螺旋管焊縫"撅嘴"的原因分析

螺旋管生產(chǎn)中成型縫"撅嘴"是普遍存在的一種成型缺陷，在采用小成型角生產(chǎn)時表現(xiàn)尤其突出。分析了成型縫"撅嘴"的危害及其產(chǎn)生原因，提出了可行的控制措施，對緩解成型縫"撅嘴"，改善螺旋管成型縫質(zhì)量具有一定的借鑒及指導(dǎo)意義。 

1成型縫撅嘴的危害

1.1管線施工時組對困難

管線施工規(guī)范要求對口處螺旋焊縫必須錯開一定距離，"撅嘴"處不規(guī)則的圓弧段與另一鋼管較理想的圓弧段對縫，會產(chǎn)生環(huán)焊縫對縫錯邊，錯邊量的大小與圖1所示"撅嘴"量基本相等。

1.2管端內(nèi)焊縫打磨明顯傷及母材

現(xiàn)行產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)大都要求對鋼管管端至少150mm范圍內(nèi)的內(nèi)外焊縫進(jìn)行打磨，磨后余高為0-0.5mm。如果成型縫"撅嘴"較嚴(yán)重，在進(jìn)行內(nèi)焊縫打磨時,為保證磨后余高滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，將會明顯傷及焊縫兩側(cè)的鋼管母材，導(dǎo)致鋼管剩余壁厚減薄甚至超出標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.3加劇成型縫的內(nèi)緊外松

成型縫"撅嘴"會進(jìn)一步加劇內(nèi)緊外松，導(dǎo)致成型縫變化大、成型質(zhì)量不穩(wěn)定，出現(xiàn)焊縫燒穿、夾雜、未焊透等焊接缺陷，焊接規(guī)范的調(diào)整難以適應(yīng)成型縫的頻繁變化。

1.4成型縫附近應(yīng)力集中

"撅嘴"處曲率不規(guī)整，產(chǎn)生尺寸突變?nèi)毕荩?quot;撅嘴"處應(yīng)力(屬于一次應(yīng)力性質(zhì))集中系數(shù)增高，導(dǎo)致"撅嘴"處應(yīng)力集中，影響管線服役壽命，降低了管線運行的安全性和可靠性。

1.5影響焊縫外觀質(zhì)量

"撅嘴"嚴(yán)重的成型縫焊接時，內(nèi)焊易出現(xiàn)裂紋、焊縫邊緣不規(guī)整等缺陷[巧，外焊易出現(xiàn)焊縫偏流、焊縫余高過高等缺陷，對內(nèi)外防腐也會產(chǎn)生影響。

2成型縫"撅嘴"缺陷

成型縫"撅嘴"(也稱之為"竹節(jié)"或"梨形")現(xiàn)象在螺旋管生產(chǎn)中普遍存在，表現(xiàn)為成型縫兩側(cè)向外翹起，如圖l所示。"撅嘴"對鋼管質(zhì)量影響較大，但GB9711和APISPEC5L中都沒有此項質(zhì)量指標(biāo)的要求。隨著管線建設(shè)工程對鋼管質(zhì)量要求的不斷提高，成型縫"撅嘴"量也逐步成為一個重要的質(zhì)量指標(biāo)。從西氣東輸管線工程開始，在螺旋管供貨補充技術(shù)條件中對"撅嘴"做了明確的量化規(guī)定:焊縫兩側(cè)各50mm弧長范圍內(nèi)局部區(qū)域與鋼管理想圓弧的最大徑向偏差不得大于1.5mm[l]。因此，有效控制成型縫"撅嘴"顯得越來越重要。

3成型縫"撅嘴"原因分析

3.1成型時帶銅兩邊和中間部分變形量不一致 

帶鋼進(jìn)入三輯彎板機螺旋成型時，帶鋼兩邊和中部的變形不一致。由于內(nèi)焊頭裝置要占據(jù)一定的空間，懸臂輯(2#輻)布置不能覆蓋整個螺距，導(dǎo)致遞送邊緣100-150mm范圍內(nèi)的帶鋼彎曲變形不充分。另外，內(nèi)外輻各小輯之間有間距，很難調(diào)整至剛好壓住帶鋼邊緣。因此，帶鋼兩邊的變形沒有中間部分的變形充分，合縫時導(dǎo)致

