Аннотация: JCOE (формование J-C-O + механическое расширение) — это основной производственный процесс для стальных труб большого диаметра, изготовленных методом прямой сварки под флюсом (LSAW), широко используемый в таких важных областях техники, как магистральные нефтегазопроводы, улавливание и транспортировка углерода (CCUS), морское строительство, стальные мостовые конструкции и транспортировка водородной энергии. По сравнению с процессом UOE, производственные линии JCOE имеют меньшие инвестиции и большую гибкость в выборе спецификаций, и стали основой производственных мощностей страны по выпуску стальных труб большого диаметра для трубопроводов. Однако до сих пор существуют технические узкие места в точности формования, контроле остаточных напряжений, низкотемпературной вязкости, стойкости к водородному охрупчиванию и цифровом интеллектуальном производстве высококачественных толстостенных труб. В данной статье систематически рассматривается принцип процесса JCOE, отечественное оборудование и промышленная ситуация, обобщаются ключевые технические трудности на всех этапах формования, сварки, расширения и неразрушающего контроля, сравниваются технические возможности основных отечественных производителей JCOE, выявляются существующие пробелы в исследованиях и обсуждаются будущие направления развития, такие как высококачественные трубопроводные трубы, специальные трубы для улавливания и хранения углерода/водородной энергетики и цифровое двойничество при производстве. Данное исследование может послужить теоретической основой и инженерным обоснованием для оптимизации процесса производства стальных труб JCOE, выбора инженерных решений и совершенствования стандартов.
Ключевые слова: JCOE; труба, сваренная под флюсом прямым швом; LSAW; стальная труба для трубопроводов большого диаметра; точность формовки; остаточные напряжения; транспортировка нефти и газа; интеллектуальное производство
I. Введение
В связи с непрерывным строительством нефтегазопроводов, проектов по улавливанию и хранению углерода (CCUS), морской ветроэнергетики, систем хранения и транспортировки водородной энергии, а также крупномасштабных проектов по строительству стальных конструкций в моей стране, рыночный спрос на толстостенные стальные трубы большого диаметра, сваренные под флюсом (Φ406-1422 мм), продолжает расти. Технология UOE обладает высокой эффективностью формования, но требует значительных инвестиций в оборудование и подходит для крупносерийного производства изделий одной спецификации. Технология JCOE использует поэтапный многоточечный процесс штамповки, при этом инвестиции в оборудование составляют примерно 60-70% от инвестиций в производственную линию UOE. Она позволяет гибко обрабатывать заказы различной спецификации и небольшими партиями, что делает ее предпочтительным технологическим маршрутом для новых производственных линий LSAW в Китае.
После более чем 20 лет развития локализации, Китай построил множество современных производственных линий JCOE, обеспечив внутренние поставки высокопрочных трубопроводных труб X70 и X80, что способствовало строительству таких крупных национальных трубопроводных проектов, как газопровод Запад-Восток. Однако в отечественной отрасли JCOE по-прежнему наблюдаются дисбалансы: ведущие компании обладают полным набором возможностей в области API 5L PSL-2, испытаний на разрыв методом падающего молотка DWTT и неразрушающего контроля на всех этапах производства; в то время как многие малые и средние производственные линии имеют недостатки в таких областях, как контроль упругого восстановления при формовке толстостенных высокопрочных труб, остаточные напряжения при расширении диаметра, низкотемпературная вязкость сварных швов и цифровое управление технологическими процессами.
Существующая литература в основном сосредоточена на отдельных аспектах, таких как процессы предварительной гибки, моделирование сварки и параметры расширения диаметра, и в ней отсутствуют систематические обзоры, охватывающие механизмы процесса, отрасль оборудования, инженерные приложения и будущие направления. В данной статье интегрированы механизмы процесса, текущее состояние отечественной промышленности, основные дефекты качества и технологические узкие места, что позволяет выявить пробелы в исследованиях в этой области и предоставить ориентир для технологической итерации и инженерного применения JCOE в Китае.
