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）

大直徑螺旋埋弧焊管成型過程中的管形控制及應(yīng)力補(bǔ)償

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(zhì)量，提高管形控制精度，針對(duì)成型器自身特性、成型角的選擇和微調(diào)、遞送線位置等影響管形的幾個(gè)關(guān)鍵因素，對(duì)螺旋埋弧焊管成型過程中對(duì)鋼管幾何尺寸的影響進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明，成型過程中的管形控制、成型后鋼管的應(yīng)力補(bǔ)償以及鋼管吊裝、儲(chǔ)存、運(yùn)輸甚至施工過程中的管端保護(hù)是提高焊管成型質(zhì)量的重要控制因素。同時(shí)根據(jù)分析結(jié)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(yīng)力補(bǔ)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(chǎn)形式靈活、管體強(qiáng)度高、尺寸精度高、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)在輸油、輸氣、輸水、熱力管網(wǎng)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨著鋼管制造工藝的提高及工程建設(shè)的需要，鋼管制造尤其是輸水鋼管逐步向大直徑方向發(fā)展，管徑以1 400～2 400 mm居多。雖然輸水管鋼級(jí)普遍較低，但對(duì)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(jí)低，在生產(chǎn)成型過程中管徑、橢圓度難以控制，在鋼管儲(chǔ)存、吊裝、運(yùn)輸、施工過程中易出現(xiàn)變形等問題。考慮到鋼管現(xiàn)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(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、現(xiàn)場對(duì)接質(zhì)量以及降低應(yīng)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(chǎn)品質(zhì)量，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)要求都對(duì)鋼管的幾何尺寸做了相關(guān)規(guī)定，輸水焊接鋼管現(xiàn)執(zhí)行的主要標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 3091—2008和SY/T 5037—2012，標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)鋼管外徑允許偏差、橢圓度、錯(cuò)邊量等幾何參數(shù)的規(guī)定見表1。

表1 螺旋焊管主要幾何參數(shù)指標(biāo)

結(jié)合表1分析，國內(nèi)PCCP管、球墨鑄鐵管、PE管、玻璃鋼管均有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，而沒有單獨(dú)的焊接輸水鋼管標(biāo)準(zhǔn)，這需要輸水鋼管行業(yè)人士的共同努力，也是提高我國輸水鋼管行業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量的需要。由于輸水鋼管鋼級(jí)較低，造成較管線鋼鋼管更易變形，致使輸水鋼管在成型、儲(chǔ)存、吊裝、施工中保持管形的難度大大提高。GB/T 3091規(guī)定在D＞508 mm、SY/T 5037規(guī)定在D＞610 mm情況下，管端外徑公差、橢圓度為同一要求?？梢?，將尺寸偏差控制在幾毫米范圍內(nèi)有一定難度。

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況分析，我公司第一次換道生產(chǎn)Φ1 820 mm×18 mm鋼管，使用了兩卷原料才成型出合格鋼管；生產(chǎn)Φ2 250 mm×22 mm鋼管時(shí)，生產(chǎn)成型合格，但經(jīng)吊裝、儲(chǔ)存后測(cè)量，部分不合格，進(jìn)行應(yīng)力補(bǔ)償后合格，運(yùn)輸至現(xiàn)場測(cè)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(jìn)行應(yīng)力補(bǔ)償，保持鋼管形貌，成為擺在我們面前的幾個(gè)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(chǎn)線上通過拆卷、矯平、對(duì)焊、銑邊等工序，將鋼帶遞送進(jìn)入成型器，利用三輥彎板原理，在彎矩的作用下使鋼板內(nèi)層受擠壓、外層受拉伸，變形由表面向里擴(kuò)展，達(dá)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(dòng)焊對(duì)內(nèi)縫和外縫進(jìn)行焊接，從而形成螺旋縫埋弧焊管。