"撅嘴"。

3.2合縫時帶鋼兩邊變形不一致

合縫處帶鋼兩邊變形不一致會導(dǎo)致兩邊"翹嘴"量不同。成型縫咬合處的自由邊已經(jīng)過三輻彎曲和外控輯輔助成型變形，變形較充分，遞送邊則剛進(jìn)入三輻彎板機，變形不充分，因此，成型縫咬合時遞送邊的"撅嘴"量比自由邊大。

3.3成型角越小越容易產(chǎn)生"撅嘴"

帶鋼在彎曲變形過程中，三轆彎板機的每排輯平行于鋼管中心線，沿垂直于成型縫方向剖開，鋼管的剖切面是一個橢圓，如圖2所示。

4成型縫"撅嘴"的控制措施

4.1改進(jìn)帶鋼邊緣預(yù)彎裝直

成型之前對帶鋼邊緣進(jìn)行預(yù)彎是防止成型縫"撅嘴"的有效措施，改進(jìn)預(yù)彎裝置設(shè)計對改善預(yù)彎效果尤為重要。

在工作狀態(tài)下，上下預(yù)彎轆轆面在垂直方向的間隙量

/1h=l+δm皿+/1l+(0.5-1.0)，式中:l帶鋼公稱厚度;

8max一帶鋼厚度極限上偏差;

/1t一帶鋼頭尾對接縫的最大錯邊量。

該結(jié)構(gòu)同樣要根據(jù)不同成型角和鋼管規(guī)格設(shè)計相應(yīng)的預(yù)彎輯。要保證該裝置正常工作，對帶鋼頭尾對接提出了更高要求:一是對接縫錯邊量必須嚴(yán)格控制，二是對帶鋼兩邊參與預(yù)彎寬度范圍內(nèi)的對接焊縫余高進(jìn)行磨平處理，磨后余高控制在0-0.5mm內(nèi)。

(3)采用三輯預(yù)彎裝直

蘭車?yán)ヮA(yù)彎裝置基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。裝置主要由箱體、上預(yù)彎輯壓下機構(gòu)(蝸輪蝸桿減速器)、上下預(yù)彎輯、3#預(yù)彎輯及進(jìn)退機構(gòu)等部件組成。裝置可在其底座上沿帶鋼寬度方向整體進(jìn)退，以調(diào)節(jié)帶鋼預(yù)彎寬度和彎曲點位置。2#預(yù)彎輯的升降采用電動蝸輪蝸桿機構(gòu)自動調(diào)整，3#預(yù)彎輯在帶鋼寬度方向上的進(jìn)退采用手動絲桿傳動機構(gòu)調(diào)整，通過調(diào)整γ預(yù)彎輯的壓下量和Y預(yù)彎輻的進(jìn)退量來滿足不同鋼管規(guī)格和成型角對帶鋼邊緣的預(yù)彎要求。

采用該預(yù)彎裝置也存在一定的局限性。由于裝置本身在帶鋼寬度方向占據(jù)的空間較大，在采用窄板(帶鋼工作寬度運導(dǎo)板寬度+5∞mm)生產(chǎn)時卷邊預(yù)彎效果較差。另一方面，受裝置本身橫向尺寸的制約，帶鋼上下限位導(dǎo)板距離帶鋼邊緣相對較遠(yuǎn)，給帶鋼遞送線的控制帶來了一定的難度，在薄板低鋼級鋼管生產(chǎn)時遞送線控制難度更大。

4.2優(yōu)化調(diào)整邊緣預(yù)彎工藝參數(shù)

無論采用上述哪種結(jié)構(gòu)的裝置對帶鋼邊緣進(jìn)行預(yù)彎，對預(yù)彎工藝參數(shù)進(jìn)行合理調(diào)整和不斷優(yōu)

化都很重要。根據(jù)不同的成型角、鋼管管徑、鋼級、壁厚和成型縫"撅嘴"程度對預(yù)彎裝置整體進(jìn)退量、上預(yù)彎輻壓下量、帶鋼邊緣彎曲寬度、彎曲點位置等主要工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并不斷總結(jié)優(yōu)化，滿足標(biāo)準(zhǔn)對成型縫"撅嘴"量指標(biāo)的要求。

