黃明初

（中石化集團(tuán)石油工程機(jī)械有限公司沙市鋼管廠，湖北荊州434001）

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高頻生產(chǎn)線預(yù)焊合縫裝置擠壓保持距離的設(shè)計(jì)

黃明初

（中石化集團(tuán)石油工程機(jī)械有限公司沙市鋼管廠，湖北荊州434001）

摘要：氣體保護(hù)預(yù)焊接后鋼管需要保持?jǐn)D壓狀態(tài)運(yùn)行一段距離，以保證鋼管預(yù)焊接后有足夠強(qiáng)度克服彈復(fù)力作用。介紹了高頻生產(chǎn)線預(yù)焊接后鋼管保持?jǐn)D壓狀態(tài)運(yùn)行距離的設(shè)計(jì)方法。通過(guò)對(duì)焊接鋼管離開(kāi)自保持段后焊縫的受力情況進(jìn)行分析，推算出焊縫冷卻溫度及所需時(shí)間，最后確定出預(yù)焊合縫裝置擠壓保持距離。合理的擠壓保持距離，既可保證焊縫冷卻到有足夠強(qiáng)度克服彈復(fù)力作用，又不會(huì)因?yàn)閿D壓距離過(guò)長(zhǎng)而造成擠壓力過(guò)大，出現(xiàn)錯(cuò)邊時(shí)擠壓輥無(wú)法壓下的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：中直徑；直縫埋弧焊管；高頻生產(chǎn)線；氣體保護(hù)預(yù)焊；預(yù)焊合縫裝置；殘余應(yīng)力；擠壓保持距離；

彈復(fù)力

黃明初（1984-），男，壯族，工程師，主要從事焊接鋼管制造設(shè)備與工藝的研究。

中石化集團(tuán)石油工程機(jī)械有限公司沙市鋼管廠（簡(jiǎn)稱沙市鋼管廠）中直徑直縫埋弧焊管生產(chǎn)線的預(yù)焊方案有高頻預(yù)焊和氣體保護(hù)預(yù)焊兩種。目前，高頻預(yù)焊工藝尚不成熟，很難既保證預(yù)焊質(zhì)量又保證鈍邊尺寸，給后序工藝帶來(lái)困難，產(chǎn)品合格率不高。氣體保護(hù)預(yù)焊就相對(duì)成熟，而高頻成型和氣體保護(hù)預(yù)焊結(jié)合的工藝尚屬首次，很多問(wèn)題有待研究［1］。比如，高頻成型速度快，高頻成型的殘余應(yīng)力比大直縫成型的殘余應(yīng)力大等［2］。

氣體保護(hù)預(yù)焊接屬于熔化焊，焊縫由熔融狀態(tài)冷卻凝固至有足夠強(qiáng)度克服鋼管彈復(fù)力需要一定時(shí)間，即預(yù)焊接后鋼管需要保持?jǐn)D壓運(yùn)行一段距離［3-5］。若保持?jǐn)D壓狀態(tài)運(yùn)行的距離過(guò)長(zhǎng)，會(huì)增大擠壓力，在生產(chǎn)高強(qiáng)度、大徑壁比的鋼管時(shí)對(duì)錯(cuò)邊的調(diào)整就很困難，甚至出現(xiàn)因蝸桿擠壓力不足而擠壓輥無(wú)法壓下的情況。例如沙市鋼管廠在生產(chǎn)Φ610 mm× 17.5 mm以上、材質(zhì)X70以上直縫埋弧焊管時(shí)，就出現(xiàn)錯(cuò)邊和擠壓輥無(wú)法壓下的情況。若保持?jǐn)D壓狀態(tài)運(yùn)行的距離過(guò)短，則會(huì)引起焊縫質(zhì)量不穩(wěn)定，甚至因無(wú)法克服彈復(fù)力而“爆管”。這里把預(yù)焊接后鋼管保持?jǐn)D壓狀態(tài)運(yùn)行的這段距離叫作擠壓保持距離。由上所述，合理地設(shè)計(jì)擠壓保持距離尤為重要。

1　預(yù)焊合縫裝置擠壓保持距離的設(shè)計(jì)

