大直徑螺旋埋弧焊管成型過程中的管形控制及應力補償

2017-10-11 08:56:48韓秀林李汝江劉宏博賀曉清

焊管 2017年2期

王潔，韓秀林，李汝江，劉宏博，賀曉清

（渤海石油裝備福建鋼管有限公司，福建連江350512）

王潔，韓秀林，李汝江，劉宏博，賀曉清

（渤海石油裝備福建鋼管有限公司，福建連江350512）

為了更好地控制螺旋埋弧焊管成型質量，提高管形控制精度，針對成型器自身特性、成型角的選擇和微調、遞送線位置等影響管形的幾個關鍵因素，對螺旋埋弧焊管成型過程中對鋼管幾何尺寸的影響進行了分析。分析結果表明，成型過程中的管形控制、成型后鋼管的應力補償以及鋼管吊裝、儲存、運輸甚至施工過程中的管端保護是提高焊管成型質量的重要控制因素。同時根據分析結果提出了大直徑螺旋埋弧焊管在成型過程中管形控制的方法和措施。

大直徑；螺旋埋弧焊管；成型；管形；應力補償

Abstract:In order to better control the forming quality of spiral submerged arc welded pipe,enhance pipe shape control accuracy,it studied several key factors of spiral submerged arc welded pipe forming process influencing steel pipe physical size,such as forming machine characteristics,the choice and fine adjustment of forming angle,delivery line location and so on.The analysis results showed that the pipe shape control in forming process,steel pipe stress compensation after forming,lifting,storage,transportation and even pipe end protection during construction,are the important control factors of improving welded pipe forming quality.At the same time,according to the analysis results the pipe shape control methods and measures of large diameter spiral submerged arc welded pipe were put forward.

Key words:large diameter;spiral submerged arc welded pipe;forming;pipe shape;stress concentration

螺旋埋弧焊管以其生產形式靈活、管體強度高、尺寸精度高、生產成本低等優點在輸油、輸氣、輸水、熱力管網等領域得到了廣泛應用。隨著鋼管制造工藝的提高及工程建設的需要，鋼管制造尤其是輸水鋼管逐步向大直徑方向發展，管徑以1 400～2 400 mm居多。雖然輸水管鋼級普遍較低，但對D＞508 mm的鋼管管形尺寸的要求基本相同。由于輸水鋼管管徑大、鋼級低，在生產成型過程中管徑、橢圓度難以控制，在鋼管儲存、吊裝、運輸、施工過程中易出現變形等問題。考慮到鋼管現場安裝施工以及管道安全服役的要求，管端配合尺寸公差和鋼管外形幾何尺寸的一致性顯得尤為重要。因此，提高大直徑螺旋焊管成型過程中的管形控制精度對提高產品質量、現場對接質量以及降低應力集中，具有重要的意義。

1 管形的主要控制要素

為了保證螺旋埋弧焊管的產品質量，技術標準或技術要求都對鋼管的幾何尺寸做了相關規定，輸水焊接鋼管現執行的主要標準為GB/T 3091—2008和SY/T 5037—2012，標準中對鋼管外徑允許偏差、橢圓度、錯邊量等幾何參數的規定見表1。

表1 螺旋焊管主要幾何參數指標

結合表1分析，國內PCCP管、球墨鑄鐵管、PE管、玻璃鋼管均有相應的標準，而沒有單獨的焊接輸水鋼管標準，這需要輸水鋼管行業人士的共同努力，也是提高我國輸水鋼管行業生產質量的需要。由于輸水鋼管鋼級較低，造成較管線鋼鋼管更易變形，致使輸水鋼管在成型、儲存、吊裝、施工中保持管形的難度大大提高。GB/T 3091規定在D＞508 mm、SY/T 5037規定在D＞610 mm情況下，管端外徑公差、橢圓度為同一要求。可見，將尺寸偏差控制在幾毫米范圍內有一定難度。

結合現場實際情況分析，我公司第一次換道生產Φ1 820 mm×18 mm鋼管，使用了兩卷原料才成型出合格鋼管；生產Φ2 250 mm×22 mm鋼管時，生產成型合格，但經吊裝、儲存后測量，部分不合格，進行應力補償后合格，運輸至現場測量又不合格。因此，保證大直徑螺旋輸水鋼管成型精度，合理進行應力補償，保持鋼管形貌，成為擺在我們面前的幾個難題。

