直縫埋弧焊管直度偏差探討

肖 都 李云龍 吳金輝

1.中國石化股份有限公司物資裝備部 （北京 100728）

2.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 （陜西 西安 710065）

3.北京隆盛泰科石油管科技有限公司 （北京 100101）

直縫埋弧焊管直度偏差探討

肖 都1李云龍2，3吳金輝2，3

1.中國石化股份有限公司物資裝備部 （北京 100728）

2.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 （陜西 西安 710065）

3.北京隆盛泰科石油管科技有限公司 （北京 100101）

分析了直縫埋弧焊管直度偏差對(duì)鋼管交貨、鋼管防腐和鋼管生產(chǎn)檢驗(yàn)進(jìn)度的影響，探討了鋼管生產(chǎn)過程中直度偏差形成的原因，并提出防止直度偏差產(chǎn)生的建議，為直縫埋弧焊管生產(chǎn)過程中的尺寸精度控制提供理論依據(jù)。

直縫埋弧焊管 直度偏差 防腐

輸送管線作為石油和天然氣一種經(jīng)濟(jì)、安全、不間斷的長(zhǎng)距離輸送工具，在過去的幾十年里得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，而且這種發(fā)展勢(shì)頭在未來的幾十年中仍將持續(xù)下去[1]。隨著世界石油天然氣工業(yè)的不斷發(fā)展，在對(duì)長(zhǎng)輸管線用鋼管性能提出高要求的同時(shí)，對(duì)鋼管的尺寸精度也提出了更高的要求。直縫埋弧焊管由于其單位長(zhǎng)度焊縫短，焊縫及應(yīng)力水平分布合理的特點(diǎn)，可獲得高質(zhì)量的油氣輸送用管，并主要用于環(huán)境惡劣的地震帶、凍土帶及地形高落差等對(duì)鋼管要求較高的三、四類地區(qū)。

直縫埋弧焊管的不直度偏差是鋼管生產(chǎn)制造過程中遇到的主要尺寸偏差，現(xiàn)行主要標(biāo)準(zhǔn)對(duì)直度偏差都提出了嚴(yán)格的要求，分析了直縫埋弧焊管直度偏差對(duì)鋼管交貨、鋼管防腐和鋼管生產(chǎn)檢驗(yàn)進(jìn)度的影響，探討了鋼管生產(chǎn)過程中直度偏差形成的原因，并提出防止直度偏差產(chǎn)生的建議，為直縫埋弧焊管生產(chǎn)過程中的尺寸精度控制提供理論依據(jù)。

1 鋼管直度偏差的影響

1.1 直度偏差對(duì)鋼管交貨的影響

管線鋼管現(xiàn)行主要標(biāo)準(zhǔn)API 5L（44版）要求“鋼管全長(zhǎng)相對(duì)于直線的總偏離應(yīng)≤0.2%的鋼管長(zhǎng)度[2]，每個(gè)管端1 000mm長(zhǎng)度上相對(duì)于直線的局部偏離應(yīng)≤4.0mm”，DNV-OS-F101（2005版）要求“鋼管直度偏差不大于鋼管全長(zhǎng)的0.15%”[3]，而西氣東輸二線管道工程用直縫埋弧焊管技術(shù)條件要求“鋼管直度偏差不大于鋼管長(zhǎng)度的0.2%L[4]，局部直度應(yīng)小于3.0mm/m”，因此，鋼管直度偏差超標(biāo)直接影響鋼管的交貨。

1.2 直度偏差對(duì)鋼管防腐的影響

3PE防腐是一種綜合性能好，高性價(jià)比的鋼管防腐技術(shù)，西氣東輸管道工程用鋼管采用3PE防腐技術(shù)。西氣東輸二線管道工程用直縫埋弧焊管技術(shù)條件規(guī)定鋼管交貨的最大長(zhǎng)度為12.2m，按照直度偏差最大允許0.2%L的要求，鋼管的最大直度偏差可達(dá)24.4mm。然而，當(dāng)鋼管的直度達(dá)24.4mm時(shí)，雖然仍符合標(biāo)準(zhǔn)的要求，但在鋼管防腐作業(yè)過程中就容易引起防腐管的質(zhì)量問題。