II. Основные принципы и технологический процесс JCOE Technology
Аббревиатура JCOE расшифровывается как J-образная, C-образная, O-образная и расширяющаяся формовка . Этот процесс включает в себя предварительную гибку кромок стальной пластины, пошаговую штамповку в форме буквы J, непрерывное прессование в форме буквы C, O-образное соединение швов, предварительную сварку, внутреннюю и внешнюю сварку под флюсом, механическое расширение диаметра, скругление и выпрямление, полный цикл неразрушающего контроля, физико-химические испытания и антикоррозионную обработку для завершения процесса производства стальных труб.
1) Предварительная гибка кромок пластин: устраняет прямые участки кромок стальных пластин, предотвращая дефекты в виде «выступов» после формовки. Радиус матрицы для предварительной гибки напрямую влияет на качество зазора в соединении.
2) Поэтапная формовка J-C-O: Плоская пластина изгибается в приблизительно цилиндрическую трубчатую заготовку путем сегментированной пошаговой штамповки. Пружинящий эффект стальной пластины является основной трудностью при контроле размеров формовки.
3) Предварительная сварка и сварка под флюсом: Предварительная сварка в защитной газовой среде фиксирует заготовку трубы, после чего выполняется внутренняя и внешняя сварка под флюсом, которая является ключевым процессом для обеспечения прочности и ударной вязкости сварного шва.
4) Механическое расширение (процесс E): Корпус трубы подвергается пластическому расширению с помощью сегментированной расширительной головки для коррекции округлости и размеров, одновременно перераспределяя остаточные сварочные напряжения. Это ключевой процесс, отличающий трубы JCOE от обычных труб, сваренных прямым швом.
5) Неразрушающий контроль: Для трубопроводной стали, соответствующей требованиям стандартов API 5L и GB/T 9711, необходимы ультразвуковой контроль стальных заготовок, ультразвуковой контроль (УЗК) и рентгенографический контроль (РТ) сварных швов, а также испытания на разрыв с помощью ударного молотка и серия ударных испытаний.
Ключевое отличие: трубы, сваренные под флюсом прямым швом без механического расширения диаметра, не являются в строгом смысле стальными трубами JCOE. Процесс расширения диаметра напрямую определяет округлость стальной трубы, уровень остаточных напряжений и надежность эксплуатации.
III. Отраслевая структура и производственные возможности Объединенного центра передового опыта (JCOE) на внутреннем рынке
Производственные линии JCOE в Китае сосредоточены в провинциях Хэбэй, Цзянсу и других регионах, образуя трехуровневую структуру поставок, включающую центральные предприятия, компании, акции которых котируются на бирже, и ключевые региональные производственные предприятия.
3.1 Государственные предприятия центрального подчинения как ведущие национальные трубопроводные предприятия
Компания Julong Steel Pipe Co., Ltd. (уезд Цинсянь, провинция Хэбэй) стала первой компанией в Китае, создавшей производственную линию JCOE. Она долгое время обслуживала национальные магистральные нефтегазопроводы и обладает стабильными, крупномасштабными производственными мощностями по выпуску труб X80 PSL-2. Компания также поставляет трубы горячей гибки и обеспечивает комплексную внутреннюю и внешнюю защиту от коррозии, что делает её ключевым поставщиком для магистральных нефтегазопроводов в Китае. Преимущества таких компаний заключаются в их обширном инженерном опыте и полной платформе физико-химических испытаний, что делает их подходящими для проектов магистральных нефтегазопроводов высокого давления.
3.2. Компании, занимающиеся интегрированным производством труб, акции которых котируются на бирже.
Компании Shagang Jinzhou Pipeline и Zhujiang Steel Pipe располагают импортными формовочными цехами JCOE и полным комплектом стальных листовых материалов. Они сертифицированы классификационными обществами DNV и ABS для морских инженерных и экспортных проектов и могут производить биметаллические композитные прямошовные трубы. Они имеют большой опыт поставок для зарубежных нефтегазовых проектов и обслуживают рынки внешней торговли, морских трубопроводов и трубопроводов для химических сред.