根據(jù)成型輔助輥的布置方式，主要分為外控式和內(nèi)脹式成型，外控式成型通過三輥彎板和外控輥扶正達(dá)到穩(wěn)定生產(chǎn)的目的，在國內(nèi)應(yīng)用最廣。根據(jù)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(diào)整方便、產(chǎn)品范圍廣等優(yōu)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(biāo)高、殘余應(yīng)力等多種因素的影響，每個(gè)因素均會(huì)對(duì)管形的控制精度產(chǎn)生直接影響。成型是否穩(wěn)定是相對(duì)而言的，影響成型穩(wěn)定的因素和促進(jìn)成型穩(wěn)定的因素是同時(shí)存在并相互作用的，只有兩者達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，才能達(dá)到所需要的穩(wěn)定狀態(tài)，達(dá)到精確控制管形的目的。

（1）確保成型器自身特性，優(yōu)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(chǎn)應(yīng)采用高剛度、高強(qiáng)度的成型器，同時(shí)優(yōu)化成型輥和外控輥的輥型、布局，調(diào)型時(shí)精確計(jì)算1#輥、2#輥、3#輥和其他外圍輔助輥系的位置、角度參數(shù)，并調(diào)整到位，盡量做到低應(yīng)力成型、穩(wěn)定成型，是精確控制管形的關(guān)鍵。

（2）選擇合適的成型角并保持成型角相對(duì)穩(wěn)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(shù)關(guān)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(tài)下三者的函數(shù)關(guān)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(chǎn)的可行性和經(jīng)濟(jì)性角度考慮，應(yīng)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(shì)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(xiàn)的幾率增大，同時(shí)影響生產(chǎn)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(shù)關(guān)系為

式中：t—壁厚。

對(duì)式（2）全微分運(yùn)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(shí)，dD=dt，管徑公差與壁厚公差相同，因此應(yīng)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(dāng)然，由于鋼帶軋制過程中產(chǎn)生的月牙彎會(huì)導(dǎo)致成型合縫不穩(wěn)，形成錯(cuò)邊或開縫，為了消除錯(cuò)邊或開縫，就要通過微調(diào)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(shí)， 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(jì)算成型角變化時(shí)管徑的變化量，計(jì)算結(jié)果見表2。

從表2可以看出，當(dāng)成型角增大時(shí)，管徑隨之增大；成型角減小時(shí)，管徑隨之減小，且成型角的微量變化對(duì)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(chǎn)生廢品。所以，在生產(chǎn)大直徑螺旋焊管時(shí)，要嚴(yán)格控制后橋的打車量，收、放車配合進(jìn)行，盡量減少打車次數(shù)，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(guān)系

（3）保證遞送線位置的準(zhǔn)確。使用雙頭立輥增加板邊定位的穩(wěn)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(chǎn)的基準(zhǔn)線，遞送線發(fā)生了變化，就意味著成型角發(fā)生了變化。當(dāng)鋼帶跑偏時(shí)，在成型器入口處偏向出管方向一側(cè)時(shí)，會(huì)造成成型角度變大，管徑也會(huì)隨之變大，同時(shí)成型縫咬合過緊造成錯(cuò)邊；反之，鋼帶在成型器入口處偏向出管的反方向一側(cè)時(shí)，會(huì)造成成型角變小，管徑也會(huì)隨之變小，同時(shí)造成成型縫過松或開縫。銑邊機(jī)位置調(diào)整應(yīng)時(shí)刻關(guān)注板位變化，確保鋼帶遞送邊與遞送線重合，板位發(fā)生變化時(shí)，及時(shí)調(diào)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(guī)整、平齊，確保成型穩(wěn)定。當(dāng)銑邊刀片角度調(diào)整不當(dāng)時(shí)，銑邊后鋼帶上下寬度不一致，會(huì)造成成型縫內(nèi)緊外松或內(nèi)松外緊，容易導(dǎo)致錯(cuò)邊、噘嘴、橢圓度超差等缺陷。采用PLC控制程序進(jìn)行板寬自動(dòng)測(cè)量、板位自動(dòng)控制，遞送邊板邊定位，自由邊位置與成型角調(diào)整形成實(shí)時(shí)閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精確控制，如圖3所示。

