螺旋埋弧焊管的殘余應力形成及控制措施

肖國章，高 霞，2，庫宏剛

（1.寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西 寶雞721008；2.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞721008）

0 前 言

螺旋埋弧焊管在國內西氣東輸管線、陜京管線上均有廣泛的應用，目前，正向著大管徑、高鋼級和大壁厚方向發展。在焊管制造中會經歷彎曲成型、焊接、水壓、彎管、防腐等工藝過程，期間會產生殘余應力。由于加工造成的殘余應力是關系到焊管服役可靠性的重要因素，因此為保證管線的安全性，對螺旋埋弧焊管殘余應力的控制，特別是成型過程中產生的殘余應力的控制提出了越來越嚴格的要求。

殘余應力水平是焊管質量水平的重要指標，較高的殘余應力會導致管線工作能力下降，應力集中處易發生應力腐蝕，成為管線安全的重大隱患，影響鋼管運行壽命。消除殘余應力不僅對防止管線的應力腐蝕開裂SCC有利，而且對管線防止脆性斷裂、彈塑性斷裂、氫致開裂和疲勞破壞都有顯著的益處。

本研究結合螺旋埋弧焊管成型中殘余應力的形成原因分析提出了具體控制措施，并總結了殘余應力的其他控制措施。

1 螺旋埋弧焊管成型過程中殘余應力的形成及控制

1.1 成型方法

螺旋埋弧焊管制管成型方式主要有管外加套輥（外控成型）方式（如圖 1（a）所示）和管內支撐（內控成型）方式（如圖1（b）所示）兩種。外控成型螺旋縫焊管的殘余應力分布狀態是外表面拉應力，內表面壓應力；內控成型螺旋焊管的殘余應力分布狀態是外表面壓應力，內表面拉應力[1]。

國內設備主要為管外加套輥成型方式，這里主要研究此種成型方式下螺旋焊管殘余應力的控制。管外加套輥成型方式，開始由三排彎曲輥進行較微弱的彎曲加工，其后再由幾排輥約束其外周，從而得到必要的管徑。在此方式成型過程中會形成在半徑方向向外擴張的殘余應力[2]。

圖1 螺旋埋弧焊管機組成型方式

1.2 1#輥和3#輥的布局與串動

1#，3#輥的布局與穩定性非常重要。布局不合理自由邊懸空，兩邊變形不協調，是造成彈復量不合的重要因素。所以，由于規格不同，成型角不同，1#輥、3#輥往往要前后移動。由大角度變小角度時，1#輥向后移，3#輥向前移。由小角度變大角度時，1#輥向前移，3#輥向后移。實際生產中由于各種原因會出現帶鋼邊緣變形不足，導致殘余應力扭曲，使得殘余應力分布和大小發生變化。成型中會造成鋼板邊部懸空，一是由于成型角誤差會出現鋼板成型自由邊懸空，二是由于焊接和成型同時進行，為了保證焊接質量，出現成型遞送邊懸空。兩種懸空都會導致帶鋼邊緣變形不充分，增加了殘余應力，同時出現殘余應力扭曲。對自由變形懸空問題可以根據成型實際情況對1#輥、3#輥進行微量調整，以彌補帶鋼邊沿變形不足問題。

1.3 焊墊輥位置的影響

在螺旋埋弧焊管中，為保證焊接的順利進行，在2#輥梁端部留80～100 mm距離空間，用以安裝焊接機構。這樣造成了遞送邊沿80～100 mm的懸空，未得到充分變形。為了解決遞送邊變形不足問題及保證焊接處成型合縫的穩定性，在實踐中增加了焊墊輥。其作用一是輔助成型，彌補遞送邊形不足問題，它對管徑和殘余應力影響較大。在一定范圍內，其高度增加，殘余應力減少。但焊墊輥高度一般不宜超過基準高度5 mm。其對2#輥梁的壓下量起彌補作用。二是焊墊輥能夠保證成型合縫的穩定性，其位置處于成型咬合點位置附近，保證了焊接質量。所以焊墊輥的位置對殘余應力大小有一定的影響。