3.3 Представительные производственные предприятия в регионе Хэбэй
Хэбэй является крупным производственным центром стальных труб JCOE в Китае. Были выбраны три представительных местных предприятия, располагающих полным комплектом оборудования JCOE и системами физико-химического анализа:
1 ) Хэбэйская компания стальных труб Haiqianwei, Ltd. ( группа Youfa )
Будучи специализированным и инновационным предприятием малого и среднего бизнеса, мы оснащены полностью автоматизированным пошаговым штамповочным формовочным цехом JCOE. Технические характеристики нашей продукции: диаметр Φ406-1422 мм, толщина стенки 6-50 мм, марка стали X80. Мы имеем национальные и международные сертификаты, такие как API 5L, CE и EAC. Мы располагаем полным комплексом возможностей неразрушающего контроля, а также физико-химических испытаний. Наша продукция используется для внутренних трубопроводных сетей, стальных конструкций и для выполнения экспортных заказов за рубеж.
2 ) Компания Hebei Aolande Steel Pipe Co., Ltd.
Оснащенная полным комплектом линий формовки JCOE, сварки под флюсом и механической обработки труб, компания производит продукцию диаметром от Φ406 до 1422 мм с толщиной стенки от 7 до 40 мм. Она способна серийно выпускать трубы из трубопроводной стали X42-X80 и конструкционные трубы серии Q345, соответствующие стандартам GB/T9711 и API 5L. Эти изделия в основном используются в нефтегазопроводах, для транспортировки шлама и в проектах по строительству стальных мостовых конструкций.
3 ) Компания Hebei Jingye Precision Tube Manufacturing Co., Ltd.
Используя собственные мощности по производству толстолистового проката и оснащенный крупногабаритным формовочным цехом JCO мощностью 15 000 тонн, компания специализируется на производстве сверхтолстостенных стальных труб JCOE с прямым швом, сваренных под флюсом. Она способна производить трубы экстремальных размеров: от 406 до 1626 мм и толщиной стенки от 10 до 120 мм, обеспечивая интеграцию производства стальных листов и труб, а также прослеживаемость и контроль сырья. Компания ориентирована на производство тяжелых стальных конструкций, опор для сосудов под давлением и специальных толстостенных инженерных решений.
3.4 Предприятия в других регионах
Крупномасштабные производственные линии, такие как Shagang Jinzhou и Zhujiang Steel Pipe, были созданы в Чжанцзягане и Ляньюньгане, провинция Цзянсу, для поддержки проектов в области морского строительства, внешней торговли и химических трубопроводов. В целом, Китай уже обладает крупнейшими в мире производственными мощностями по выпуску стальных труб JCOE, но все еще существует значительный потенциал для технологического совершенствования в области высокотехнологичных специальных труб (трубопроводы для глубоководных трубопроводов, трубопроводы для транспортировки чистого водорода и трубы для транспортировки сверхкритического CO₂).
IV. Ключевые проблемы качества и технические узкие места в производственном процессе JCOE
4.1 Дефекты упругого восстановления формы и геометрической точности
Процесс ступенчатой штамповки стальных листов характеризуется значительным эффектом упругого восстановления, что легко приводит к таким дефектам, как овальность, отклонение диаметра трубы, выпучивание торцов труб и смещение. Чрезмерная овальность напрямую влияет на сварку по окружности на месте и снижает сопротивление внешнему давлению. Стандарт API 5L обычно требует контроля овальности в пределах 0,5%–1,0% D, что еще сложнее обеспечить для толстостенной высококачественной стали.
К влияющим факторам относятся: колебания механических свойств стальной пластины, профиль матрицы для предварительной гибки, расстояние между этапами прессования JCO, распределение степени уменьшения диаметра и выбор коэффициента расширения диаметра. Существующие аналитические модели с трудом могут в полной мере описать взаимосвязанное упругое восстановление в результате множества процессов, и инженерная практика в значительной степени опирается на корректировки, основанные на опыте. Моделирование методом конечных элементов стало важным инструментом для оптимизации процесса.
4.2 Контроль процесса остаточных напряжений и расширения диаметра при сварке
Сварка под флюсом создает значительные остаточные растягивающие напряжения. Механическое расширение диаметра может восстановить поле напряжений, но чрезмерные или недостаточные коэффициенты расширения, или неоптимальная сегментированная конструкция расширительной головки могут привести к неравномерному распределению осевых и окружных напряжений. Параметры процесса расширения имеют решающее значение для баланса между точностью размеров и остаточными напряжениями. Многие малые и средние производственные линии страдают от упрощенных процессов расширения и недостаточных коэффициентов расширения, что создает потенциальную опасность для безопасности во время эксплуатации.
