大直徑焊接直縫鋼管冷成型技術(shù)研究

張艷芳

(海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島， 266520)

大直徑焊接直縫鋼管冷成型技術(shù)研究

張艷芳

(海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島， 266520)

伴隨世界經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，世界各國(guó)對(duì)空間和資源的需求越來(lái)越強(qiáng)烈。在結(jié)構(gòu)工程中，通常由梁構(gòu)件來(lái)承受彎矩，由管構(gòu)件來(lái)承受拉壓力。對(duì)于大管徑鋼管，一般在工程中采用螺旋焊接鋼管和直縫焊接鋼管。長(zhǎng)期的理論研究及工程實(shí)踐均證明，直縫焊接鋼管具有較優(yōu)良的力學(xué)服役性能，因此在重要工程中得以大量應(yīng)用。在此背景下，對(duì)大管徑直縫鋼管的冷成型技術(shù)進(jìn)行了全面的分析，并提出了一定的優(yōu)化意見，為結(jié)構(gòu)和相關(guān)行業(yè)提供參考。

大直徑；直縫焊接鋼管；冷成型

0 引言

空間或資源的獲取都是通過(guò)不同的結(jié)構(gòu)物來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這些結(jié)構(gòu)物的整體安全由每個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的力學(xué)性能所決定，對(duì)于近年來(lái)尺寸不斷增大的結(jié)構(gòu)物，其承受拉壓力的管狀構(gòu)件的安全服役顯得尤其重要。由于直縫焊接鋼管優(yōu)良的力學(xué)和服役性能，無(wú)論是超高層建筑的樁基工程、大跨度的工業(yè)或民用建筑還是港口及海洋工程，均有大量的直縫焊接鋼管應(yīng)用于工程實(shí)踐。此外，在化工生產(chǎn)工藝和流體輸送領(lǐng)域，鋼管構(gòu)件也是不可或缺的。

大直徑焊接鋼管主要由螺旋焊管和直縫焊管兩種形式。螺旋焊管不能生產(chǎn)厚壁管，其生產(chǎn)效率比直縫鋼管低，況且目前國(guó)際上建造高壓管線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)已明確規(guī)定不能使用螺旋焊管來(lái)建造高壓油氣輸送管線和水下管線[1]。而直縫焊管由于其較小的生產(chǎn)線投資和較廣的應(yīng)用范圍取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，下面就常用的大直徑焊接直縫鋼管高質(zhì)量卷制冷成型技術(shù)進(jìn)行一定的論述。

1 大直徑鋼管的用途

大直徑鋼管主要有兩種用途：(1) 作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件用于承載；(2) 作為流體輸送管線用于承壓。這里的大直徑是一個(gè)相對(duì)的概念，凡是可以在鋼廠通過(guò)熱軋或冷拔工藝生產(chǎn)的無(wú)縫鋼管均不認(rèn)為是大直徑鋼管，這里的大直徑僅指采用板材冷成型所必須的外徑。

鋼管結(jié)構(gòu)最早應(yīng)用于海洋結(jié)構(gòu)物，自從1947年第一座鋼質(zhì)海洋平臺(tái)在墨西哥灣建成后，人們才真正認(rèn)識(shí)到鋼管作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的力學(xué)優(yōu)越性[2]。其后，隨著鋼材冶煉技術(shù)的發(fā)展以及設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)理論方法的不斷進(jìn)步，鋼管結(jié)構(gòu)已經(jīng)在海洋工程結(jié)構(gòu)、高承載樁基工程、大跨度結(jié)構(gòu)物等方面得到了全面應(yīng)用。

大直徑鋼管也經(jīng)常用于油氣長(zhǎng)距離輸送和化工工藝裝置中的流體輸送。與結(jié)構(gòu)鋼管不同的是：用于流體輸送的鋼管需要通過(guò)水壓試驗(yàn)，其壁厚也相對(duì)較薄，但從制造工藝和結(jié)構(gòu)特性上二者并無(wú)區(qū)別。

