大直徑輸水鋼管承插搭接焊接口設(shè)計(jì)與應(yīng)用

夏連寧，張 亮，李 琦，明 皓

（1.上海福諳管道技術(shù)有限公司，上海 201203；2.山東禹王管業(yè)有限公司，山東 鄒平 256200）

0 引 言

目前，鋼制管道現(xiàn)場(chǎng)焊接連接方式主要包括對(duì)接焊和搭接焊兩種。油氣管道現(xiàn)場(chǎng)連接通常采用對(duì)接焊，為了保證對(duì)接焊質(zhì)量，鋼管生產(chǎn)時(shí)對(duì)兩端管口進(jìn)行了定徑 （或擴(kuò)徑），現(xiàn)場(chǎng)也通常采用對(duì)口器和自動(dòng)焊接裝置進(jìn)行組焊，焊后進(jìn)行無損探傷和防腐補(bǔ)口。輸水鋼管的特點(diǎn)是直徑較大，壁厚較薄，管口不圓度較大，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)接時(shí)通常采取溝下手工組焊，由于操作空間小，對(duì)口誤差大（不圓度和管口垂直度偏差大），對(duì)焊工的技術(shù)要求較高。輸水鋼管現(xiàn)場(chǎng)對(duì)接焊耗費(fèi)工時(shí)長(zhǎng)，焊接質(zhì)量也存在隱患，失效往往發(fā)生在對(duì)接焊口處[1]。

承插搭接焊連接方式在國(guó)外大直徑輸水鋼管管道工程中已有許多成功的應(yīng)用[2]，但在國(guó)內(nèi)并沒有被廣泛采用，而且在輸水鋼管的設(shè)計(jì)、施工規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中也沒有相關(guān)的技術(shù)要求[3-4]。埋地輸水鋼管的生產(chǎn)和安裝往往是參照其他油氣管道和壓力容器的做法實(shí)施。然而，高壓容器和輸水管道之間存在顯著差異，一些試驗(yàn)研究和成功案例提供的管道搭接焊參數(shù)表明，單搭接焊接口適用于大多數(shù)焊接輸水鋼管，內(nèi)外雙搭接焊縫強(qiáng)度大約比單搭接提高10%。本研究通過大直徑輸水鋼管承插搭接焊接接口的參數(shù)設(shè)計(jì)，對(duì)承插搭接焊的結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行了分析，并通過試驗(yàn)?zāi)M了現(xiàn)場(chǎng)焊接和試壓，以說明承插搭接焊接接口的優(yōu)點(diǎn)，為我國(guó)輸水鋼管的生產(chǎn)和安裝提供更好的解決方案。

1 壓力容器的承插搭接焊接口設(shè)計(jì)

壓力容器和輸水管道之間存在顯著差異，從它們的加工方法和用途來看，壓力容器一般采用斷續(xù)生產(chǎn)的卷板成型和縱焊，然后環(huán)焊組焊，通常用在高溫高壓工況下；而輸水鋼管一般采用連續(xù)螺旋成型和自動(dòng)埋弧焊，設(shè)計(jì)焊縫強(qiáng)度大于母材強(qiáng)度。承插搭接焊出現(xiàn)在早期的壓力容器封頭焊接中，其主要形式有兩種：一種連接是 “嚙合榫接頭”，如圖1（a）所示，由于組焊兩個(gè)材料的受力軸線重合，這種焊接形式更接近于對(duì)接焊；另一種連接方式是承插搭接角焊，如圖1（b）所示。壓力容器通常在高溫高壓下運(yùn)行，因此設(shè)計(jì)上考慮的安全系數(shù)較高。美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)（ASME）的鍋爐及壓力容器規(guī)范 （BPVC）第八卷第1 冊(cè) 《壓力容器建造規(guī)范》[5]中，橢圓封頭承插搭接焊連接要求的最小設(shè)計(jì)壁厚th見公式 （1）

