Resumen: El proceso JCOE (conformado J-C-O + expansión mecánica) es el principal proceso de fabricación de tuberías de acero de gran diámetro para soldadura por arco sumergido (LSAW), ampliamente utilizado en importantes campos de ingeniería como oleoductos y gasoductos de larga distancia, captura y transporte de carbono (CCUS), ingeniería naval, estructuras de acero para puentes y transporte de energía de hidrógeno. En comparación con el proceso UOE, las líneas de producción JCOE requieren menor inversión y ofrecen mayor flexibilidad en las especificaciones, convirtiéndose en el pilar de la capacidad de producción de tuberías de acero de gran diámetro en nuestro país. Sin embargo, aún existen limitaciones técnicas en cuanto a la precisión del conformado, el control de las tensiones residuales, la tenacidad a bajas temperaturas, la resistencia a la fragilización por hidrógeno y la fabricación digital inteligente de tuberías de pared gruesa de alta calidad. Este artículo revisa sistemáticamente el principio del proceso JCOE, los equipos nacionales y el panorama industrial, resume las principales dificultades técnicas en todo el proceso de conformado, soldadura, expansión y ensayos no destructivos, compara las capacidades técnicas de los principales fabricantes nacionales de JCOE, resume las lagunas de investigación actuales y analiza las futuras líneas de desarrollo, como tuberías de alta gama, tuberías especiales para energía CCUS/hidrógeno y fabricación de gemelos digitales. Esta investigación puede proporcionar una referencia teórica y una base de ingeniería para la optimización del proceso de tuberías de acero JCOE, la selección de ingeniería y la mejora de estándares.
Palabras clave: JCOE; tubería soldada por arco sumergido de costura recta; LSAW; tubería de acero para oleoductos de gran diámetro; precisión de conformado; tensión residual; transporte de petróleo y gas; fabricación inteligente
I. Introducción
Con la continua construcción de oleoductos y gasoductos, proyectos de captura, utilización y almacenamiento de carbono (CCUS), energía eólica marina, almacenamiento y transporte de hidrógeno y grandes proyectos de estructuras de acero en mi país, la demanda del mercado de tuberías de acero soldadas por arco sumergido de gran diámetro y pared gruesa (Φ406-1422 mm) sigue creciendo. El proceso UOE tiene una alta eficiencia de conformado, pero requiere una gran inversión en equipos y es adecuado para la producción en grandes volúmenes de especificaciones únicas. JCOE adopta un proceso de conformado por estampado multipunto paso a paso, con una inversión en equipos que es aproximadamente del 60 % al 70 % de la de una línea de producción UOE. Puede cubrir de forma flexible múltiples especificaciones y pedidos de lotes pequeños, lo que lo convierte en la ruta de proceso preferida para las nuevas líneas de producción LSAW en China.
Tras más de 20 años de desarrollo y localización, China ha construido múltiples líneas de producción modernas de JCOE, logrando el suministro nacional de tuberías de alta resistencia X70 y X80, lo que ha permitido la construcción de proyectos de oleoductos de nivel nacional, como el Gasoducto Oeste-Este. Sin embargo, la industria nacional de JCOE aún presenta desequilibrios: las empresas líderes poseen capacidades completas en API 5L PSL-2, pruebas de impacto con martillo de caída DWTT y ensayos no destructivos de proceso completo; mientras que muchas líneas de producción pequeñas y medianas tienen deficiencias en áreas como el control de la recuperación elástica durante el conformado de alta resistencia de paredes gruesas, la tensión residual durante la expansión del diámetro, la tenacidad a baja temperatura de las soldaduras y la gestión digital de procesos.
La literatura existente se centra principalmente en aspectos puntuales, como los procesos de precurvado, la simulación de soldadura y los parámetros de expansión del diámetro, careciendo de revisiones sistemáticas que abarquen los mecanismos del proceso, la industria de equipos, las aplicaciones de ingeniería y las perspectivas futuras. Este artículo integra los mecanismos del proceso, el estado actual de la industria nacional, los principales defectos de calidad y los obstáculos tecnológicos, aclarando las lagunas de investigación en este campo y proporcionando una referencia para la iteración tecnológica y la aplicación de ingeniería del JCOE en China.