2 冷成型工藝的選擇

目前，大直徑管的冷成型工藝主要有壓制和卷制兩種方法：壓制是使用壓力機(jī)進(jìn)行沖壓使鋼板發(fā)生斷續(xù)的彈塑性變形得到預(yù)定的形狀；卷板機(jī)是使金屬板材根據(jù)三點(diǎn)成圓原理，利用工作輥的相對(duì)位置變化和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使鋼板產(chǎn)生連續(xù)彈塑性彎曲而獲得預(yù)定形狀及精度[3]。壓制方法節(jié)省成本，對(duì)小管徑效率高；卷制方法設(shè)備投資大，適用性強(qiáng)。

由于壓制管不是連續(xù)成型，從圖1中可以看出，壓制管表面具有明顯的壓制加工痕跡。這些痕跡在承受普通載荷下并無(wú)顯著的問(wèn)題，但在海洋環(huán)境復(fù)雜載荷的服役工況下其疲勞特性較差?；诖?，壓制冷成型工藝一般用于管線和非疲勞荷載的陸地工程。而卷制冷成型后的管就無(wú)此缺陷，且卷制成型后橢圓度及表面光滑度也優(yōu)于壓制成型管，如圖1b所示。因此，在受力復(fù)雜的海洋和陸地上的重要工程中，所用大直徑管一般采用卷制冷成型工藝。

圖1 壓制管和卷制管

3 卷板機(jī)綜合能力

圖2 三輥卷板機(jī)工作示意圖

三輥卷板機(jī)是直縫焊接鋼管和壓力容器制造的主要設(shè)備之一，目前應(yīng)用最廣的是上輥移動(dòng)式卷板機(jī)， 如圖2所示，一般在說(shuō)明書中僅給出卷板機(jī)的最大工作能力[4]。卷板機(jī)最大卷制長(zhǎng)度為3 m，其綜合能力主要受所卷板材的屈曲極限、板材的寬度、板厚和筒體外徑四個(gè)因素影響，從公式測(cè)算和卷制的工程實(shí)踐來(lái)看：屈曲極限和徑厚比對(duì)卷制長(zhǎng)度的影響較大，對(duì)于常用的屈服強(qiáng)度為315 MPa的鋼板，徑厚比接近20的鋼管其卷制長(zhǎng)度很難達(dá)到3 m，在作業(yè)的時(shí)候需注意控制卷制長(zhǎng)度以防止卷板機(jī)斷軸事故的發(fā)生。

陸地工程以及低強(qiáng)度工程用焊接直縫鋼管材料主要參照GB 700-2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》進(jìn)行，海洋工程用焊接直縫鋼管材料則主要采用中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)提出的GB 712-2011《船舶與海洋工程用鋼》執(zhí)行，該標(biāo)準(zhǔn)參照了中國(guó)船級(jí)社《材料及焊接規(guī)范》進(jìn)行修訂。其強(qiáng)度等級(jí)涵蓋了235～690 MPa范圍，但經(jīng)常用于卷管的主要有315 MPa和355 MPa兩個(gè)強(qiáng)度等級(jí)。

對(duì)于壁厚不小于38 mm節(jié)點(diǎn)位置主桿用鋼或承受拉力的重要部位用鋼，為了保證鋼板厚度方向的力學(xué)性能，需要采用具有抗層狀撕裂特性的Z向性能鋼。由于目前的鋼材基本均能滿足沿鋼板厚度方向的斷面收縮率不低于15%的要求，故該規(guī)范中忽略了Z15等級(jí)，僅保留了較高級(jí)別的Z25、Z35等級(jí)[5]。在實(shí)際使用中，Z25等級(jí)也很少使用，一般只采用Z35等級(jí)的抗層狀撕裂鋼，且Z向鋼對(duì)卷制能力要求沒(méi)有影響。