1.1自保持段

擠壓輥保持段如圖1所示。其中，L0為保持段總長(zhǎng)，L1為擠壓保持段，A為焊接點(diǎn)。在不焊接的情況下，管坯從合縫裝置出來(lái)后會(huì)因母材彈復(fù)力而呈V角張開(kāi)。在預(yù)焊接的情況下，當(dāng)焊縫從擠壓終點(diǎn)B走到X點(diǎn)時(shí)，兩鈍邊張開(kāi)距離為ΔX，只要ΔX∧wδ（其中，w為預(yù)焊縫寬度，δ為其伸長(zhǎng)率），焊縫就不會(huì)被拉斷（即鋼管不會(huì)彈開(kāi)），定義此段為自保持段；而當(dāng)焊縫走到下一點(diǎn)X1，即ΔX1≥wδ時(shí)，只要焊縫強(qiáng)度足夠克服鋼管彈復(fù)力，鋼管也不會(huì)彈開(kāi)。所以，焊縫從焊接點(diǎn)開(kāi)始，要經(jīng)過(guò)擠壓保持段、自保持段，出了自保持段焊縫必須冷卻到有足夠強(qiáng)度來(lái)克服彈復(fù)力。高頻焊接屬于壓力焊，經(jīng)過(guò)擠壓輥擠壓之后，兩結(jié)合面的原子已充分結(jié)合，進(jìn)而具備足夠的抗拉強(qiáng)度以克服彈復(fù)力；而氣體保護(hù)焊屬于熔化焊，需要一定的時(shí)間讓熔池降溫凝固至具有足夠強(qiáng)度克服彈復(fù)力。所以氣體保護(hù)預(yù)焊必須設(shè)計(jì)足夠長(zhǎng)的保持段［5-10］。

圖1　擠壓輥保持段示意

自保持段長(zhǎng)度即某點(diǎn)處ΔX達(dá)到焊縫伸長(zhǎng)量極限Δwmax時(shí)該點(diǎn)離擠壓終點(diǎn)B點(diǎn)的距離L2。經(jīng)高頻生產(chǎn)線成型后，在不破壞鈍邊的成型擠壓條件下，兩鈍邊張開(kāi)距離ΔX與該點(diǎn)處離擠壓終點(diǎn)B點(diǎn)處的距離L的關(guān)系可近似表示為：ΔX=0.02L（L≤500 mm）。在自保持段期間，由于焊縫處于高溫狀態(tài)，塑性比常溫時(shí)好，中直徑直縫埋弧焊管生產(chǎn)線上最小伸長(zhǎng)率的X60鋼級(jí)管線鋼的常溫伸長(zhǎng)率δ取18%，預(yù)焊縫寬度w取4 mm，則Δwmax=wδ=0.72（mm）。所以自保持段長(zhǎng)度L2=50Δwmax=36（mm）。

1.2鋼管離開(kāi)自保持段后焊縫受力分析

鋼管軋制合縫后，內(nèi)半壁厚母材處于受壓狀態(tài)，外半壁厚母材處于受拉狀態(tài)，最內(nèi)層和最外層變形量ε最大，為：ε=T/（D-T）≤3.5%（鋼管規(guī)格為Φ610 mm×20.6 mm時(shí)，D為鋼管的外徑，T為鋼管的壁厚），除中間層外，均存在殘余應(yīng)力，表現(xiàn)為彈復(fù)量，即鋼管離開(kāi)擠壓輥后若不經(jīng)過(guò)焊接，鋼管會(huì)彈開(kāi)一定的開(kāi)口量C，彈復(fù)量如圖2所示。

圖2　彈復(fù)量示意

鋼管的殘余應(yīng)力σr可用公式（1）［11-12］計(jì)算：

式中E——鋼的彈性模量，取200 GPa；

y——鋼管環(huán)截面上某點(diǎn)與中性面的距離，mm。

由此可見(jiàn)，鋼管壁厚上不同點(diǎn)的殘余應(yīng)力值是不一樣的，由中性層向內(nèi)、外層兩邊呈線性增大，在鋼管內(nèi)、外表面應(yīng)力值達(dá)到最大。在鋼管內(nèi)表面，y=-T/2，故（負(fù)號(hào)表示殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力）；在中性層，y=0，故σr=0；在鋼管外表面，y=T/2，故

鋼管離開(kāi)自保持段后，取微小段長(zhǎng)度ΔL來(lái)分析，沿焊縫的中心線剖開(kāi)，m點(diǎn)為壁厚中心，鋼管焊縫與母材受力分析如圖3所示。對(duì)鋼管進(jìn)行靜力分析，發(fā)現(xiàn)作用在焊縫截面上的力、力矩與作用在biΔL截面上的力、力矩是平衡的。

圖3　鋼管焊縫與母材受力分析示意

設(shè)焊縫深度為h，鈍邊長(zhǎng)為e，則線段am的長(zhǎng)度am=D-T+e/2，以m點(diǎn)為計(jì)算中心：

式中σ焊縫——克服彈復(fù)力所需的焊縫應(yīng)力，Pa；

F焊縫——焊縫應(yīng)力產(chǎn)生的拉力，N；

M拉、M壓——以m點(diǎn)為中心，鋼管母材殘余拉、壓應(yīng)力對(duì)biΔL截面產(chǎn)生的力矩，N·m。

結(jié)合公式（2）～（4）可得：

從公式（5）可看出：克服彈復(fù)力所需的焊縫應(yīng)力占母材殘余應(yīng)力比重主要與厚徑比和預(yù)焊縫深度有關(guān)。由此可知，Φ610 mm×20.6 mm鋼管克服彈復(fù)力所需的焊縫應(yīng)力占母材殘余應(yīng)力比重最大，為σ焊縫=3%σrmax。所以，只要焊縫強(qiáng)度σb焊縫≥3%σrmax，即可克服彈復(fù)力。