圖3 板位閉環(huán)控制系統(tǒng)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(huì)出現(xiàn)開縫、管徑超差、鋼管無規(guī)律變形以及殘余應(yīng)力分布不均、彈復(fù)過大等現(xiàn)象，甚至造成調(diào)型失敗。

（5）確保出管標(biāo)高與后橋扶正器、輸出輥道下底標(biāo)高一致。鋼管輸出輥道過高或過低，導(dǎo)致出管時(shí)鋼管上坡或下坡，上坡時(shí)管徑變大，下坡時(shí)管徑變小，同時(shí)造成錯(cuò)邊。

（6）調(diào)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(jì)算的基礎(chǔ)上，根據(jù)板面情況和彈復(fù)量進(jìn)行修正。2#輥位置應(yīng)在保證內(nèi)焊機(jī)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(nèi)應(yīng)力，達(dá)到控制彈復(fù)量和保證焊接質(zhì)量的目的。焊墊輥的輥面中心線應(yīng)與遞送線重合，理論位置是輥?zhàn)又行脑阡摴苤行木€上，但考慮鋼管偏心情況的存在和內(nèi)焊焊接的需要，生產(chǎn)大直徑螺旋焊管時(shí)，焊墊輥一般偏向1#輥8～12 mm，偏心距過大或過小都會(huì)造成錯(cuò)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(chǎn)低鋼級(jí)材質(zhì)時(shí)，2#輥壓下量小，焊墊輥高度相對(duì)較高，生產(chǎn)高鋼級(jí)材質(zhì)時(shí)情況相反。在調(diào)整2#輥壓下量和焊墊輥高度時(shí)，需注意管徑的變化，壓下量過大或焊墊輥過高時(shí)，都會(huì)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(shí)，會(huì)造成管徑增大及成型縫內(nèi)緊外松，造成錯(cuò)邊和殘余應(yīng)力過大。2#輥和焊墊輥的另一個(gè)作用是控制彈復(fù)量的大小，控制殘余應(yīng)力，在低殘余應(yīng)力下成型，從而盡量減少殘余應(yīng)力對(duì)鋼管管形尺寸的影響。

（7）根據(jù)鋼帶板寬、材質(zhì)、厚度確定合理的遞送機(jī)位置和遞送壓力。根據(jù)鋼帶寬度調(diào)整遞送機(jī)位置，使鋼帶中心與遞送輥中心重合。根據(jù)板厚和材料屈服強(qiáng)度調(diào)整兩側(cè)遞送壓力，考慮到遞送邊聯(lián)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(diào)整不好會(huì)導(dǎo)致鋼帶跑偏，一側(cè)板邊擠厚，造成管徑變化和錯(cuò)邊。

3 應(yīng)力補(bǔ)償

對(duì)于成型后管形質(zhì)量較差或超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的鋼管（鋼管實(shí)際周長應(yīng)不大于規(guī)定周長），可在成型后利用一些工裝機(jī)具（根據(jù)我公司管端擴(kuò)徑機(jī)的設(shè)備能力，對(duì)于直徑在1 422 mm及以下的鋼管可使用管端擴(kuò)徑機(jī)）產(chǎn)生外力，采用過變形方法對(duì)鋼管短軸進(jìn)行彈復(fù)補(bǔ)償，即采用應(yīng)力補(bǔ)償對(duì)鋼管進(jìn)行修整，盡量消除成型過程中的殘余應(yīng)力對(duì)管形的影響，改善管形質(zhì)量。在應(yīng)力補(bǔ)償過程中，鋼管從內(nèi)壁到外壁彈性應(yīng)變逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄詰?yīng)變，殘余應(yīng)力減少，鋼管的再加載變形流動(dòng)應(yīng)力提高，其局部及圓周范圍內(nèi)的形狀偏差及殘余應(yīng)力均勻化，管形趨于穩(wěn)定。在現(xiàn)實(shí)條件下，應(yīng)力補(bǔ)償也只能消除部分殘余應(yīng)力，無法全部消除。