2 成型過程中的管形控制

2.1 螺旋埋弧焊管的成型原理

通常情況下，螺旋埋弧焊管以熱軋板卷為原料，在焊管生產線上通過拆卷、矯平、對焊、銑邊等工序，將鋼帶遞送進入成型器，利用三輥彎板原理，在彎矩的作用下使鋼板內層受擠壓、外層受拉伸，變形由表面向里擴展，達到塑性或彈塑性變形，并通過一定的成型角度，將鋼帶按螺旋形卷曲成所需管徑的管坯，再通過雙面埋弧自動焊對內縫和外縫進行焊接，從而形成螺旋縫埋弧焊管。

根據成型輔助輥的布置方式，主要分為外控式和內脹式成型，外控式成型通過三輥彎板和外控輥扶正達到穩定生產的目的，在國內應用最廣。根據鋼帶卷曲方向，又分為上卷成型和下卷成型，上卷成型以其調整方便、產品范圍廣等優越性，較為普遍。外控式上卷成型原理如圖1和圖2所示。

圖1 三輥彎板成型示意圖

圖2 螺旋成型原理圖

2.2 成型過程中的管形控制措施研究

大直徑螺旋焊管成型過程中，受到成型器自身特性、鋼帶月牙彎、遞送線位置、成型角、出管標高、殘余應力等多種因素的影響，每個因素均會對管形的控制精度產生直接影響。成型是否穩定是相對而言的，影響成型穩定的因素和促進成型穩定的因素是同時存在并相互作用的，只有兩者達到動態平衡，才能達到所需要的穩定狀態，達到精確控制管形的目的。

（1）確保成型器自身特性，優化成型輥布局。相比于小直徑螺旋焊管，大直徑螺旋焊管生產應采用高剛度、高強度的成型器，同時優化成型輥和外控輥的輥型、布局，調型時精確計算1#輥、2#輥、3#輥和其他外圍輔助輥系的位置、角度參數，并調整到位，盡量做到低應力成型、穩定成型，是精確控制管形的關鍵。

（2）選擇合適的成型角并保持成型角相對穩定。由圖2可得出成型角、工作板寬、鋼管直徑三者之間的函數關系為

式中：α—成型角；

B—工作板寬；

D—鋼管直徑。

公式（1）反映的是理想狀態下三者的函數關系，在工作板寬一定的情況下，成型角的變化直接造成管徑的變化。從生產的可行性和經濟性角度考慮，應選擇合適板寬，使成型角在45°～65°為宜。成型角偏小，使鋼管橢圓度增大，噘嘴的趨勢也變大；成型角偏大，將使螺旋焊縫的長度加長，焊縫缺陷出現的幾率增大，同時影響生產效率。

考慮到鋼管壁厚，成型角、工作板寬、鋼管直徑、壁厚之間的函數關系為

式中：t—壁厚。

對式（2）全微分運算得

由公式（3）可知，在工作板寬、成型角不變的情況下，即dB=0、dα=0時，dD=dt，管徑公差與壁厚公差相同，因此應盡量減小原料公差范圍，并且以原料平均壁厚確定成型角。當然，由于鋼帶軋制過程中產生的月牙彎會導致成型合縫不穩，形成錯邊或開縫，為了消除錯邊或開縫，就要通過微調成型角來保證合適的成型縫，但需密切注意帶來的管徑變化和橢圓度的變化。

在工作板寬、壁厚不變的情況下，即dB=0、dt=0 時， dD=dα·Bsinα/cos2α，管徑隨成型角變化而變化。以Φ2 020 mm×20 mm大直徑螺旋焊管為例，工作板寬1 995 mm，成型角變化范圍±1°，以此計算成型角變化時管徑的變化量，計算結果見表2。

從表2可以看出，當成型角增大時，管徑隨之增大；成型角減小時，管徑隨之減小，且成型角的微量變化對大直徑鋼管管徑帶來的變化非常明顯，很容易造成管徑超差和橢圓度超差，甚至產生廢品。所以，在生產大直徑螺旋焊管時，要嚴格控制后橋的打車量，收、放車配合進行，盡量減少打車次數，避免成型角的變化帶來的管形變化。