1.4 1#輥和3#輥之間的間距對殘余應力的影響

帶鋼進入成型器后，經過1#輥、 2#輥、 3#輥的變形會產生一定的彎曲，彎曲曲面的曲率半徑決定著殘余應力的大小。1#輥和3#輥的間距、傾角、標高起決定作用。間距和傾角增大，曲面曲率半徑增大，彈復量增大。調整成型時，鋼管的標高不變，經過嚴格的計算，獲得準確的間距、傾角參數，2#輥才能施加有效的作用力。根據不同的材質和壁厚，適當調整1#輥、 3#輥的高度，有利于控制變形，而獲得較好的彈復量。在生產中會出現焊縫兩邊變形不充分，不但影響成型質量，而且彈復量會出現徑向和軸向錯位。1#輥、2#輥、3#輥的輥面不平度一定要控制在0.5 mm以內。

1.5 2#輥梁點頭量

在實際成型中，為解決和彌補帶鋼邊緣變形不足問題，在成型變形機構中增設了壓下調整，即2#輥梁壓下機構中增加了點頭調整，2#輥梁在水平壓或抬的同時，也可以從一側單獨壓或抬，即所說的點頭量。

在鋼板彎曲變形過程中，內表面被壓縮，外表面被拉伸延長，自由邊首先進入成型器，經過了180°的變形，變形較好；而遞送邊后進入成型器，未經充分變形，且有80～100 mm寬的板邊懸空，邊緣會出現外翹。而隨著壁厚的增加，外翹程度加大，這樣管坯出現變形不均，殘余應力不均，合理調整2#輥梁點頭量的數值可以改善這一狀況。所以根據不同規格、材質、壁厚，調整2#輥壓下量及點頭量。鋼管規格、材質、壁厚與變形量的關系如下：材質增高，下壓量增大；直徑增大，下壓量減?。槐诤裨龃螅聣毫繙p小。

1.6 鋼板性能的不均性對殘余應力的影響

由于鋼廠設備、工藝等方面的原因，往往出現板頭、尾部性能不均勻的問題 （大部分集中在頭、尾各8～10 m處），一般在鋼板中部相對比較穩定，但這為生產控制帶來很大的困難。因為鋼板強度不同，為保證殘余應力符合標準，必須適當調整成型工藝數據來彌補，這就需要做大量的試驗來分析總結，并針對性能均勻程度，采取科學的工藝數據，確保殘余應力符合標準要求。

1.7 其他因素影響

在實際生產中，成型設備狀態如間隙和剛度、鋼帶寬度和位置變化以及鋼板的壁厚誤差等都對殘余應力數值和穩定性也可能產生一定的影響。

生產過程中帶鋼偏離遞送線、帶鋼月牙彎、成型縫咬合過緊及由于設備問題造成的帶鋼跑偏等都會造成彈復樣軸向錯位過大，產生一定的殘余應力。

生產中需嚴格控制帶鋼的遞送線。帶鋼遞送線是螺旋縫焊管生產的 “生命線”，因此必須保證帶鋼遞送線才能保證正常生產。通常情況下，帶鋼偏離遞送線距離不能超過2 mm，否則必須及時調整找正。

2 殘余應力的控制及消除措施

工業生產中， 殘余應力的控制主要是通過采取一定的工藝措施，消除一部分殘余應力，或降低對使用性能不利的殘余拉應力，或形成有益的殘余壓應力分布。結合螺旋埋弧焊管制造工藝特點，殘余應力的控制主要有以下方法：自然失效消除殘余應力；整體高溫回火；局部加熱；機械拉伸法 （即鋼管的水壓試驗）；防腐處理時的噴砂除銹，在除銹的同時也消除了部分殘余應力；此外，采用內控成型使得焊管成型焊接后的殘余應力以殘余壓應力為主，滿足了常用技術標準中關于 “切環張開量”的限制要求，這種通過調整成型輥道而改變殘余應力狀態的方法可控制螺旋縫埋弧焊管殘余應力。

2.1 標準對殘余應力的要求

螺旋埋弧焊管殘余應力的大小及分布較為復雜，生產過程中常用鋼管彈復量來檢測殘余應力的大小，彈復量越大，鋼管的殘余應力也越大。同時根據彈復試樣張開的形態可判斷殘余應力的分布狀態。因此，實際生產過程中，鋼管殘余應力的控制就是彈復量的控制。隨著國內外管線的不斷建設，也逐漸完善并明確了對鋼管彈復量的要求。