（1）3PE防腐層不均勻。鋼管直度偏差過大，會(huì)導(dǎo)致PE膜片發(fā)生寬窄變化，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)壓不上邊的問題，局部PE層數(shù)達(dá)不到規(guī)定、沿螺旋線分布厚度不足，而且，由于膜片受到周期性過度牽引，使得膜片的寬度及厚度發(fā)生周期性變化，可能導(dǎo)致鋼管某個(gè)相位區(qū)內(nèi)防腐層厚度整體不足，而對(duì)角相位厚度整體加大。鋼管直度偏差越大、涂裝作業(yè)速度越快，該問題就越嚴(yán)重。

（2）3PE防腐管管段氣泡。在鋼管傳送過程中，前后兩根鋼管的管口不能完全咬合，稱為“錯(cuò)口”。錯(cuò)口的幅度超過壓輥?zhàn)冃螌?duì)氣泡的排除能力，位置低的管端將產(chǎn)生氣泡，管端氣泡最容易出現(xiàn)并難以消除。錯(cuò)口問題除了和涂裝作業(yè)線的平直度有關(guān)，鋼管的直度偏差也是一個(gè)重要原因，鋼管直度偏差越大，該問題就越突出[5]。

對(duì)于由鋼管直度偏差過大而引起3PE防腐層過薄或管端產(chǎn)生氣泡問題，雖然可以通過集中直度偏差較大的鋼管，進(jìn)行低速涂裝作業(yè)來解決，但也嚴(yán)重影響了鋼管防腐作業(yè)的正常進(jìn)行。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般對(duì)于12m長(zhǎng)的鋼管直度偏差控制在15mm以內(nèi)，就能大大降低其對(duì)鋼管防腐作業(yè)的影響。

1.3 直度偏差對(duì)鋼管生產(chǎn)檢驗(yàn)進(jìn)度的影響

目前，直縫埋弧焊管制管企業(yè)對(duì)鋼管直度偏差的測(cè)量一般是在成品崗位，采用拉繩法檢測(cè)，對(duì)于直度偏差超標(biāo)鋼管采用矯直機(jī)進(jìn)行矯直，矯直機(jī)構(gòu)造如圖1所示。

圖1 直縫埋弧焊管矯直機(jī)

由于鋼管在矯直后需要重新進(jìn)行成品入庫檢驗(yàn)，二次收庫影響了鋼管正常的生產(chǎn)檢驗(yàn)進(jìn)度。

2 鋼管直度偏差的原因

直縫埋弧焊管在焊接過程中產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力，包括沿焊縫長(zhǎng)度方向的縱向焊接應(yīng)力、垂直于焊縫長(zhǎng)度方向的橫向焊接應(yīng)力和沿厚度方向的焊接應(yīng)力。通常壁厚超過20mm時(shí)，沿厚度方向的殘余應(yīng)力才有相對(duì)較高的數(shù)值，而一般情況下管線用鋼管不會(huì)有太大的壁厚，所以可以不予考慮。垂直于焊縫長(zhǎng)度方向的橫向焊接應(yīng)力主要造成鋼管圓度偏差，而沿焊縫長(zhǎng)度方向的縱向焊接應(yīng)力是引起直縫埋弧焊管產(chǎn)生直度偏差的主要應(yīng)力。

鋼管的焊接過程是一個(gè)不均勻的局部加熱和冷卻的過程。焊接過程中，焊縫周圍產(chǎn)生不均勻的溫度場(chǎng)，焊縫及其附近溫度最高，而鄰近區(qū)域溫度則急劇下降。不均勻的溫度場(chǎng)產(chǎn)生不均勻膨脹，焊縫附近金屬由于溫度高，膨脹較大，受到遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域溫度較低、膨脹量較小的的金屬材料所限制，產(chǎn)生了熱塑性壓縮。焊縫冷卻時(shí)，被塑性壓縮的焊縫區(qū)趨向于縮短，但受到兩側(cè)金屬限制而產(chǎn)生縱向拉應(yīng)力，通常，這種拉應(yīng)力可超過鋼板的屈服強(qiáng)度，從而引起材料產(chǎn)生塑性變形。焊接應(yīng)力是一種無荷載作用下的內(nèi)應(yīng)力，因此會(huì)在焊件內(nèi)部自相平衡，這就必然在距焊縫稍遠(yuǎn)區(qū)段內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力[6,7]。

實(shí)際生產(chǎn)過程中，小管徑薄壁鋼管比大管徑厚壁鋼管產(chǎn)生的直度偏差更大。這是由于厚壁鋼管大多采用多絲焊接，焊接過程中每根單絲的熱輸入比薄壁鋼管采用單絲焊接時(shí)熱輸入低，所以一般大壁厚鋼管直度偏差較小。同時(shí)，當(dāng)鋼管壁厚相同，焊接工藝相同時(shí)，由于焊接產(chǎn)生的管體內(nèi)應(yīng)力基本相同，而小管徑鋼管在受同樣的應(yīng)力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生更大的變形量。

