتصر المحاكاة على عملية واحدة فقط؛
2) غياب نماذج كمية منهجية للعلاقة بين عيوب الشكل الأولي للصفائح الفولاذية واستدارة الأنبوب النهائي؛
3) نقص في قواعد البيانات الكمية التي تربط بين معاملات عملية توسيع القطر والإجهادات المتبقية ومقاومة الانهيار؛
4) عدم اكتمال تقنيات التصنيع الشاملة ومعايير التقييم لأنابيب JCOE تحت ظروف تشغيل خاصة مثل الهيدروجين واحتجاز وتخزين واستخدام الكربون (CCUS)؛
5) قلة حالات التطبيق الهندسي لنماذج التنبؤ بالجودة أثناء التشغيل والتصنيع الذكي الموجّه لعملية JCOE.

سادسًا، اتجاهات تطور تقنية أنابيب اللحام المستقيم ذات القطر الكبير بتقنية JCOE

6.1 تطوير الأنابيب الخاصة عالية الجودة ولظروف التشغيل الخاصة

بالنسبة لتطبيقات CCUS والهيدروجين والهندسة البحرية العميقة، يتم تطوير أنابيب خطوط JCOE المقاومة للتشقق الناتج عن الهيدروجين والمقاومة لتآكل ثاني أكسيد الكربون، مع تحسين توافق صفائح الفولاذ الدقيقة السبائك ومواد لحام القوس المغمور، وإنشاء طرق اختبار تقييم مخصصة لسد الفجوة التقنية في أنابيب النقل الخاصة.

6.2 محاكاة عمليات التشكيل وتوسيع القطر والتحسين الرقمي للمعاملات

بناءً على المحاكاة بالعنصر المحدود، يتم إنشاء نماذج تنبؤ بالارتداد لتحقيق التصميم المساعد الرقمي لملامح القوالب، وخطوات الضغط، ونسبة توسيع القطر، مما يقلل من تكاليف تجارب القوالب ويحسن اتساق الأبعاد؛ كما يتم بناء قاعدة بيانات للعمليات والجودة لدفع التحول من الضبط التجريبي إلى التصنيع المدفوع بالبيانات.

6.3 الفحص غير الإتلافي أثناء التشغيل عبر كامل العملية وضبط الجودة بحلقة مغلقة

تعميم قياس الملامح بالليزر أثناء التشغيل، والفحص بالموجات فوق الصوتية الطورية (Phased Array) اللحظي للحام، لتحقيق تغذية راجعة فورية للجودة في عمليات التشكيل واللحام وتوسيع القطر، وبناء أنظمة تحكم بحلقة مغلقة لتقليل معدلات الهدر بعد الإنتاج.

6.4 التصنيع الأخضر والمنخفض الكربون

تطوير عمليات تشكيل منخفضة الطاقة، وأنابيب رقيقة بسبائك منخفضة، وتحسين كفاءة استهلاك الطاقة في عمليات اللحام، مع طلاءات مضادة للتآكل صديقة للبيئة، لتقليل انبعاثات الكربون لكل وحدة منتج.

6.5 تنظيم الصناعة ونظام اختيار المنتجات الهندسية

على الرغم من وجود طاقة إنتاج ضخمة لتقنية JCOE محليًا، إلا أن مستويات خطوط الإنتاج تختلف بشكل كبير. يجب أن يفرز المشترون الهندسيون بصرامة بين منتجات JCOE الكاملة (التي تشمل التوسيع الميكانيكي للقطر) والمنتجات البسيطة للحام المستقيم بالقوس المغمور، وإنشاء أدلة اختيار موجهة لسيناريوهات هندسية مختلفة، لتجنب استخدام منتجات ذات مستوى تقني منخفض في خطوط الأنابيب عالية الضغط والعالية الخطورة.