4 焊接直縫鋼管冷成型工藝

小直徑的鋼管可以在鋼廠通過(guò)熱軋或冷拔工藝制造且造價(jià)較低，卷制冷成型鋼管只適用于外徑Φ≥406 mm的非標(biāo)準(zhǔn)生直縫鋼管的制造。出于材料本身冷加工性能的考慮，并非所有曲率的鋼管都能通過(guò)卷板機(jī)制造。曲率過(guò)大會(huì)導(dǎo)致鋼板外表面塑性變形過(guò)大從而產(chǎn)生裂紋，在工程應(yīng)用中一般以鋼管外徑與其厚度的比值20為界限，大于等于該數(shù)值則可以采用冷成型工藝，低于該數(shù)值則只能采用熱成型工藝。在工程設(shè)計(jì)中，出于降低工程成本和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化的考慮，應(yīng)力求不采用徑厚比小于20的結(jié)構(gòu)鋼管。

挪威船級(jí)社海洋油氣工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)DNV-OS-C401對(duì)冷成型鋼板的最終塑性變形做出了明確的規(guī)定并推薦計(jì)算公式[6]如下：

式中：t為鋼管的壁厚；Rc為鋼管的半徑(取外徑)。

上述公式和徑厚比均出于較大塑性變形會(huì)造成表面裂紋等冷加工缺陷的考慮，二者在根本出發(fā)點(diǎn)上是統(tǒng)一的，可以根據(jù)業(yè)主不同的技術(shù)要求選用不同的判斷方法。以下為大管徑焊接直縫鋼管的卷制冷成型加工方法的工藝流程。

4.1 號(hào)料及切割

鋼板卷制成鋼管的過(guò)程是一個(gè)通過(guò)卷板機(jī)施加外力使鋼板發(fā)生連續(xù)彈塑性變形獲得既定曲率的過(guò)程。對(duì)于較薄的鋼板，號(hào)料時(shí)沿鋼管的中徑展開；對(duì)于較厚的鋼板，號(hào)料時(shí)采用內(nèi)徑加1/3壁厚的原則展開，實(shí)踐證明二者均可以獲得理想的曲率。之所以區(qū)別對(duì)待，主要是考慮到厚板會(huì)產(chǎn)生較大的塑性變形。鋼管具體的周長(zhǎng)方向展開原則可以由試卷的實(shí)際情況決定。

為了獲得較好的加工精度同時(shí)兼顧效率，下料工作一般由數(shù)控切割機(jī)或半自動(dòng)火焰切割機(jī)完成。在幾何精度方面，需要控制鋼板的長(zhǎng)寬不偏離名義數(shù)值2 mm之內(nèi)；控制兩條對(duì)角線之間的差值不超過(guò)3 mm。在下料階段控制好鋼板的切割精度，卷制后基本不需要進(jìn)行修口處理。

縱焊縫焊接坡口需要在卷制前完成，有火焰切割和機(jī)械加工兩種方法，其中火焰切割效率較高。環(huán)焊縫焊接坡口卷制前或卷制后完成均可以，在下料時(shí)遵照焊接工藝規(guī)程要求開好焊接坡口比較經(jīng)濟(jì)且工效較高。下料完畢應(yīng)對(duì)鋼板幾何尺寸和焊接坡口的精度進(jìn)行檢驗(yàn)，同時(shí)應(yīng)在醒目位置標(biāo)示出卷制方向。

4.2 端部成型

從理論上來(lái)講，鋼材的屈曲強(qiáng)度越高，厚度越大，端部的寬度越短其剛度越大，到無(wú)限短時(shí)其剛度就接近于無(wú)限大，這樣就會(huì)造成在兩端出現(xiàn)曲率不滿足。控制端部成型的目標(biāo)就是將這種端部的曲率不滿足控制在可接受的范圍內(nèi)。

在壓制成型的過(guò)程中，鋼板會(huì)同時(shí)發(fā)生彈塑性變形，其塑性變形需要進(jìn)行檢測(cè)，從而選擇合適的胎具；同時(shí)為了獲得理想的成型，要求胎具表面具有良好的抗滑特性。

對(duì)于薄板，其端部剛度較小，壓頭成型的曲率較精確。對(duì)于厚板，其端部剛度越大，把其壓制成既定的曲率需要的壓力越大，而且這種壓力要求經(jīng)常超出目前壓力機(jī)的工作范圍。對(duì)于這種情況通常采用以下方法處理：把用來(lái)壓頭的胎具加工成劈尖形狀，增加局部應(yīng)力，采用多道多次成型；放棄不容易成型的直邊，在號(hào)料時(shí)預(yù)留出既定的余量，將余量當(dāng)作直邊成型后切割掉。