根據(jù)塑性材料彈性變形與應(yīng)力、應(yīng)變的關(guān)系，建立管坯力學(xué)模型。

3.1 初始管坯力學(xué)模型

初始管坯微梁段力學(xué)模型如圖4所示。當(dāng)-t/2≤Z≤t/2（t為壁厚）時(shí)，

式中：ε0—初始當(dāng)量應(yīng)變；

Z—微梁段管環(huán)外壁在模型中的坐標(biāo)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(xué)模型

3.2 加載后管坯力學(xué)模型

以正向力矩為例，加載后管坯力學(xué)模型如圖5所示。當(dāng)-t/2≤Z≤t/2時(shí)，

式中：ρε—拉彎當(dāng)量應(yīng)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(dāng)量應(yīng)變

3.3 卸載后管坯力學(xué)模型

卸載后管坯力學(xué)模型如圖6所示。當(dāng)-t/2≤Z≤t/2時(shí)，

式中：εP—?dú)堄嗨苄詰?yīng)變；

ρεP—當(dāng)量應(yīng)變中性層曲率半徑；

ρP—彈復(fù)后截面幾何中性層曲率半徑。

圖6 卸載后當(dāng)量應(yīng)變

3.4 管壁進(jìn)入塑性變形時(shí)的彈復(fù)分析

設(shè)修整、矯圓后的管坯形狀參數(shù)為β，管坯的初始形狀參數(shù)為β0，通過系列運(yùn)算進(jìn)行彈復(fù)分析，

式中：a*—長半軸；

b*—短半軸；

ρpa—管坯內(nèi)側(cè)點(diǎn)彈復(fù)后的曲率半徑；

ρpb—管坯外側(cè)點(diǎn)彈復(fù)后的曲率半徑；

λ—擴(kuò)經(jīng)率；

λ1—彈性臨界擴(kuò)徑率；

λ2—塑性臨界擴(kuò)徑率；

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

將公式（9）計(jì)算方法導(dǎo)入EXECL表格，以Φ1 420 mm×16 mm焊接鋼管管端整形為例，對(duì)于Q235材質(zhì)，若管徑小于規(guī)定管徑10 mm，經(jīng)計(jì)算將內(nèi)徑擴(kuò)至Φ1 390 mm，彈復(fù)后可得理想直徑；對(duì)于Q345材質(zhì)，若管徑小于規(guī)定管徑10 mm，經(jīng)計(jì)算將內(nèi)徑擴(kuò)至Φ1 391 mm，彈復(fù)后可得到理想直徑。彈復(fù)量計(jì)算過程及結(jié)果見表3。

表3 彈復(fù)量計(jì)算過程及結(jié)果

4 管形維護(hù)

對(duì)于低鋼級(jí)大直徑鋼管（Φ1 420 mm及以上），在吊裝、儲(chǔ)存、運(yùn)輸甚至施工過程中，應(yīng)采用“米”字形或“十”字形支撐進(jìn)行管端管形保護(hù)，以防止管端變形，常用的管端保護(hù)方式如圖7所示。

圖7 常用管端保護(hù)方式

5 結(jié)束語

從以上對(duì)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(diào)、遞送線位置等影響管形的幾個(gè)關(guān)鍵因素展開分析，各個(gè)因素是同時(shí)存在并相互影響的，各種調(diào)整方法應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際綜合考慮、靈活運(yùn)用，達(dá)到所需要的穩(wěn)定狀態(tài)，達(dá)到管形控制的目的。成型后管形質(zhì)量較差或超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的鋼管（鋼管實(shí)際周長應(yīng)不大于規(guī)定周長）可以通過應(yīng)力補(bǔ)償消除部分殘余應(yīng)力，彈復(fù)后獲得較為理想的管形質(zhì)量。焊接及后續(xù)精整流程對(duì)大直徑螺旋埋弧焊管管形的影響本研究沒有涉及，后續(xù)可以做進(jìn)一步的探討、研究。

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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）

TG335.75

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.02.008

2016-12-14

編輯：羅 剛

王 潔（1987—），男，本科，工學(xué)學(xué)士，工程師，主要從事螺旋埋弧焊管生產(chǎn)工藝研究和質(zhì)量管理工作。