3 解決直縫鋼管直度偏差的方法

3.1 合理的焊縫設(shè)計(jì)

合理選擇焊縫的尺寸和形式是解決直縫埋弧焊鋼管直度偏差的有效方法，一般情況下應(yīng)盡量采用較小的焊縫尺寸，焊縫尺寸過大，不但焊接量大，造成焊絲浪費(fèi)，冷卻時(shí)收縮引起的塑性變形量也大，相應(yīng)地焊接應(yīng)力也大。因此，在板厚相同時(shí)，坡口尺寸越大，收縮變形也越大。

3.2 合理的工藝措施

（1）減少焊接熱輸入。通常情況下，熱輸入大時(shí)，加熱的高溫區(qū)范圍大，冷卻速度慢，使得焊接接頭變形區(qū)增大。

（2）采用多絲焊。厚壁鋼管大多采用多絲焊接，焊接時(shí)每層焊縫的熱輸入比一次完成的單層焊時(shí)的熱輸入小得多，加熱范圍窄，冷卻快，產(chǎn)生的收縮變形小得多，而且前層焊縫焊成后都對(duì)下層焊縫形成約束，因此，多絲焊時(shí)的縱向收縮變形比單絲焊時(shí)小得多，而且焊接的層數(shù)越多，縱向變形越小。

4 結(jié)束語

（1）直縫埋弧焊鋼管的焊縫分布不對(duì)稱，在成型焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的直度偏差，甚至于超出規(guī)范要求而引起二次收庫，而且，過大的直度偏差也嚴(yán)重影響了鋼管的后續(xù)防腐作業(yè)，因此，從焊接源頭對(duì)直縫埋弧焊管直度偏差，尤其是小管徑薄壁直縫鋼管直度偏差進(jìn)行控制，對(duì)于提高鋼管防腐質(zhì)量和加快鋼管檢驗(yàn)進(jìn)度有重大意義。

（2）實(shí)際生產(chǎn)過程中，采用現(xiàn)行管線管標(biāo)準(zhǔn)，如API 5L規(guī)定直度偏差對(duì)直縫埋弧焊鋼管進(jìn)行驗(yàn)收時(shí)，當(dāng)鋼管直度偏差接近標(biāo)準(zhǔn)上限時(shí)，即便未超標(biāo)，

仍會(huì)在防腐作業(yè)過程中引起防腐層的質(zhì)量問題；同時(shí)，考慮到當(dāng)最大直度偏差并不處于鋼管中部，而是靠近鋼管一端時(shí)，則在相同的直度偏差下，其對(duì)鋼管防腐質(zhì)量的影響會(huì)更突出，建議標(biāo)準(zhǔn)適當(dāng)提高對(duì)鋼管直度偏差的要求。

[1]鄭茂盛,周根樹,趙新偉,等.現(xiàn)役油氣管道安全性評(píng)價(jià)研究現(xiàn)狀[J].石油工程建設(shè),2004,30(1):1-6.

[2]API SPEC 5L(44版)2007管線鋼管規(guī)范[S].

[3]DNV-OS-F101:2005 SUBMARINE PIPELINE SYSTEMS[S].

[4]Q/SY GJX 0104-2007 西氣東輸二線管道工程用直縫埋弧焊管技術(shù)條件[S].

[5]廖宇平,程書旗,鄭玉海,等.3PE防腐層缺陷成因分析與防范[J].防腐保溫技術(shù),2005,13(3):26-30.

[6]田錫唐.焊接結(jié)構(gòu)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1982.

[7]張文鉞.焊接傳熱學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1989.

The paper analyzes the effect of straightness tolerance of longitudinal submerged-arc welded pipe on the schedule of the delivery,corrosion prevention,inspection and production of steel pipes.Then causes of straightness tolerance in the production of steel pipes are explored,coupled with some suggestions about the prevention of straightness tolerance.This study provides some theoretical basis for the dimensional accuracy control in the manufacture of LSAW pipe.

LSAW pipe;straightness tolerance;corrosion control

肖都（1972-），男，碩士，畢業(yè)于英國南安普敦大學(xué)，現(xiàn)主要從事鋼材物資供應(yīng)工作。

路萍

2011-03-07