表2 成型角變化量與管徑變化量的關系

（3）保證遞送線位置的準確。使用雙頭立輥增加板邊定位的穩定性及精度，精心控制鋼帶遞送，避免鋼帶偏離遞送線，人為造成月牙彎。遞送線是螺旋焊管生產的基準線，遞送線發生了變化，就意味著成型角發生了變化。當鋼帶跑偏時，在成型器入口處偏向出管方向一側時，會造成成型角度變大，管徑也會隨之變大，同時成型縫咬合過緊造成錯邊；反之，鋼帶在成型器入口處偏向出管的反方向一側時，會造成成型角變小，管徑也會隨之變小，同時造成成型縫過松或開縫。銑邊機位置調整應時刻關注板位變化，確保鋼帶遞送邊與遞送線重合，板位發生變化時，及時調整自由邊立輥位置，使鋼帶中心線與銑邊中心線保持一致，保證兩邊銑削均勻，消除鋼帶的部分月牙彎，銑出合適的工作板寬，并確保鋼帶邊緣規整、平齊，確保成型穩定。當銑邊刀片角度調整不當時，銑邊后鋼帶上下寬度不一致，會造成成型縫內緊外松或內松外緊，容易導致錯邊、噘嘴、橢圓度超差等缺陷。采用PLC控制程序進行板寬自動測量、板位自動控制，遞送邊板邊定位，自由邊位置與成型角調整形成實時閉環控制系統，實現精確控制，如圖3所示。

圖3 板位閉環控制系統示意圖

（4）確保后橋出管中心線與成型器底座中心線重合。如果出管中心偏離成型器底座中心（即鋼管偏心），將會出現開縫、管徑超差、鋼管無規律變形以及殘余應力分布不均、彈復過大等現象，甚至造成調型失敗。

（5）確保出管標高與后橋扶正器、輸出輥道下底標高一致。鋼管輸出輥道過高或過低，導致出管時鋼管上坡或下坡，上坡時管徑變大，下坡時管徑變小，同時造成錯邊。

（6）調整2#輥的位置、壓下量和焊墊輥的位置、高度，兩者配合使用。由于鋼帶壁厚偏差的不均勻性，2#輥的壓下量需要在理論計算的基礎上，根據板面情況和彈復量進行修正。2#輥位置應在保證內焊機頭安裝空間的前提下，盡量靠近鋼帶邊緣，保證鋼帶兩邊充分變形，減小鋼管的內應力，達到控制彈復量和保證焊接質量的目的。焊墊輥的輥面中心線應與遞送線重合，理論位置是輥子中心在鋼管中心線上，但考慮鋼管偏心情況的存在和內焊焊接的需要，生產大直徑螺旋焊管時，焊墊輥一般偏向1#輥8～12 mm，偏心距過大或過小都會造成錯邊或焊接缺陷。焊墊輥的高低是和2#輥的壓下量配合使用的，在生產低鋼級材質時，2#輥壓下量小，焊墊輥高度相對較高，生產高鋼級材質時情況相反。在調整2#輥壓下量和焊墊輥高度時，需注意管徑的變化，壓下量過大或焊墊輥過高時，都會造成管徑減小以及過變形；反之，壓下量過小或焊墊輥過低時，會造成管徑增大及成型縫內緊外松，造成錯邊和殘余應力過大。2#輥和焊墊輥的另一個作用是控制彈復量的大小，控制殘余應力，在低殘余應力下成型，從而盡量減少殘余應力對鋼管管形尺寸的影響。

（7）根據鋼帶板寬、材質、厚度確定合理的遞送機位置和遞送壓力。根據鋼帶寬度調整遞送機位置，使鋼帶中心與遞送輥中心重合。根據板厚和材料屈服強度調整兩側遞送壓力，考慮到遞送邊聯軸器的自重，自由邊壓力一般比遞送邊高0.3～0.5 MPa，確保遞送不打滑、不偏擺。遞送力調整不好會導致鋼帶跑偏，一側板邊擠厚，造成管徑變化和錯邊。

3 應力補償

對于成型后管形質量較差或超出標準規定的鋼管（鋼管實際周長應不大于規定周長），可在成型后利用一些工裝機具（根據我公司管端擴徑機的設備能力，對于直徑在1 422 mm及以下的鋼管可使用管端擴徑機）產生外力，采用過變形方法對鋼管短軸進行彈復補償，即采用應力補償對鋼管進行修整，盡量消除成型過程中的殘余應力對管形的影響，改善管形質量。在應力補償過程中，鋼管從內壁到外壁彈性應變逐漸轉變為塑性應變，殘余應力減少，鋼管的再加載變形流動應力提高，其局部及圓周范圍內的形狀偏差及殘余應力均勻化，管形趨于穩定。在現實條件下，應力補償也只能消除部分殘余應力，無法全部消除。