我國西氣東輸二線、澀寧蘭輸氣管線以及印度 “東氣西輸”天然氣管線工程等都對螺旋縫焊管的殘余應力進行明確的量化限定并附加在訂貨補充技術條件之中。西氣東輸二線標準對X80鋼級焊管用彈復量衡量殘余應力的大小，該標準對鋼管彈復量提出明確的要求:“切取鋼管長度不小于100 mm管段，一般應距焊縫100 mm處沿鋼管縱向切開，切口張開間距不應大于90 mm，同時應測量軸向及徑向錯開量，取樣頻次為每班及重新調型后生產的第一根鋼管均應進行檢測，合格要求后方可進行生產”[3]。印度 “東氣西輸”天然氣管線工程用螺旋焊管技術條件中規定：水壓試驗后，用火焰切割或鋸切的方法從鋼管一端截取寬度不小于150 mm的試驗環，應在距焊縫180°位置且平行于鋼管軸線方向將試驗環鋸開，其周長增加量 （等效于切口張開間距）應小于69 mm[3]。

在切環試驗中，切環長度、切口位置、切開方向、切口張開間距、徑向錯位量、軸向錯位量以及切環試驗的程序排布等各項因素對正確估評螺旋焊管管坯內部的殘余應力均有影響，建議在螺旋焊管訂貨補充技術條件中對這些要素都要作出科學合理的要求或限制。此外，為了提高切環試驗的易操作性，對管坯環的切取方法、切取位置也應作出明確的要求或說明。

同時建議生產廠在成型焊接后進行切環試驗時，于水壓試驗后抽樣測試，掌握水壓試驗前后彈復量的變化，以便根據技術條件的要求對成型時殘余應力控制參數進行調整。

2.2 水壓試驗

鋼管水壓試驗是檢驗鋼管強度和嚴密性的一種非破壞性試驗手段。試驗表明[4]，經過正常水壓試驗后 （標準規定為鋼材最小屈服強度的95%），管環切口張開間距增大，有一定降低殘余應力的作用，且隨著水壓試驗壓力的提高，殘余應力大幅降低；但提高水壓的同時會導致焊管尺寸較大變化，當壓力達到1.13SMYS時焊管直徑超過標準的要求，壓力過大有可能導致鋼管的破壞。文獻[5]對水壓及穩壓試驗的影響進行了研究，指出水壓試驗和穩壓試驗均會使螺旋縫埋弧焊管內外表面總體殘余應力分布趨于均勻，并且對減小內表面殘余應力效果明顯，特別是對呈殘余拉應力狀態的焊縫區域作用更大；將螺旋縫埋弧焊管水壓試驗壓力從0.9SMYS提高到1.0SMYS，可有效地消除或降低有害的殘余拉應力。

因而在螺旋焊管生產中可償試提高水壓試驗壓力，甚至采用接近焊管屈服強度的水壓試驗，以彌補生產中無擴徑工序造成的殘余應力較高的缺陷。

2.3 冷擴徑

直縫焊管在成型焊接后都經過了擴徑工序，其作用與水壓試驗類似，通過機械的作用使焊管直徑變大，從而釋放原來的殘余應力。文獻[4]對UOE和JCOE焊管擴徑前后的殘余應力進行了研究，結果說明擴徑可以使殘余應力分布更均勻，幅值更低。尤其是焊縫區的軸向應力，經過擴徑后顯著減小，從約650 MPa降到約150 MPa，且擴徑率越高殘余應力消除效果越好。