4.3 Низкотемпературная ударная вязкость сварных швов и зон термического воздействия высококачественной стали
Трубопроводная сталь X70/X80 предъявляет строгие требования к сварному шву, ударной вязкости при -20℃ и -40℃ в зоне термического воздействия, а также к сопротивлению разрыву при ударе молотком DWTT. Подбор сварочного материала, контроль подводимой тепловой энергии при сварке, чистота стального листа и микролегирующие элементы влияют на температуру перехода от пластичного к хрупкому состоянию, представляя собой основные технические препятствия при производстве высококачественных труб JCOE.
4.4 Новые условия эксплуатации создают новые проблемы
Транспортировка сверхкритического диоксида углерода с использованием технологий улавливания и хранения углерода (CCUS), транспортировка водорода и морские трубопроводы для глубоководных перевозок предъявляют более высокие требования к стойкости материалов труб к водородному охрупчиванию, коррозии под воздействием CO₂ и разрушению под внешним давлением. Существующие стандарты JCOE для обычных трубопроводов не могут в полной мере удовлетворить эти требования, а система материалов, технологический диапазон, а также система испытаний и оценки специализированных материалов для труб все еще находятся в стадии разработки.
4.5 Недостаточный уровень цифровизации
Большинство производственных линий JCOE в Китае по-прежнему в основном полагаются на послепроизводственный контроль, не имея замкнутой системы онлайн-мониторинга для формовки, сварки и расширения диаметра. Применение цифровых двойников и адаптивной оптимизации параметров процесса на основе ИИ находится на низком уровне, а параметры процесса по-прежнему в значительной степени зависят от опыта оператора, что приводит к необходимости повышения стабильности производительности партий.
V. Текущее состояние исследований и пробелы в исследованиях
В рамках проекта JCOE как внутри страны, так и за рубежом были проведены обширные исследования в области моделирования и экспериментальной техники: на международном уровне EUROPIE, Salzgitter и JFE сосредоточены на проектировании пресс-форм, лазерном онлайн-обнаружении контура и управлении расширением диаметра с обратной связью; отечественные исследования сосредоточены на моделировании методом конечных элементов для отдельных процессов, оптимизации процесса предварительной гибки и разработке сварочных материалов. На основании имеющейся литературы выявлен существенный пробел в исследованиях.
1) Недостаточно исследований механизма многопроцессной взаимосвязи: существует мало моделирований взаимосвязи напряжений и деформаций на протяжении всего процесса предварительного изгиба, формовки JCO, сварки и расширения диаметра, и большинство из них моделируют только один процесс.
2) Отсутствует систематическая модель количественной зависимости между исходными дефектами формы стальной пластины и округлостью готовой стальной трубы;
3) Недостаточная количественная база данных о взаимосвязи между параметрами процесса расширения диаметра и остаточным напряжением, а также сопротивлением разрушению;
4) Полный производственный процесс и стандарты оценки стальных труб JCOE, используемых в условиях водородной энергетики и улавливания и хранения углерода, еще не разработаны;
5) Существует сравнительно немного примеров инженерной реализации интеллектуального производства и моделей онлайн-прогнозирования качества для процессов JCOE.
VI. Тенденции развития технологии прямошовных стальных труб, сваренных под флюсом, производства JCOE.
6.1 Разработка высококачественных стальных труб для особых условий эксплуатации
Ориентируясь на технологии улавливания и хранения углерода (CCUS), водородную энергетику и глубоководную инженерию, мы разработаем трубопроводы JCOE, устойчивые к растрескиванию, вызванному водородом, и коррозии под воздействием CO₂ , оптимизируем подбор материалов для микролегированной стали и сварки под флюсом, создадим специальные методы оценки и испытаний, а также заполним технологический пробел в области специальных транспортных труб.
6.2 Моделирование и цифровая оптимизация процесса формования-расширения
На основе моделирования методом конечных элементов создана модель прогнозирования упругого восстановления для обеспечения цифрового вспомогательного проектирования контура пресс-формы, шага прессования и коэффициента расширения, снижения затрат на пробное формование и повышения точности размеров; создана база данных качества процесса для содействия переходу от отладки на основе опыта к производству, основанному на данных.
