直縫埋弧焊管直度偏差探討

肖 都 李云龍 吳金輝

1.中國石化股份有限公司物資裝備部 （北京 100728）

2.中國石油集團石油管工程技術研究院 （陜西 西安 710065）

3.北京隆盛泰科石油管科技有限公司 （北京 100101）

直縫埋弧焊管直度偏差探討

肖 都1李云龍2，3吳金輝2，3

1.中國石化股份有限公司物資裝備部 （北京 100728）

2.中國石油集團石油管工程技術研究院 （陜西 西安 710065）

3.北京隆盛泰科石油管科技有限公司 （北京 100101）

分析了直縫埋弧焊管直度偏差對鋼管交貨、鋼管防腐和鋼管生產檢驗進度的影響，探討了鋼管生產過程中直度偏差形成的原因，并提出防止直度偏差產生的建議，為直縫埋弧焊管生產過程中的尺寸精度控制提供理論依據。

直縫埋弧焊管 直度偏差 防腐

輸送管線作為石油和天然氣一種經濟、安全、不間斷的長距離輸送工具，在過去的幾十年里得到了長足的發展，而且這種發展勢頭在未來的幾十年中仍將持續下去[1]。隨著世界石油天然氣工業的不斷發展，在對長輸管線用鋼管性能提出高要求的同時，對鋼管的尺寸精度也提出了更高的要求。直縫埋弧焊管由于其單位長度焊縫短，焊縫及應力水平分布合理的特點，可獲得高質量的油氣輸送用管，并主要用于環境惡劣的地震帶、凍土帶及地形高落差等對鋼管要求較高的三、四類地區。

直縫埋弧焊管的不直度偏差是鋼管生產制造過程中遇到的主要尺寸偏差，現行主要標準對直度偏差都提出了嚴格的要求，分析了直縫埋弧焊管直度偏差對鋼管交貨、鋼管防腐和鋼管生產檢驗進度的影響，探討了鋼管生產過程中直度偏差形成的原因，并提出防止直度偏差產生的建議，為直縫埋弧焊管生產過程中的尺寸精度控制提供理論依據。

1 鋼管直度偏差的影響

1.1 直度偏差對鋼管交貨的影響

管線鋼管現行主要標準API 5L（44版）要求“鋼管全長相對于直線的總偏離應≤0.2%的鋼管長度[2]，每個管端1 000mm長度上相對于直線的局部偏離應≤4.0mm”，DNV-OS-F101（2005版）要求“鋼管直度偏差不大于鋼管全長的0.15%”[3]，而西氣東輸二線管道工程用直縫埋弧焊管技術條件要求“鋼管直度偏差不大于鋼管長度的0.2%L[4]，局部直度應小于3.0mm/m”，因此，鋼管直度偏差超標直接影響鋼管的交貨。

1.2 直度偏差對鋼管防腐的影響

3PE防腐是一種綜合性能好，高性價比的鋼管防腐技術，西氣東輸管道工程用鋼管采用3PE防腐技術。西氣東輸二線管道工程用直縫埋弧焊管技術條件規定鋼管交貨的最大長度為12.2m，按照直度偏差最大允許0.2%L的要求，鋼管的最大直度偏差可達24.4mm。然而，當鋼管的直度達24.4mm時，雖然仍符合標準的要求，但在鋼管防腐作業過程中就容易引起防腐管的質量問題。

（1）3PE防腐層不均勻。鋼管直度偏差過大，會導致PE膜片發生寬窄變化，嚴重時出現壓不上邊的問題，局部PE層數達不到規定、沿螺旋線分布厚度不足，而且，由于膜片受到周期性過度牽引，使得膜片的寬度及厚度發生周期性變化，可能導致鋼管某個相位區內防腐層厚度整體不足，而對角相位厚度整體加大。鋼管直度偏差越大、涂裝作業速度越快，該問題就越嚴重。

（2）3PE防腐管管段氣泡。在鋼管傳送過程中，前后兩根鋼管的管口不能完全咬合，稱為“錯口”。錯口的幅度超過壓輥變形對氣泡的排除能力，位置低的管端將產生氣泡，管端氣泡最容易出現并難以消除。錯口問題除了和涂裝作業線的平直度有關，鋼管的直度偏差也是一個重要原因，鋼管直度偏差越大，該問題就越突出[5]。

對于由鋼管直度偏差過大而引起3PE防腐層過薄或管端產生氣泡問題，雖然可以通過集中直度偏差較大的鋼管，進行低速涂裝作業來解決，但也嚴重影響了鋼管防腐作業的正常進行。根據經驗，一般對于12m長的鋼管直度偏差控制在15mm以內，就能大大降低其對鋼管防腐作業的影響。

1.3 直度偏差對鋼管生產檢驗進度的影響

目前，直縫埋弧焊管制管企業對鋼管直度偏差的測量一般是在成品崗位，采用拉繩法檢測，對于直度偏差超標鋼管采用矯直機進行矯直，矯直機構造如圖1所示。

圖1 直縫埋弧焊管矯直機

由于鋼管在矯直后需要重新進行成品入庫檢驗，二次收庫影響了鋼管正常的生產檢驗進度。

2 鋼管直度偏差的原因

直縫埋弧焊管在焊接過程中產生的焊接殘余應力，包括沿焊縫長度方向的縱向焊接應力、垂直于焊縫長度方向的橫向焊接應力和沿厚度方向的焊接應力。通常壁厚超過20mm時，沿厚度方向的殘余應力才有相對較高的數值，而一般情況下管線用鋼管不會有太大的壁厚，所以可以不予考慮。垂直于焊縫長度方向的橫向焊接應力主要造成鋼管圓度偏差，而沿焊縫長度方向的縱向焊接應力是引起直縫埋弧焊管產生直度偏差的主要應力。