由前面原因分析已知，成型縫遞送邊"撅嘴"比自由邊嚴(yán)重，因此，如果工藝位置允許，可在遞送邊設(shè)置兩套預(yù)彎裝置，分別選擇帶鋼邊緣不同的點進(jìn)行彎曲，保證預(yù)彎充分。

4.3選擇合適的成型角

APISPEC5L標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:螺旋管生產(chǎn)的寬(工作板寬)徑(鋼管外徑)比為0.8_3.0[4]，也就是說成型角范圍為15°-75°。從經(jīng)濟性考慮，成型角越小越好，可提高生產(chǎn)效率，降低各種材料消耗。從可行性考慮，采用小成型角時，成型縫"撅嘴"加劇，成型焊接的穩(wěn)定性降低;采用大成型角生產(chǎn)時，可有效緩解成型縫"撅嘴"，但生產(chǎn)效率相對較低，材料消耗高。同時，考慮鋼廠可提供熱軋帶鋼寬度范圍等因素，生產(chǎn)大直徑鋼管時應(yīng)選擇相對偏大的成型角，生產(chǎn)小直徑螺旋焊管時應(yīng)選擇相對偏小的成型角。因此，從生產(chǎn)經(jīng)濟性、可行性和成型縫"撅嘴"等多方面綜合考慮，在45。-65。范圍內(nèi)優(yōu)選成型角較為適宜。

4.4提高圓盤剪的剪切質(zhì)量

對于采用圓盤剪工藝來保證帶鋼工作寬度的螺旋管機組，剪切后帶鋼邊緣的平整度和彎曲方向?qū)Τ尚涂p"撅嘴"也有一定的影響O

以前多數(shù)螺旋管生產(chǎn)線圓盤剪刃的安裝布置方式如圖6所示，上剪刃在外，下剪刃在內(nèi)。在剪切過程中，上剪刃向下的剪切力導(dǎo)致帶鋼邊緣向下產(chǎn)生彈塑性彎曲變形，在剪切外力去除后，彈性變形部分恢復(fù)，但塑性變形部分導(dǎo)致帶鋼邊緣向下彎曲，其彎曲方向正好與邊緣預(yù)彎的方向相反，與成型縫固有的"撅嘴"相疊加，加刷了成型縫"撅嘴"。另一方面，剪切導(dǎo)致的反向彎曲往往產(chǎn)生在帶鋼邊緣15-20mm內(nèi)，要依靠邊緣預(yù)彎裝置進(jìn)行反向彎曲幾乎不可能。

4.5配套措施

帶鋼邊緣預(yù)彎裝置安裝在遞送機和成型人口帶鋼控制立輯之間，帶鋼邊緣經(jīng)預(yù)彎處理后要通過一對控制立輯再進(jìn)入成型器，因此該控制立輯的輻型設(shè)計必須滿足預(yù)彎后帶鋼端面的控制要求，否則將會導(dǎo)致帶鋼遞送線控制難度加大和帶鋼邊緣擠厚等問題出現(xiàn)。如罔8所示，帶鋼邊緣經(jīng)預(yù)彎后其端面與垂直面存在夾角β，人口控制立轆轆型設(shè)計時輯面也應(yīng)為β角錐面輯，以有效控制帶鋼遞送線。

5結(jié)語

成型縫"撅嘴"是由于帶鋼邊緣變形不充分造成的，"撅嘴"量與邊緣變形量差異大小直接相關(guān)，還與成型角、管徑、鋼級和壁厚等因素有關(guān)，在采用小成型角生產(chǎn)中小直徑鋼管時表現(xiàn)突出。較嚴(yán)重的成型縫"撅嘴"對產(chǎn)品質(zhì)量造成較大影響,其危害性很大。

工藝設(shè)計時優(yōu)選成型角、優(yōu)化調(diào)整帶鋼邊緣預(yù)彎工藝參數(shù)、改進(jìn)預(yù)彎裝置輯型和結(jié)構(gòu)設(shè)計、提高帶鋼邊緣剪切質(zhì)量等是緩解成型縫"撅嘴"的可行措施，能有效控制成型縫"撅嘴"量指標(biāo)，使其滿足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求，提高成型焊接質(zhì)量。