式中：th——封頭壁厚，mm；

P——內(nèi)壓，MPa；

D——封頭直徑，mm；

S——許用應(yīng)力，MPa；

E——焊縫有效系數(shù)，取0.85。

例如：設(shè)計(jì)條件下，容器壓力為0.7 MPa，封頭直徑為1 220 mm，鋼材抗拉強(qiáng)度為480 MPa，安全系數(shù)取3.5 倍，計(jì)算出許用應(yīng)力為140 MPa，根據(jù)公式 （1）可以計(jì)算出封頭壁厚th=3.7 mm。公式 （1）中的焊縫有效系數(shù)是基于無損探傷的效率，在沒有無損探傷的情況下取值0.65，全探傷情況下取值0.9。

在該壓力容器規(guī)范中，環(huán)焊橢圓封頭壁厚計(jì)算公式 （1）與縱焊鋼筒計(jì)算式和環(huán)焊鋼筒計(jì)算式非常接近。根據(jù)美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)（ASME）的鍋爐及壓力容器規(guī)范 （BPVC）第二卷D 冊(cè) 《材料性能》[6]中焊接鋼管設(shè)計(jì)許用應(yīng)力值的相關(guān)規(guī)定，室溫下的許用應(yīng)力為

式中：ST——抗拉強(qiáng)度；

SY——屈服強(qiáng)度。

圖1 壓力容器封頭焊接形式

2 環(huán)向角焊縫受力分析

輸水鋼管的接口設(shè)計(jì)與壓力容器的焊接接頭設(shè)計(jì)不同，由管道內(nèi)壓引起的縱向應(yīng)力小于環(huán)向應(yīng)力的一半。如果管道末端的閥門關(guān)閉，此時(shí)最大的縱向拉伸應(yīng)力 σmax=PD/4t，是環(huán)向應(yīng)力的一半；如果管道末端是固定的，則溫度下降也會(huì)增加縱向拉伸應(yīng)力。大多數(shù)焊接輸水鋼管采用各種措施來消除或減少熱應(yīng)力的影響。例如，在管道上間隔安裝柔性連接器，伸縮節(jié)或卡箍溝槽連接器。縱向應(yīng)力不是這種管道的主要問題，如果沒有上面提到的柔性連接裝置，承插柔性接口可以適應(yīng)一些縱向應(yīng)變，以減小縱向應(yīng)力。

在原水管道和城鎮(zhèn)供水管道中，一般不采用壓力容器的榫接對(duì)接焊連接，通常采用承插搭接角焊連接。典型的輸水鋼管承插搭接角焊接口設(shè)計(jì)[7]如圖2所示。由圖2可以看出，通過角焊縫的力不在同一條線上。對(duì)照?qǐng)D1所示的焊接，榫接對(duì)接焊連接的兩塊板處于同一直線上，因此，榫接對(duì)接焊連接設(shè)計(jì)不適用于輸水鋼管承插搭接焊連接。

圖2 典型的輸水鋼管承插搭接角焊接口設(shè)計(jì)

榫接對(duì)接焊連接主要考慮的是縱向受力，其變徑的過渡曲率半徑r 較小，大約為1.5t。對(duì)于鋼管管端的擴(kuò)徑，如果過渡半徑r＜2.5t，其冷加工成型可能會(huì)導(dǎo)致開裂。美國(guó)水工協(xié)會(huì) （AWWA）輸水鋼管標(biāo)準(zhǔn) （C200—2017）[8]要求，現(xiàn)場(chǎng)承插搭接焊接口的承口任何一點(diǎn)的最小曲率半徑不小于15 倍的公稱壁厚。由于焊縫需要填滿的長(zhǎng)度過長(zhǎng)，即使允許榫接對(duì)接焊連接也是不現(xiàn)實(shí)的。