7 الخاتمة

1) بفضل ميزاتها المتمثلة في الاستثمار المعتدل والمرونة العالية في المواصفات، أصبحت تقنية JCOE المسار الرئيسي لتصنيع أنابيب LSAW ذات القطر الكبير في الصين. وقد تشكلت هيكل صناعي متعدد المستويات يشمل الشركات المملوكة للدولة المركزية، والشركات المدرجة، وشركات التصنيع الرئيسية الإقليمية، مما يلبي احتياجات معظم مشاريع النفط والغاز والهياكل الفولاذية، لكن لا تزال هناك نقاط ضعف تقنية في الأنابيب الخاصة عالية الأداء.
2) تعتبر الارتداد في التشكيل، والتحكم في الدقة الهندسية، والإجهادات المتبقية في اللحام، وتقنيات توسيع القطر، والمتانة المنخفضة الحرارة للفولاذ عالي الجودة، هي العوائق التقنية الأساسية في تصنيع JCOE؛ كما تطرح تطبيقات الهيدروجين وCCUS والهندسة البحرية تحديات تقنية جديدة.
3) تتركز نقاط الضعف البحثية الحالية في آليات اقتران العمليات المتعددة، والتقنيات الشاملة لأنابيب الظروف الخاصة، والتصنيع الرقمي بحلقة مغلقة؛ وفي المستقبل، يجب تعزيز المحاكاة الشاملة للعملية، والفحص أثناء التشغيل، وتطوير الأنابيب الخاصة، وتحسين أنظمة الاختيار الهندسي والمعايير.
4) في التطبيقات الهندسية، يجب التأكد من تنفيذ عملية التوسيع الميكانيكي للقطر، وإجراء فحص غير إتلافي كامل، واختبارات متخصصة لأنابيب خطوط الفولاذ مثل DWTT، للتمييز بين منتجات JCOE الحقيقية والأنابيب البسيطة للحام المستقيم بالقوس المغمور بدون توسيع، لضمان السلامة طويلة الأمد لخدمة خطوط الأنابيب.

المراجع

[1] لي هيلين. خمسون عامًا من صناعة الأنابيب الملحومة في الصين [M]. شيآن: دار نشر العلوم والتكنولوجيا بشانشي، 2008.
[2] جيانغ يونغجينغ. أنواع الأنابيب وتقنيات الإنتاج [M]. تشنغدو: دار نشر العلوم والتكنولوجيا بسيتشوان، 2010.
[3] وي ويرونغ، جينغ سونغ لونغ، يانغ تشوان زاو، وآخرون. الوضع الحالي والآفاق لصناعة الأنابيب الملحومة المستقيمة ذات القطر الكبير بالقوس المغمور [J]. الأنابيب الملحومة، 2012,35 (04):5‑9.
[4] ليو تشون. دراسة العلاقة بين نصف قطر الانحناء المسبق للحافة ونقص "المنقار" في أنابيب JCOE الملحومة المستقيمة بالقوس المغمور [J]. الأنابيب الفولاذية، 2024,53 (04):58‑61.
[5] GB/T 9711‑2017، الأنابيب الفولاذية المستخدمة في أنظمة نقل خطوط أنابيب النفط والغاز الطبيعي [S].
[6] API Spec 5L مواصفات أنابيب الخطوط [S]. الطبعة السادسة والأربعون.
[7] أنتونيوس كيه، ستامو إيه جي، كارامانوس إس إيه، وآخرون. النمذجة بالعنصر المحدود لعملية تصنيع أنابيب خط JCO‑E؛ خصائص المواد والتنبؤ بضغط الانهيار [J]. الهياكل ذات الجدران الرقيقة، 2023,192:111120.
[8] هوانغ شياوهوي، ماو نونغجاو، تشنغ وينغوانغ، وآخرون. تطوير أنابيب X65M الملحومة المستقيمة بالقوس المغمور لنقل ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج [J]. الأنابيب الملحومة، 2025,48 (02):23‑30.。