II. Principios básicos y flujo de procesos de la tecnología JCOE
JCOE significa conformado en J, conformado en C, conformado en O y expansión . El proceso comprende el precurvado de los bordes de la placa de acero, el estampado paso a paso en forma de J, el prensado continuo en forma de C, la unión de costuras en forma de O, la presoldadura, la soldadura por arco sumergido interna y externa, la expansión mecánica del diámetro, el redondeo y el enderezamiento, las pruebas no destructivas de todo el proceso, las pruebas físicas y químicas y el tratamiento anticorrosión para completar el proceso de fabricación de la tubería de acero.
1) Precurvado de los bordes de la placa: Elimina las secciones de borde recto de las placas de acero para evitar defectos de abombamiento después del conformado. El radio de la matriz de precurvado afecta directamente la calidad de la junta.
2) Conformado por etapas J-C-O: La placa plana se dobla para formar un tubo cilíndrico aproximado mediante estampado segmentado por etapas. La recuperación elástica de la placa de acero es la principal dificultad para controlar el tamaño del conformado.
3) Pre-soldadura y soldadura por arco sumergido: La pre-soldadura con protección gaseosa fija el tubo en bruto, seguida de la soldadura por arco sumergido interna y externa, que es el proceso fundamental para garantizar la resistencia y la tenacidad de la soldadura.
4) Expansión mecánica (proceso E): El cuerpo del tubo se expande plásticamente mediante un cabezal de expansión segmentado para corregir la redondez y las dimensiones, a la vez que se redistribuyen las tensiones residuales de la soldadura. Este es el proceso clave que distingue a los tubos JCOE de los tubos soldados con costura recta convencionales.
5) Ensayos no destructivos: Para el acero de tuberías se requieren ensayos ultrasónicos de placas de acero en bruto, ensayos ultrasónicos UT y ensayos radiográficos RT de soldaduras, así como ensayos de impacto en serie y de impacto por caída DWTT, que cumplan con los requisitos de las normas API 5L y GB/T 9711.
Diferencia clave: Las tuberías soldadas por arco sumergido con costura recta, sin expansión mecánica del diámetro, no son estrictamente tuberías de acero JCOE. El proceso de expansión del diámetro determina directamente la redondez de la tubería de acero, el nivel de tensión residual y la fiabilidad de su uso en ingeniería.
III. Panorama de la industria nacional de JCOE y capacidades de fabricación
Las líneas de producción de JCOE en China se concentran en Hebei, Jiangsu y otras regiones, formando una estructura de suministro de tres niveles compuesta por empresas centrales, empresas cotizadas y empresas manufactureras regionales clave.
3.1 Empresas estatales centrales como empresas líderes nacionales en la construcción de oleoductos
Julong Steel Pipe Co., Ltd. (condado de Qingxian, provincia de Hebei) fue la primera empresa en China en establecer una línea de producción JCOE. Con una larga trayectoria al servicio de las principales líneas de oleoductos y gasoductos nacionales, posee una capacidad de producción estable y a gran escala para tuberías X80 PSL-2. Además, ofrece tuberías dobladas en caliente y protección integral contra la corrosión interna y externa, lo que la convierte en un proveedor clave para oleoductos y gasoductos de larga distancia en China. Las ventajas de estas empresas radican en su amplia experiencia en ingeniería y sus completas plataformas de ensayos físicos y químicos, lo que las hace idóneas para proyectos de oleoductos y gasoductos de alta presión y larga distancia.
3.2 Empresas integradas de tuberías cotizadas
Shagang Jinzhou Pipeline y Zhujiang Steel Pipe poseen unidades de conformado JCOE importadas y cuentan con una completa oferta de chapa de acero. Están certificadas por las sociedades de clasificación DNV y ABS para proyectos de ingeniería marítima y exportación, y pueden producir tuberías bimetálicas compuestas de costura recta. Cuentan con amplia experiencia en el suministro a proyectos de petróleo y gas en el extranjero y atienden los mercados de comercio exterior, oleoductos marítimos y oleoductos para fluidos químicos.
3.3 Empresas manufactureras representativas en la región de Hebei
Hebei es una importante zona de producción de tuberías de acero JCOE en China. Se seleccionaron tres empresas locales representativas que cuentan con equipos JCOE completos y sistemas de pruebas físico-químicas:
1 ) Hebei Haiqianwei Steel Pipe Co., Ltd. ( Grupo Youfa )
Como una empresa especializada e innovadora de tamaño mediano, contamos con una unidad de conformado por estampado JCOE totalmente automatizada. Nuestras especificaciones de producto abarcan diámetros de 406 a 1422 mm, espesores de pared de 6 a 50 mm y acero de grado X80. Hemos obtenido certificaciones nacionales e internacionales como API 5L, CE y EAC. Disponemos de capacidades completas para ensayos no destructivos y análisis físico-químicos. Nuestros productos se destinan a redes de oleoductos nacionales, estructuras de acero y exportaciones internacionales.