鋼管的焊接過程是一個不均勻的局部加熱和冷卻的過程。焊接過程中，焊縫周圍產生不均勻的溫度場，焊縫及其附近溫度最高，而鄰近區域溫度則急劇下降。不均勻的溫度場產生不均勻膨脹，焊縫附近金屬由于溫度高，膨脹較大，受到遠離焊縫區域溫度較低、膨脹量較小的的金屬材料所限制，產生了熱塑性壓縮。焊縫冷卻時，被塑性壓縮的焊縫區趨向于縮短，但受到兩側金屬限制而產生縱向拉應力，通常，這種拉應力可超過鋼板的屈服強度，從而引起材料產生塑性變形。焊接應力是一種無荷載作用下的內應力，因此會在焊件內部自相平衡，這就必然在距焊縫稍遠區段內產生壓應力[6,7]。

實際生產過程中，小管徑薄壁鋼管比大管徑厚壁鋼管產生的直度偏差更大。這是由于厚壁鋼管大多采用多絲焊接，焊接過程中每根單絲的熱輸入比薄壁鋼管采用單絲焊接時熱輸入低，所以一般大壁厚鋼管直度偏差較小。同時，當鋼管壁厚相同，焊接工藝相同時，由于焊接產生的管體內應力基本相同，而小管徑鋼管在受同樣的應力時，會產生更大的變形量。

3 解決直縫鋼管直度偏差的方法

3.1 合理的焊縫設計

合理選擇焊縫的尺寸和形式是解決直縫埋弧焊鋼管直度偏差的有效方法，一般情況下應盡量采用較小的焊縫尺寸，焊縫尺寸過大，不但焊接量大，造成焊絲浪費，冷卻時收縮引起的塑性變形量也大，相應地焊接應力也大。因此，在板厚相同時，坡口尺寸越大，收縮變形也越大。

3.2 合理的工藝措施

（1）減少焊接熱輸入。通常情況下，熱輸入大時，加熱的高溫區范圍大，冷卻速度慢，使得焊接接頭變形區增大。

（2）采用多絲焊。厚壁鋼管大多采用多絲焊接，焊接時每層焊縫的熱輸入比一次完成的單層焊時的熱輸入小得多，加熱范圍窄，冷卻快，產生的收縮變形小得多，而且前層焊縫焊成后都對下層焊縫形成約束，因此，多絲焊時的縱向收縮變形比單絲焊時小得多，而且焊接的層數越多，縱向變形越小。

4 結束語

（1）直縫埋弧焊鋼管的焊縫分布不對稱，在成型焊接時會產生較大的直度偏差，甚至于超出規范要求而引起二次收庫，而且，過大的直度偏差也嚴重影響了鋼管的后續防腐作業，因此，從焊接源頭對直縫埋弧焊管直度偏差，尤其是小管徑薄壁直縫鋼管直度偏差進行控制，對于提高鋼管防腐質量和加快鋼管檢驗進度有重大意義。

（2）實際生產過程中，采用現行管線管標準，如API 5L規定直度偏差對直縫埋弧焊鋼管進行驗收時，當鋼管直度偏差接近標準上限時，即便未超標，

仍會在防腐作業過程中引起防腐層的質量問題；同時，考慮到當最大直度偏差并不處于鋼管中部，而是靠近鋼管一端時，則在相同的直度偏差下，其對鋼管防腐質量的影響會更突出，建議標準適當提高對鋼管直度偏差的要求。

[1]鄭茂盛,周根樹,趙新偉,等.現役油氣管道安全性評價研究現狀[J].石油工程建設,2004,30(1):1-6.

[2]API SPEC 5L(44版)2007管線鋼管規范[S].

[3]DNV-OS-F101:2005 SUBMARINE PIPELINE SYSTEMS[S].

[4]Q/SY GJX 0104-2007 西氣東輸二線管道工程用直縫埋弧焊管技術條件[S].

[5]廖宇平,程書旗,鄭玉海,等.3PE防腐層缺陷成因分析與防范[J].防腐保溫技術,2005,13(3):26-30.

[6]田錫唐.焊接結構[M].北京:機械工業出版社,1982.

[7]張文鉞.焊接傳熱學[M].北京:機械工業出版社,1989.

The paper analyzes the effect of straightness tolerance of longitudinal submerged-arc welded pipe on the schedule of the delivery,corrosion prevention,inspection and production of steel pipes.Then causes of straightness tolerance in the production of steel pipes are explored,coupled with some suggestions about the prevention of straightness tolerance.This study provides some theoretical basis for the dimensional accuracy control in the manufacture of LSAW pipe.

LSAW pipe;straightness tolerance;corrosion control

肖都（1972-），男，碩士，畢業于英國南安普敦大學，現主要從事鋼材物資供應工作。

路萍

2011-03-07