螺旋焊管成型縫"翹嘴"的分析與控制

摘要:螺旋焊管生產(chǎn)中，成型縫"翹嘴"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"翹嘴"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"翹嘴"，改善螺旋焊管成型縫質(zhì)量具有一定的借鑒及指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞:螺旋焊管;成型縫"翹嘴";原因分析;控制措施

成型縫"翹嘴" (也稱之為"竹節(jié)"或"梨形") 現(xiàn)象在螺旋焊管生產(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。"翹嘴"對鋼管質(zhì)量影響 較大，但GB 9711和API SPEC 5L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"翹嘴"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，在螺旋焊管供貨補充技術(shù)條件中對"翹嘴"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"翹嘴"顯得越來越 重要。

 

2.1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，"翹嘴"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"翹嘴"量基本相等。
2.2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)外焊縫進行打磨，磨后余高為0-0.5 mm。如果成型縫"翹嘴"較嚴(yán)重，在進行內(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。
2.3加劇成型縫的內(nèi)緊外松
成型縫"翹嘴"會進一步加劇內(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。
2.4成型縫附近應(yīng)力集中
"翹嘴"處曲率不規(guī)整，產(chǎn)生尺寸突變?nèi)毕荩��?quot;翹嘴"處應(yīng)力(屬于一次應(yīng)力性質(zhì))集中系數(shù) 增高，導(dǎo)致"翹嘴"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。
2.5影響焊縫外觀質(zhì)量
"翹嘴"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。

3.1成型時帶銅兩邊和中間部分變形量不一致 帶鋼進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 -150 mm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
"翹嘴"。
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 則剛進入三輻彎板機，變形不充分，因此，成型縫 咬合時遞送邊的"翹嘴"量比自由邊大。
3.3成型角越小越容易產(chǎn)生"翹嘴"
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。

橢圓長軸α= D/cosα，短軸b=D。成型角α 越小，cosα越大，橢圓長軸α就隨之變短，焊縫B 處的曲率增大，"翹嘴"趨勢就越大[3 ]。
此外，"翹嘴"傾向還與管徑、壁厚、材質(zhì)等有 關(guān)，管徑越小、壁厚越大、鋼級越高，"翹嘴"趨勢 越大。

4.1改進帶鋼邊緣預(yù)彎裝直
成型之前對帶鋼邊緣進行預(yù)彎是防止成型縫 "翹嘴"的有效措施，改進預(yù)彎裝置設(shè)計對改善預(yù) 彎效果尤為重要。
目前，國內(nèi)螺旋焊管制造廠普遍采用的預(yù)彎 裝置輯型如圖3所示。該裝置可整體進退調(diào)整帶 鋼預(yù)彎邊寬度，通過上輯上下調(diào)節(jié)可調(diào)整彎曲量
的大小。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)節(jié)方便、容易維 修。缺點在于:一是在板寬方向上，下輯的相對位 置不能調(diào)整，無法改變彎曲點的位置;二是同一輯 型不能適應(yīng)不同規(guī)格鋼管邊緣彎曲的工藝要求。 因此，預(yù)彎裝置輯型及結(jié)構(gòu)應(yīng)從以下幾方面進行 改進設(shè)計。

(1)優(yōu)化預(yù)彎扭扭型
根據(jù)不同的成型角和鋼管規(guī)格設(shè)計相應(yīng)的預(yù) 彎轆轆型，重點優(yōu)化設(shè)計圖3中的磯和幾以及 磯和凡的圓心位置，同時可將上預(yù)彎輻機構(gòu)設(shè) 計成在板寬方向相對于下預(yù)彎輯位置具有可調(diào)整 的功能，以改變彎曲點的位置，滿足不同的預(yù)彎工 藝要求。
(2)采用上下預(yù)彎扭曲面貼合設(shè)計
改進后的預(yù)彎輻輻型采用工下預(yù)彎輯曲面的 貼合設(shè)計，如圖4所示。

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)的對接焊縫余高進行磨平處理，磨后余高控 制在0-0.5 mm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 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，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 行預(yù)彎，對預(yù)彎工藝參數(shù)進行合理調(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"翹嘴"程度對預(yù)彎裝置整體進 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)進行調(diào)整，并不斷總結(jié)優(yōu) 化，滿足標(biāo)準(zhǔn)對成型縫"翹嘴"量指標(biāo)的要求。
由前面原因分析已知，成型縫遞送邊"翹嘴" 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 的點進行彎曲，保證預(yù)彎充分。
4.3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 螺旋焊管機組，剪切后帶鋼邊緣的平整度和彎曲 方向?qū)Τ尚涂p"翹嘴"也有一定的影響O
以前多數(shù)螺旋焊管生產(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"翹嘴"相疊加，加刷了成型 縫"翹嘴"。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 -20 mm內(nèi)，要依靠邊緣預(yù)彎 裝置進行反向彎曲幾乎不可能。
可通過調(diào)整圓盤剪刃的布置方式解決上述問 題。如罔7所示，將上剪刃布置在內(nèi)，下剪刃布置 在外。剪切過程中，下剪刃對帶鋼的剪切力向上，

帶鋼邊緣產(chǎn)生塑性變形的彎曲方向向上，與邊緣 預(yù)彎的方向相同，可有效緩解成型縫"翹嘴"。
4.4選擇合適的成型角
API SPEC 5L標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:螺旋焊管生產(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 "翹嘴"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"翹嘴"，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)小直徑鋼管時應(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"翹嘴"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。
4.5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。

當(dāng)人口立轆轆面設(shè)計為圖8所示錐面輯時， 如果帶鋼"跑偏"嚴(yán)重，立輯受力過大，由于立轆 錐面對帶鋼端面存在向下的分力，就會導(dǎo)致帶鋼 邊緣向下彎曲(以下導(dǎo)板輯作為支點) ，帶鋼邊緣 反向預(yù)彎，削減預(yù)彎效果。因此，采用錐面立輯時 必須保證帶鋼遞送平穩(wěn)，杜絕嚴(yán)重"跑偏"，減小 立輯受力，避免帶鋼向下彎曲。
5結(jié)語
成型縫"翹嘴"是由于帶鋼邊緣變形不充分 造成的，"翹嘴"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"翹嘴"對產(chǎn)品質(zhì)量造成較大影響， 其危害性很大。筆者認(rèn)為: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"翹嘴"的可行措施，能有效控制成型 縫"翹嘴"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。
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[3]楊玉璧.螺旋焊管成型工藝[J] .焊管通訊，1980 ( I ) : 18 -19.
[4] API SPEC 5L，管線銅管規(guī)范(第43版)[S] .
作者簡介:劉成坤(1969 - ) ，男，高級工程師，1991年畢業(yè) 于長江大學(xué)(原江漢石油學(xué)院)礦業(yè)機械專業(yè)，從事螺旋 焊管制造工藝與裝備技術(shù)工作。
收稿日期:2∞7一07 -03 編輯:謝淑霞

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