圖2（a）的外角焊適合于管徑小于900 mm的連接，圖2（b）的內(nèi)角焊適合于管徑大于900 mm 輸水鋼管的標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)連接。這種承插搭接單角焊在鍋爐及壓力容器規(guī)范 （BPVC）中，其焊縫有效系數(shù)E=0.45，所不同的是，鋼管承插搭接角焊的兩個(gè)焊腳長(zhǎng)度相同，而封頭連接的縱向焊腳較長(zhǎng)。鋼管承插搭接單角焊的試驗(yàn)研究[9]表明，其焊縫有效系數(shù) E 為 0.75～1。這些試驗(yàn)是將封閉的承插搭接單角焊的管道加壓至爆管，其大部分失效是由于環(huán)向應(yīng)力引起的縱向開裂。接搭內(nèi)外雙焊連接的焊縫有效系只比單焊提高10%，這是由于失效受應(yīng)變順序影響，一個(gè)焊縫先于另一個(gè)焊縫發(fā)生屈服，從而影響了整體的強(qiáng)度。

輸水鋼管承插搭接角焊的受力分析是假設(shè)焊縫不承受較大的彎矩，由于鋼管主要受環(huán)向拉伸，這個(gè)環(huán)向應(yīng)力有助于阻止焊縫旋轉(zhuǎn)，在縱向應(yīng)力下承口趨向于直徑減小而箍住插口。

此外，壓力容器規(guī)范是基于平行于焊縫的受力，在輸水鋼管承插搭接角焊縫中，作用力是垂直于焊縫的。根據(jù)試驗(yàn)和理論分析，垂直受力的焊縫強(qiáng)度是平行焊縫的1.5 倍 （見圖3）。根據(jù)全管段試驗(yàn)，搭接單焊的縱向強(qiáng)度是管壁強(qiáng)度的75%以上，由于縱向應(yīng)力通常不會(huì)超過環(huán)向應(yīng)力的一半，因此承插搭接角焊的接口設(shè)計(jì)是安全可靠的。

圖3 承插搭接角焊焊縫方向和受力方向的關(guān)系

3 輸水鋼管承插搭接焊接口設(shè)計(jì)

任何連續(xù)的焊縫都將保證密封止水，因此焊縫尺寸與密封焊接關(guān)系不大。焊接后，焊縫必須承受施加在其上的任何縱向力，也就是說，它不表現(xiàn)為無應(yīng)力密封焊縫，因?yàn)樗亲柚构艿涝诮涌谔幰苿?dòng)的唯一約束。通常管道遇到的唯一縱向應(yīng)力是由溫度變化或管道不均勻沉降引起的縱向彎曲。為了使管道縱向應(yīng)力最小化，通常要求每120～150 m 保留一個(gè)接口未焊接，直到這個(gè)接口兩側(cè)的管道焊接完成，該接口在焊接當(dāng)日的最低溫度時(shí)間段進(jìn)行焊接。

假設(shè)管道兩端固定，當(dāng)水溫降低時(shí)形成的溫差導(dǎo)致管道收縮，管壁上的拉應(yīng)力與溫差、熱膨脹系數(shù)和材料彈性模量呈正相關(guān)。當(dāng)溫度下降為20 ℃時(shí)，管壁上的拉應(yīng)力為

式中：Sp——管壁上的應(yīng)力，MPa；

T——溫差，℃；

E——鋼材的彈性模量，206×103MPa；

K——鋼的熱膨脹系數(shù)，12×10-6/℃；

v——泊松比，0.3；

P——管道內(nèi)壓，0.7 MPa；

D——管道直徑，1 620 mm；

t——壁厚，12 mm。

設(shè)計(jì)要求焊縫與母材強(qiáng)度相同，因此考慮管壁許用應(yīng)力為材料屈服強(qiáng)度的一半 （鋼級(jí)Q235），即最大焊縫應(yīng)力 Sw=118 MPa，則設(shè)計(jì)焊縫厚度