2 ) Hebei Aolande Steel Pipe Co., Ltd.
Equipada con líneas de producción completas de conformado JCOE, soldadura por arco sumergido y expansión mecánica de diámetro, la gama de productos abarca diámetros de Φ406 a 1422 mm y espesores de pared de 7 a 40 mm. Puede producir en masa acero para tuberías X42-X80 y tuberías estructurales de la serie Q345, cumpliendo con las normas GB/T9711 y API 5L. Estos productos se utilizan principalmente en oleoductos y gasoductos, transporte de lodos y proyectos de estructuras de acero para puentes.
3 ) Hebei Jingye Precision Tube Manufacturing Co., Ltd.
Aprovechando la capacidad de producción de chapa gruesa del grupo y equipada con una unidad principal de conformado JCO a gran escala de 15 000 toneladas, la empresa se centra en la producción de tubos de acero soldados por arco sumergido con costura recta JCOE de paredes ultragruesas. Puede alcanzar especificaciones extremas de 406 a 1626 mm y espesores de pared de 10 a 120 mm, integrando la fabricación de chapa y tubos de acero y garantizando la trazabilidad y el control de las materias primas. Está orientada a estructuras de acero pesadas, soportes para recipientes a presión y aplicaciones especiales de ingeniería que requieren paredes gruesas.
3.4 Empresas en otras regiones
En Zhangjiagang y Lianyungang, provincia de Jiangsu, se han establecido líneas de producción a gran escala, como Shagang Jinzhou y Zhujiang Steel Pipe, para dar soporte a proyectos de ingeniería marítima, comercio exterior y oleoductos químicos. En general, China ya cuenta con la mayor capacidad de producción de tuberías de acero JCOE del mundo, pero aún existe un margen considerable para la mejora tecnológica en tuberías especiales de alta gama (oleoductos submarinos, transporte de hidrógeno puro y tuberías para el transporte de CO₂ supercrítico).
IV. Problemas clave de calidad y cuellos de botella técnicos en el proceso de fabricación de JCOE
4.1 Defectos de recuperación elástica y precisión geométrica en el moldeo
El proceso de estampado por etapas para chapas de acero presenta un importante efecto de recuperación elástica, lo que puede provocar defectos como ovalización, desviación del diámetro de la tubería, abultamiento de los extremos y desalineación. Una ovalización excesiva afecta directamente al ensamblaje de soldadura circunferencial en obra y reduce la resistencia a la presión externa. La norma API 5L generalmente exige un control de ovalización del 0,5 % al 1,0 % D, lo que resulta aún más difícil de lograr en aceros de alta calidad y paredes gruesas.
Entre los factores que influyen se incluyen: las fluctuaciones en las propiedades mecánicas de la chapa de acero, el perfil de la matriz de precurvado, la distancia entre pasos de prensado JCO, la distribución de la cantidad de reducción y la selección de la relación de expansión del diámetro. Los modelos analíticos existentes tienen dificultades para describir completamente el efecto de recuperación elástica acoplado de múltiples procesos, y las prácticas de ingeniería dependen en gran medida de ajustes basados en la experiencia. La simulación por elementos finitos se ha convertido en una herramienta importante para la optimización de procesos.
4.2 Control del proceso de tensiones residuales de soldadura y expansión del diámetro
La soldadura por arco sumergido genera importantes tensiones residuales. La expansión mecánica del diámetro puede recomponer el campo de tensiones, pero una relación de expansión excesiva o insuficiente, o una estructura de cabezal de expansión segmentada inadecuada, puede provocar una distribución desigual de las tensiones axiales y circunferenciales. Los parámetros del proceso de expansión son cruciales para equilibrar la precisión dimensional y las tensiones residuales. Muchas líneas de producción pequeñas y medianas sufren de procesos de expansión simplificados y relaciones de expansión insuficientes, lo que supone riesgos potenciales para la seguridad durante su funcionamiento.