4.3 卷制冷成型

圖3 鋼板卷制成O形

常用的三輥卷板機(jī)又分為上輥移動(dòng)式和下輥同軸移動(dòng)式兩種，在成型精度上，兩種卷板機(jī)并無(wú)明顯的區(qū)別。由卷管機(jī)把鋼板由C形加工成成O形，即所需要的圓管，如圖3所示。

整個(gè)卷制工程要遵循漸進(jìn)成型的原則，不能為了追求效率使一次曲率變化太大，這樣不僅會(huì)造成不良的橢圓度，還會(huì)使鋼板內(nèi)部產(chǎn)生大量方向雜亂的殘余應(yīng)力，有的時(shí)候殘余應(yīng)力足以破壞點(diǎn)焊焊道；同時(shí)也不應(yīng)采用過(guò)多次的卷制次數(shù)，否則會(huì)造成較大的錯(cuò)皮且不利于后期殘余應(yīng)力釋放后的調(diào)圓，具體的成型次數(shù)由實(shí)驗(yàn)確定并不斷根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。

4.4 鋼管的拼接

圖4 鋼管接長(zhǎng)示意圖

直縫焊接鋼管的接長(zhǎng)在環(huán)縫上的處理上并沒(méi)有爭(zhēng)議， 管徑小于610 mm的直縫管采用單面焊接工藝；管徑大于等于610 mm的直縫管采用雙面焊工藝。具體采用單面焊還是雙面焊主要是出于施焊空間的考慮，在設(shè)備和施工條件允許的情況下盡量采用熱量較小且焊接缺陷率較低的雙面焊接工藝，其產(chǎn)生較小的焊接熱變形和內(nèi)部殘余應(yīng)力。在工程實(shí)踐中，因內(nèi)部殘余應(yīng)力導(dǎo)致固定焊道開裂的事件時(shí)有發(fā)生。鋼管接長(zhǎng)示意圖如圖4所示。

對(duì)相鄰管段縱焊縫的沿外環(huán)皮方向間距，不同規(guī)范的處理方式不同。對(duì)于一道縱焊縫的管段接長(zhǎng)，建議采用國(guó)標(biāo)推薦做法：兩道相鄰縱縫之間的外環(huán)皮方向的間距盡量大且不低于90°。不同的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其要求有所不同，但其目的都是為了有效的避開相鄰管段縱焊縫之間的熱影響區(qū)重疊。對(duì)于具體采用哪種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可以根據(jù)業(yè)主的技術(shù)要求和卷板機(jī)作業(yè)能力、可獲得材料的實(shí)際情況確定。

4.5 馬鞍口及其焊接坡口加工

馬鞍口及其焊接坡口的切割工作有手工切割和數(shù)控馬鞍口切割機(jī)兩種方法，目前數(shù)控馬鞍口切割機(jī)使用范圍有限，只能適用于局部二面角不小于30°的較小管徑馬鞍口的加工；局部二面角小于30°或管徑較大的情況下只能對(duì)照樣板劃線后進(jìn)行手工切割。

對(duì)于馬鞍口相貫線來(lái)講，內(nèi)皮相貫線在計(jì)算理論和其應(yīng)用之間并沒(méi)有本質(zhì)的差別，但是焊接坡口的不同導(dǎo)致了采用不同焊接標(biāo)準(zhǔn)會(huì)得到不同的局部二面角，這樣就造成了不同的外皮相貫線。

由于施焊空間受限，管節(jié)點(diǎn)處馬鞍口的焊接方式只能采用單面焊，目前采用的圓管馬鞍口焊接國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)以美國(guó)石油協(xié)會(huì)的API-RP-2A和美國(guó)焊接協(xié)會(huì)的AWS-D1.1為主，其中AWS-D1.1在海洋工程項(xiàng)目中應(yīng)用較廣泛。二者的區(qū)別主要體現(xiàn)在對(duì)小角度局部二面角的處理中，API-RP-2A采用了坡口填充焊方法，而AWS-D1.1采用了填角焊方法。實(shí)驗(yàn)證明，二者均能滿足節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度的要求。