承插搭接焊接口如圖4所示。由圖4可知，

其中，l 為角焊縫尺寸，則 l=0.76t。

圖4 承插搭接焊接口示意圖

輸水鋼管的閥門支鐓和其他管道附件可能會(huì)將拉應(yīng)力傳導(dǎo)到相鄰管道中，需確定承插搭接角焊縫尺寸能夠承受這些應(yīng)力，但這些軸向拉應(yīng)力不會(huì)超過管道內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力的一半。這些應(yīng)力和熱應(yīng)力不是疊加的，因?yàn)檫@些拉應(yīng)力只有在管道不受約束時(shí)才會(huì)存在，而熱應(yīng)力只有在管道受到約束時(shí)才會(huì)存在。較大的拉力只適用于設(shè)計(jì)校核目的。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證承插搭接焊的密封性和承壓能力，利用螺旋焊管和生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行了一系列試驗(yàn)。試驗(yàn)材料選用Q235B 鋼級(jí)Φ1 620 mm×12 mm×12 000 mm螺旋焊管，鋼管工作壓力按照環(huán)向應(yīng)力計(jì)算公式計(jì)算

式中：t——鋼管壁厚，mm；

P——工作壓力，MPa；

D——鋼管直徑，mm；

S——許用應(yīng)力，MPa。

公式 （7）中，工作壓力下的設(shè)計(jì)許用應(yīng)力S 取50%的鋼材屈服強(qiáng)度 （安全系數(shù)為2），在試驗(yàn)壓力下的設(shè)計(jì)許用應(yīng)力S 取75%的鋼材屈服強(qiáng)度。計(jì)算得到的鋼管最大工作壓力為1.74 MPa。

將試驗(yàn)鋼管一端在定徑機(jī)上進(jìn)行擴(kuò)徑后制成承口，然后在承口端一側(cè)切割1 m 長(zhǎng)管段，將試驗(yàn)鋼管另一端插入到切割下來的管段承口，組成承插搭接焊接口進(jìn)行組焊。整個(gè)試驗(yàn)分為3 個(gè)部分：①在管外承口處進(jìn)行角焊環(huán)焊，然后分3 級(jí)試驗(yàn)壓力進(jìn)行水壓試驗(yàn)；②在管內(nèi)插口處進(jìn)行角焊環(huán)焊，然后在兩道焊縫中間開一個(gè)小孔進(jìn)行氣密試驗(yàn)；③將管外承口處焊縫刨開，只保留內(nèi)焊縫，然后分3 級(jí)試驗(yàn)壓力進(jìn)行水壓試驗(yàn)。靜水壓試驗(yàn)的3 級(jí)壓力分別為2.09 MPa （60%屈服強(qiáng)度）、2.44 MPa （70%屈服強(qiáng)度）和 2.79 MPa（80%屈服強(qiáng)度），保壓時(shí)間大于10 s；氣密試驗(yàn)的壓力設(shè)定為0.3 MPa，保壓時(shí)間大于 5 min。試驗(yàn)結(jié)果全部符合預(yù)期，試驗(yàn)中沒有出現(xiàn)任何滲漏和壓降等問題。

5 結(jié)束語

輸水鋼管對(duì)接通常采用現(xiàn)場(chǎng)焊接，承插搭接焊在國(guó)外被普遍應(yīng)用[10]，是因?yàn)樗哂羞m應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、工廠擴(kuò)徑容易、現(xiàn)場(chǎng)安裝便捷、能夠滿足水密性要求等特點(diǎn)。當(dāng)對(duì)接現(xiàn)有管道或者閥井等構(gòu)筑物時(shí)，管道的長(zhǎng)度允許切割和調(diào)整，承插對(duì)接焊或搭板對(duì)接也可只在管外焊接。如果管道直徑大于人員可進(jìn)入的尺寸，建議只在管內(nèi)焊接。在一些特殊情況下，這種連接也可以進(jìn)行內(nèi)外雙焊。在安裝對(duì)接過程中，搭接焊連接也可以通過伸縮一側(cè)的接口來進(jìn)行微調(diào)。當(dāng)拉出接口時(shí)，要滿足最小搭接長(zhǎng)度的要求。此外，斜口承口可以提供更大的偏轉(zhuǎn)角度，其成型也較容易，承口的最大斜接角應(yīng)滿足輸水鋼管管件加工尺寸標(biāo)準(zhǔn)的要求。