6.3 Полномасштабный онлайн-контроль качества и замкнутая система управления качеством
Внедрить онлайн-измерение контура лазером и ультразвуковое обнаружение сварных швов с фазированной решеткой в реальном времени для получения оперативной обратной связи о качестве процессов формовки, сварки и расширения диаметра, создать систему управления с обратной связью и снизить процент брака после завершения процесса.
6.4 Экологичное и низкоуглеродное производство
Низкоэнергетический процесс формования, разработка тонкостенных труб из низколегированных материалов, энергосберегающая оптимизация процесса сварки и соответствующее экологически чистое антикоррозионное покрытие позволяют снизить выбросы углекислого газа на единицу продукции.
6.5 Отраслевая стандартизация и система выбора инженерных решений
Производственные мощности по выпуску JCOE в стране огромны, но объемы производственных линий сильно различаются. При проектировании и закупках необходимо строго различать готовые изделия JCOE (включая механически увеличенный диаметр) и упрощенные изделия для сварки прямым швом под флюсом, а также установить руководящие принципы выбора для различных инженерных сценариев, чтобы избежать применения низкокачественных изделий на трубопроводах высокого давления и высокого риска.
7. Выводы
1) Благодаря преимуществам умеренных инвестиций и высокой гибкости технических характеристик, технология JCOE стала основным методом производства стальных труб большого диаметра, изготовленных методом LSAW, в Китае . В Китае сформировалась многоуровневая промышленная модель, включающая центральные предприятия, компании, котирующиеся на бирже, и ключевые региональные производственные предприятия, способные удовлетворить потребности большинства проектов в нефтегазовой отрасли и при строительстве стальных конструкций. Однако в производстве высококачественных специальных труб все еще существуют технические недостатки.
2) Пружинность при формовании, контроль геометрической точности, остаточные напряжения при сварке, процесс расширения диаметра и низкотемпературная ударная вязкость высококачественной стали являются основными техническими узкими местами производства JCOE; водородная энергетика, улавливание и хранение углерода и морская инженерия создают новые технические проблемы.
3) Нынешние недостатки исследований сосредоточены в механизме сопряжения множества процессов, полных комплексах процессов для трубных материалов в особых условиях эксплуатации и цифровом замкнутом цикле производства; в будущем следует усилить моделирование всего процесса, оперативное обнаружение дефектов, разработку специальных трубных материалов и усовершенствовать систему инженерного выбора и стандартизации.
4) В инженерных приложениях крайне важно подтвердить выполнение процедур механического расширения, полного неразрушающего контроля и специальных испытаний трубопроводной стали, таких как DWTT, чтобы отличить подлинную продукцию JCOE от простых труб, сваренных под флюсом прямым швом без расширения, и обеспечить долгосрочную безопасную эксплуатацию трубопроводов.
[1] Ли Хэлинь. Пятьдесят лет сварных труб в Китае [М]. Сиань: Издательство науки и техники провинции Шэньси, 2008.
[2] Цзян Юнцзин. Разновидности стальных труб и технология их производства [М]. Чэнду: Издательство «Наука и технология провинции Сычуань», 2010.
[3] Вэй Вэйжун, Цзин Сунлун, Ян Чжуаньчжао и др. Текущее состояние и перспективы отрасли труб большого диаметра, сваренных под флюсом прямым швом [J]. Сварные трубы, 2012, 35 (04): 5-9.
[4] Лю Чунь. Исследование радиуса предварительного изгиба и «выступа» края трубы JCOE, сваренной под флюсом прямым швом [J]. Стальные трубы, 2024, 53 (04): 58-61.
[5] GB/T 9711-2017, Стальные трубы для трубопроводных транспортных систем в нефтегазовой промышленности [S].
[6] Спецификация API Spec 5L для трубопроводов [S]. 46-е издание.
[7] Антониу К., Стаму А.Г., Караманос С.А. и др. Конечно-элементное моделирование процесса изготовления трубопровода JCO-E; свойства материала и прогнозирование давления разрушения [J]. Тонкостенные конструкции, 2023, 192:111120.
[8] Хуан Сяохуэй, Мао Нончжао, Чэн Вэньгуан и др. Разработка трубы X65M с прямым швом, сваренной под флюсом, для транспортировки сверхкритического диоксида углерода [J]. Сварные трубы, 2025, 48 (02): 23-30.