4.3 Tenacidad a bajas temperaturas de soldaduras de acero de alta calidad y zonas afectadas por el calor.
El acero para tuberías X70/X80 tiene requisitos estrictos en cuanto a la soldadura, la tenacidad al impacto a -20 °C y -40 °C en la zona afectada por el calor, y la resistencia al desgarro mediante la prueba de impacto con martillo de caída DWTT. La compatibilidad del material de soldadura, el control del aporte térmico durante la soldadura, la pureza de la chapa de acero y los elementos de microaleación influyen en la temperatura de transición dúctil-frágil, lo que representa los principales obstáculos técnicos en la producción de tuberías JCOE de alta calidad.
4.4 Las nuevas condiciones de funcionamiento plantean nuevos desafíos.
El transporte de dióxido de carbono supercrítico (CCUS), el transporte de hidrógeno y los gasoductos submarinos de aguas profundas han impuesto mayores exigencias a los materiales de las tuberías en cuanto a su resistencia a la fragilización por hidrógeno, la corrosión por CO₂ y el colapso por presión externa. Las normas convencionales JCOE vigentes para gasoductos no cubren completamente estos requisitos, y el sistema de materiales, el rango de procesos y el sistema de pruebas y evaluación para materiales de tuberías especializados aún están en desarrollo.
4.5 Nivel insuficiente de digitalización
La mayoría de las líneas de producción de JCOE en China aún dependen principalmente de la inspección posterior a la producción, careciendo de un monitoreo en línea de circuito cerrado para el conformado, la soldadura y la expansión del diámetro. La aplicación de gemelos digitales y la optimización adaptativa de parámetros de proceso basada en IA es baja, y los parámetros de proceso aún dependen en gran medida de la experiencia del operador, lo que genera la necesidad de mejorar la consistencia del rendimiento de los lotes.
V. Estado actual de la investigación y lagunas en la misma
Se han realizado extensas investigaciones experimentales y de simulación tanto a nivel nacional como internacional sobre JCOE: a nivel internacional, EUROPIE, Salzgitter y JFE se centran en el diseño de moldes, la detección láser de contornos en línea y el control de bucle cerrado de expansión de diámetro; la investigación nacional se concentra en la simulación de elementos finitos de un solo proceso, la optimización del proceso de precurvado y el desarrollo de materiales de soldadura. Según la literatura existente, existe una importante brecha de investigación.
1) Investigación insuficiente sobre el mecanismo de acoplamiento de múltiples procesos: Hay pocas simulaciones del acoplamiento tensión-deformación en todo el proceso de pre-doblado-formación JCO-soldadura-expansión de diámetro, y la mayoría de ellas solo simulan un único proceso.
2) Existe una falta de un modelo sistemático para la relación cuantitativa entre los defectos de forma originales de la placa de acero y la redondez del tubo de acero final;
3) Base de datos cuantitativa insuficiente sobre la relación entre los parámetros del proceso de expansión del diámetro y la tensión residual y la resistencia al colapso;
4) El proceso de fabricación completo y los estándares de evaluación para las tuberías de acero JCOE bajo condiciones especiales de trabajo de energía de hidrógeno y CCUS aún no están completos;
5) Existen relativamente pocos casos de implementación de ingeniería de fabricación inteligente y modelos de predicción de calidad en línea para procesos JCOE.
VI. Tendencias de desarrollo de la tecnología de tuberías de acero soldadas por arco sumergido con costura recta de JCOE
6.1 Desarrollo de tuberías de acero de alta calidad para condiciones de trabajo especiales
Centrándonos en la captura, utilización y almacenamiento de carbono (CCUS), la energía del hidrógeno y la ingeniería de aguas profundas, desarrollaremos tuberías JCOE resistentes al agrietamiento inducido por hidrógeno y a la corrosión por CO₂ , optimizaremos la combinación de placas de acero microaleado y materiales de soldadura por arco sumergido, estableceremos métodos de evaluación y ensayo específicos y subsanaremos la brecha tecnológica en tuberías de transporte especiales.
6.2 Simulación y optimización digital del proceso de moldeo por expansión
Se establece un modelo de predicción de recuperación elástica basado en la simulación de elementos finitos para lograr un diseño auxiliar digital del contorno del molde, el paso de prensado y la relación de expansión, reducir los costos de moldeo de prueba y mejorar la consistencia dimensional; se crea una base de datos de calidad del proceso para promover la transformación de la depuración basada en la experiencia a la fabricación basada en datos.
6.3 Ensayos no destructivos en línea de proceso completo y control de calidad de circuito cerrado
Promover la medición láser de contornos en línea y la detección ultrasónica de matrices de fase en tiempo real de las soldaduras para lograr una retroalimentación en línea sobre la calidad de los procesos de conformado, soldadura y expansión de diámetro, construir un sistema de control de circuito cerrado y reducir la tasa de desperdicio después del proceso.