國內外對螺旋焊管采用整體冷擴徑工藝的很少。唯有加拿大WELLAND公司在螺旋焊管生產過程中采整體擴徑的公司，擴徑量約為直徑的1.5%。整體擴徑提高了鋼管的尺寸精度，適當增加屈服強度5%～10%，減少了殘余應力。為了防止擴徑頭與螺旋焊縫發生干涉，在擴徑頭的扇形塊上預留45°螺旋槽，擴徑時鋼管的螺旋焊縫與擴徑頭上的螺旋槽對應。為了在鋼管直徑改變時無需更換擴徑頭，所有鋼管的螺旋角均為45°不變。國內西安重型技術公司也開發了螺旋焊管的全長擴徑機，但只是研究了管徑準325～720 mm的擴徑，經過實物試驗擴徑后鋼管殘余應力大幅度降低或消除，母材金屬的屈服強度適當提高，提高了管線的安全性[6-8]。因此，在螺旋埋弧焊管后設置整體擴徑工藝，為有效減小殘余應力的方法。

2.4 采用兩步法生產工藝

兩步法生產螺旋埋弧焊接鋼管，即，第一步：熱軋鋼帶經成型機制成管型后，用CO2氣體保護焊在鋼管內壁進行連續的預焊。在預焊過程中，可隨時對鋼管的幾何形狀進行調整。第二步：在3～4臺數控焊接站上進行內外埋弧焊，采用多絲焊方法進行焊接，并用激光控制焊縫跟蹤系統保證焊接過程，保證定位準確。目前國內寶雞鋼管、渤海裝備、沙市鋼管廠等都紛紛建設了預精焊兩步法螺旋埋弧焊接鋼管生產線，這將為國內螺旋鋼管工藝及質量推進起到重要作用。

兩步法制管工藝實質是使成型過程與焊接過程相分離，并大量采用直縫埋弧焊管制造技術中行之有效的方法和自動化技術。由于兩步法成型不受焊接過程的牽制，可以對成型工藝參數進行優化，使得鋼管的幾何形狀十分精確，鋼管的直線度、圓度和直徑準確度都達到了很高的精度。解決了螺旋焊管傳統工藝的一大缺點。同時在焊接時也避免了因成型引起的振動，焊頭的位置可保持穩定。

德國薩爾茨基特鋼鐵集團采用兩步法工藝后，螺旋縫焊管的幾何形狀可以做得相當精確，生產率成倍提高，殘余應力也可得到有效控制。螺旋縫焊管固有的缺陷得到了根本性的改善。由于可以對成型過程進行精確調整，鋼管的彈復量可以根據需要準確地控制，從而有效地控制了鋼管的殘余應力。一般情況下，該廠將彈復量控制在30 mm左右。

2.5 爆炸去應力

爆炸處理是以爆炸方式消除焊接殘余應力的新技術，近年來國內外應用較多，通過覆蓋在焊縫及其附近焊接區表面的特種炸藥爆轟造成的沖擊波和殘余應力的交互作用，使焊接件產生適量的塑性變形，從而消除焊接件的殘余應力。研究證明，爆炸處理不僅可以消除焊接區的殘余拉應力，還可以根據需要造成一定的殘余壓應力。

經過武鋼技術中心研究，采用X70管線鋼爆炸處理方案消除焊縫和熱影響區的焊接殘余應力的效果，無論縱向或橫向都很好，幾乎達100%，證明采用爆炸處理技術消除管線焊接殘余應力是合適的[9]。三峽水利樞紐工程引水壓力鋼管下水平段部分爆炸消除焊接殘余應力的爆炸處理工藝消除焊接殘余應力取得了良好的效果[10]。

2.6 自然時效

自然時效法是在室外或者室內將鑄件放置數周后，殘余應力有所減弱的方法。自然時效法去除殘余應力的作用很有限，一般最多下降10%。在生產過程中可以根據實際情況，盡可能在防腐前放置一段時間，釋放殘余應力。

3 結 語

在生產過程中通過采取上述殘余應力控制及消除措施，可以有效地控制住厚壁螺旋埋弧焊管的殘余應力，提高產品質量，有效保證埋弧焊管生產線的穩定和高效率運行。螺旋埋弧焊管的殘余應力的影響因素較多，生產過程中重在根據產品的鋼級、規格及壁厚等進行調整，不斷優化成型工藝參數，才能使產品獲得合理的殘余應力。同時在成型后續工序中需加強對殘余應力取樣檢驗及時掌握生產過程中殘余應力水平并不斷優化工藝參數。只要生產中控制合理，可以使用螺旋埋弧焊接方式生產出殘余應力水平較低的高鋼級厚壁厚的產品。

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