根據(jù)對(duì)多種規(guī)格和材質(zhì)的鋼管進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量并參考文獻(xiàn)［13］，發(fā)現(xiàn)：經(jīng)高頻生產(chǎn)線成型后，在不破壞鈍邊的成型擠壓條件下，鋼管合縫后殘余應(yīng)力不超過(guò)母材屈服應(yīng)力σs母材，計(jì)算時(shí)可取σrmax≈σs母材。所以，只要滿足σb焊縫≥3%σs母材，即可克服彈復(fù)力。

1.3冷卻溫度的確定

冷卻溫度即焊縫由熔融狀態(tài)凝固至σb焊縫≥3% σs母材時(shí)焊縫的溫度。由于高溫下鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線沒(méi)有明顯的屈服極限和屈服平臺(tái)，其高溫強(qiáng)度系數(shù)尚無(wú)定論，本文根據(jù)英國(guó)規(guī)范（BS 5950-8∶2003）給出的鋼的高溫強(qiáng)度系數(shù)表，按變形量2%選定［14］，焊縫高溫力學(xué)性能如圖4所示。從圖4可知，鋼在1 100℃時(shí)其強(qiáng)度已達(dá)到常溫強(qiáng)度的3.0%，在900℃時(shí)比值達(dá)到6.2%。所以，當(dāng)溫度降到900℃時(shí)，足以克服彈復(fù)力，安全系數(shù)K=2.06。

圖4　焊縫高溫力學(xué)性能

1.4冷卻時(shí)間的確定

冷卻時(shí)間J即焊縫由熔融狀態(tài)冷卻至所需溫度的時(shí)間。焊縫中心某一點(diǎn)冷卻到某一溫度tc所需的時(shí)間Jc可由公式（6）［15］表示：

式中m2——修正系數(shù)；

P——焊接線能量，J/cm；

λ——熱導(dǎo)率，W/（cm·℃）；

Cρ——體積熱容，J/（cm3·℃）；

t0——焊件初始溫度即室溫，℃。

當(dāng)焊縫深度（板厚即焊縫深度）為4 mm時(shí)，相應(yīng)焊接線能量P=2 832 J/cm。當(dāng)鋼的熱導(dǎo)率λ=0.5 W/（cm·℃），體積熱熔Cρ=5 J/（cm3·℃）時(shí)，修正系數(shù)m2≈1；t0即室溫（最高室溫為40℃）。將以上各值帶入公式（6），可求得焊縫冷卻至900℃所需時(shí)間為2.2 s。

1.5擠壓輥擠壓保持距離的確定

擠壓輥擠壓保持距離的確定，即在焊縫所需冷卻時(shí)間內(nèi)鋼管走過(guò)的距離與自保持段長(zhǎng)度之差。當(dāng)預(yù)焊速度v=8 m/min，可得擠壓保持距離為：L1=L0-L2=257 mm。

所以，擠壓輥只要保持?jǐn)D壓257 mm，焊縫強(qiáng)度就足以克服彈復(fù)力，安全系數(shù)K=2.06。

2　結(jié)　語(yǔ)

預(yù)焊合縫裝置的很多參數(shù)計(jì)算、選擇都基于擠壓輥擠壓保持距離的取值，核心部分如動(dòng)力及傳動(dòng)裝置，基礎(chǔ)部分如地腳螺栓等的設(shè)計(jì)，都取決于擠壓保持距離。擠壓保持距離的合理設(shè)計(jì)，既可以保證預(yù)焊縫質(zhì)量穩(wěn)定，又能盡量減小擠壓力，便于調(diào)整錯(cuò)邊。

3　參考文獻(xiàn)

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●信息

Design of Pre-welding/Weld-joining Device’s Extrusion-holding Distance of HF Weld Pipe Production Line

HUANG Mingchu
（Shashi Steel Pipe Works，Sinopec Oilfield Equipment Corporation，Jingzhou 434001，China）

Abstract：After being shielded arc welded，the steel pipe as in the extrusion state has to be running for a speci-% fic distance so as to ensure that the pre-welded tube has enough strength against the elastic force effect. Elaborated in the article is the method for making design for this purpose. Based on the analysis of the weld stress state of the tube that has run through the self-holding distance，the weld’s cooling temperature and time are deduced，and then the said extrusion distance held by the pre-welding/weld joining device is determined. As the said distance is properly specified and held，the weld can be cooled down to a certain extent to have sufficient strength against the elastic force effect，while it is possible to avoid the troubles like weld offsetting or the extrusion roll’s failure to be pressed down due to the over large extrusion force as caused by the over-long extrusion distance.

Key words：medium-sized；SAWL pipe；HF welded pipe production line；shielded arc pre-welding；pre-% welding/weld-joining device；residual stress；extrusion-holding distance；elastic force

收稿日期：（2015-10-27）

中圖分類號(hào)：TG333.93搖

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B搖

文章編號(hào)：1001-2311（2016）01-0055-04