4.6 鋼管制造公差

鋼管的制造公差與其內(nèi)部殘余應(yīng)力的大小及分布決定著其服役性能。內(nèi)部殘余應(yīng)力涉及到原材料、加工方法、甚至不同的操作人員也會(huì)有不同，難以量化處理。而制造公差不同，其可以通過(guò)目前的測(cè)量方法量化成具體的數(shù)值，更有利于質(zhì)量控制。

直縫鋼管的冷成型要注重過(guò)程中的精度控制，對(duì)每一個(gè)操作步驟均設(shè)定嚴(yán)格的精度標(biāo)準(zhǔn)并嚴(yán)格檢驗(yàn)。關(guān)鍵控制參數(shù)如下：下料后鋼板的方度、管段的橢圓度、管段之間對(duì)接的錯(cuò)皮及直線度。參照國(guó)內(nèi)外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求，同時(shí)結(jié)合實(shí)踐情況，卷制冷成型直縫鋼管接長(zhǎng)后的最終公差數(shù)據(jù)及測(cè)量基準(zhǔn)見表1。

表1 卷制冷成型鋼管接長(zhǎng)后的最終公差和測(cè)量基準(zhǔn)

5 結(jié)論

由于直縫焊接鋼管在多種復(fù)雜環(huán)境中具有優(yōu)良的服役性能，其在超高層建筑的樁基工程、大跨度的工業(yè)或民用建筑、港口和海洋工程中得到了廣泛的應(yīng)用。該文充分借鑒了國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范技術(shù)要求及同行的良好實(shí)踐，分別從焊接直縫鋼管的用途、工藝選擇、設(shè)備綜合能力評(píng)定以及冷成型加工工藝等方面進(jìn)行了詳盡地描述，并對(duì)鋼管制造公差進(jìn)行了研究且提出了具體的要求。該文研究成果對(duì)超高層建筑的樁基工程、大型陸地工程、港口及海洋工程等重要工程中使用的大直徑焊接直縫鋼管的選用和冷成型加工具有重要的指導(dǎo)意義。另外，流體輸送用管線和油氣儲(chǔ)罐和壓力容器也采用類似的方法制造，對(duì)其也具有較大的參考意義。

[1] 刑其臻，徐昂善. 大口徑直縫焊接鋼管的生產(chǎn)和發(fā)展[J]. 鞍鋼技術(shù)，2000(1)：8-12.

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[3] 刑榮偉. 卷板機(jī)的現(xiàn)狀和發(fā)展 [J]. 鍛壓裝備與制造技術(shù)，2010，121(2)：10-16.

[4] 趙立春，趙蕓. 三輥卷板機(jī)工作能力換算 [J]. 中國(guó)化工裝備，2008，10(3)：39-40.

[5] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.船舶與海洋工程用結(jié)構(gòu)鋼：GB-712-2011[S].2011.

[6] DNV.Fabrication and Testing of Offshore Structures：DNV-OS-C401[S].2013.

Study on the Cold Forming of Large Diameter Straight welded Pipes

ZHANG Yanfang

(China Offshore Oil Engineering (Qingdao) Co., Ltd., Qingdao 266520，Shandong， China )

Along with the rapid economic development across the world, the increasingly strong demands for space and resources have urged various countries continuously by building various structures. In structure engineering, beam member always used to bear the moment and the pipe member used to bear the tensile or compressive force. When refer to the large diameter steel pipe, spiral or straight welded pipe is generally used in engineering. Proved by long-term theoretical research and engineering practices, the straight welded pipe has superior mechanical properties, so it widely used in key project. Under this general background, this paper makes a systematic introduction of the cold forming of straight welded pipe, and provide some optimization criteria, it is essential to the steel structure and relative field.

large diameter; straight welded pipe; cold forming

2016-12-29

張艷芳(1969-)，男，高級(jí)工程師

1001-4500(2017)01-0091-05

TE24

A