根據塑性材料彈性變形與應力、應變的關系，建立管坯力學模型。

3.1 初始管坯力學模型

初始管坯微梁段力學模型如圖4所示。當-t/2≤Z≤t/2（t為壁厚）時，

式中：ε0—初始當量應變；

Z—微梁段管環外壁在模型中的坐標值；

ρ0—微梁段截面幾何中性層初始曲率半徑。

圖4 初始管坯微梁段力學模型

3.2 加載后管坯力學模型

以正向力矩為例，加載后管坯力學模型如圖5所示。當-t/2≤Z≤t/2時，

式中：ρε—拉彎當量應變中性層曲率半徑；

ρ—截面幾何中性層曲率半徑。

圖5 加載后當量應變

3.3 卸載后管坯力學模型

卸載后管坯力學模型如圖6所示。當-t/2≤Z≤t/2時，

式中：εP—殘余塑性應變；

ρεP—當量應變中性層曲率半徑；

ρP—彈復后截面幾何中性層曲率半徑。

圖6 卸載后當量應變

3.4 管壁進入塑性變形時的彈復分析

設修整、矯圓后的管坯形狀參數為β，管坯的初始形狀參數為β0，通過系列運算進行彈復分析，

式中：a*—長半軸；

b*—短半軸；

ρpa—管坯內側點彈復后的曲率半徑；

ρpb—管坯外側點彈復后的曲率半徑；

λ—擴經率；

λ1—彈性臨界擴徑率；

λ2—塑性臨界擴徑率；

H1（λ）和 H2（λ）分別代表管壁部分進入塑性變形時的管坯形狀函數和管壁全部進入塑性變形時的管坯形狀函數。

將公式（9）計算方法導入EXECL表格，以Φ1 420 mm×16 mm焊接鋼管管端整形為例，對于Q235材質，若管徑小于規定管徑10 mm，經計算將內徑擴至Φ1 390 mm，彈復后可得理想直徑；對于Q345材質，若管徑小于規定管徑10 mm，經計算將內徑擴至Φ1 391 mm，彈復后可得到理想直徑。彈復量計算過程及結果見表3。

表3 彈復量計算過程及結果

4 管形維護

對于低鋼級大直徑鋼管（Φ1 420 mm及以上），在吊裝、儲存、運輸甚至施工過程中，應采用“米”字形或“十”字形支撐進行管端管形保護，以防止管端變形，常用的管端保護方式如圖7所示。

圖7 常用管端保護方式

5 結束語

從以上對大直徑螺旋埋弧焊管的成型過程分析可以看出，影響管形尺寸的因素是多方面的，本研究主要圍繞成型器自身特性、成型角的選擇和微調、遞送線位置等影響管形的幾個關鍵因素展開分析，各個因素是同時存在并相互影響的，各種調整方法應根據生產實際綜合考慮、靈活運用，達到所需要的穩定狀態，達到管形控制的目的。成型后管形質量較差或超出標準規定的鋼管（鋼管實際周長應不大于規定周長）可以通過應力補償消除部分殘余應力，彈復后獲得較為理想的管形質量。焊接及后續精整流程對大直徑螺旋埋弧焊管管形的影響本研究沒有涉及，后續可以做進一步的探討、研究。

[1]王鳳成.螺旋埋弧焊管常見成型工藝缺陷產生原因及預防措施[J].鋼管，2008，37（5）：51-54.

[2]屈緒良.大口徑厚壁螺旋焊管幾何尺寸精確控制[D].西安：西安石油大學，2009.

[3]王樹人，殷立洪.螺旋焊管橢圓度的測量與分析[J].焊管，2006，29（6）：45-46.

[4]白忠泉.螺旋焊管的成型技術[J].焊管，2004，27（3）：48-56.

[5]殷璟，趙軍，屈曉陽，等.大型管件擴徑矯圓彈復分析[J].機械工程學報，2011，47（12）：32-42.

[6]逯燕玲，李謙益.油氣輸送管線用螺旋縫埋弧焊管的制造質量控制[J].石油工業技術監督，2004,20（2）：37-39.

[7]徐秉業.彈塑性力學及其應用[M].北京：機械工業出版社，1984.

[8]郭學華.成型調整對螺旋埋弧焊管焊接質量的影響分析[J].山西冶金，2003,26（3）：40-41.

[9]玉向寧.螺旋焊管成型控制技術研究[D].濟南：山東大學，2015.

[10]侯永利.螺旋焊管成型過程質量控制研究[D].西安：西安石油大學,2010.

Pipe Shape Control and Stress Compensation of Large Diameter Spiral Submerged Arc Welded Pipe in Forming Process

WANG Jie,HAN Xiulin,LI Rujiang,LIU Hongbo,HE Xiaoqing
（CNPC Bohai Equipment Fujian Steel Pipe Co.,Ltd.,Lianjiang 350512,Fujian,China）