6.4 Fabricación ecológica y con bajas emisiones de carbono
El proceso de conformado de baja energía, el desarrollo de tuberías de paredes delgadas de baja aleación, la optimización del proceso de soldadura para ahorrar energía y el recubrimiento anticorrosión ecológico a juego reducen las emisiones de carbono por unidad de producto.
6.5 Sistema de estandarización industrial y selección de ingeniería
La capacidad de producción nacional de JCOE es enorme, pero los niveles de las líneas de producción varían considerablemente. En ingeniería, las compras deben distinguir estrictamente entre los productos JCOE completos (incluido el diámetro expandido mecánicamente) y los productos simplificados de soldadura por arco sumergido de costura recta, y establecer directrices de selección para diferentes escenarios de ingeniería, a fin de evitar la aplicación de productos de baja calidad en tuberías de alta presión y alto riesgo.
7 Conclusiones
1) Gracias a sus ventajas de inversión moderada y gran flexibilidad en las especificaciones, el proceso JCOE se ha convertido en la principal vía de fabricación de tuberías de acero LSAW de gran diámetro en China . En China se ha consolidado un modelo industrial multinivel, que incluye empresas centrales, empresas cotizadas y empresas manufactureras regionales clave, capaces de satisfacer las necesidades de la mayoría de los proyectos de petróleo, gas y estructuras de acero. Sin embargo, aún existen deficiencias técnicas en las tuberías especiales de alta gama.
2) El efecto de recuperación elástica del moldeo, el control de la precisión geométrica, las tensiones residuales de soldadura, el proceso de expansión del diámetro y la tenacidad a bajas temperaturas del acero de alta calidad son los principales cuellos de botella técnicos de la fabricación de JCOE; la energía del hidrógeno, la captura, utilización y almacenamiento de carbono (CCUS) y la ingeniería marina plantean nuevos desafíos técnicos.
3) Las deficiencias actuales de la investigación se concentran en el mecanismo de acoplamiento de múltiples procesos, conjuntos completos de procesos para materiales de tuberías bajo condiciones de trabajo especiales y fabricación digital de circuito cerrado; en el futuro, debemos fortalecer la simulación de todo el proceso, la detección en línea, el desarrollo de materiales especiales para tuberías y mejorar la selección de ingeniería y el sistema de estándares.
4) En aplicaciones de ingeniería, es esencial confirmar la ejecución de los procedimientos de expansión mecánica, realizar ensayos no destructivos completos y ensayos específicos para aceros de tuberías, como el DWTT, para distinguir los productos JCOE genuinos de las tuberías simples soldadas por arco sumergido con costura recta sin expansión, y para garantizar el funcionamiento seguro a largo plazo de las tuberías.
[1] Li Helin. Cincuenta años de tuberías soldadas en China [M]. Xi'an: Shaanxi Science and Technology Press, 2008.
[2] Jiang Yongjing. Variedades de tuberías de acero y tecnología de producción [M]. Chengdu: Editorial de Ciencia y Tecnología de Sichuan, 2010.
[3] Wei Weirong, Jing Songlong, Yang Zhuanzhao, et al. Estado actual y perspectivas de la industria de tuberías soldadas por arco sumergido de costura recta de gran diámetro [J]. Tubería soldada, 2012, 35 (04): 5-9.
[4] Liu Chun. Estudio sobre el radio de precurvado y el "protuberancia" del borde de la tubería soldada por arco sumergido de costura recta JCOE [J]. Steel Pipe, 2024, 53 (04): 58-61.
[5] GB/T 9711-2017, Tubos de acero para sistemas de transporte por oleoductos en la industria del petróleo y el gas [S].
[6] Especificación API Spec 5L para tuberías de línea [S]. 46.ª edición.
[7] Antoniou K, Stamou AG, Karamanos SA, et al. Modelado por elementos finitos del proceso de fabricación de tuberías de la línea JCO-E; propiedades del material y predicción de la presión de colapso [J]. Thin-Walled Structures, 2023,192:111120.
[8] Huang Xiaohui, Mao Nongzhao, Cheng Wenguang, et al. Desarrollo de tubería soldada por arco sumergido de costura recta X65M para el transporte de dióxido de carbono supercrítico [J]. Tubería soldada, 2025, 48 (02): 23-30.