螺旋埋弧焊管的殘余應(yīng)力形成及控制措施

肖國章，高 霞，2，庫宏剛

（1.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721008；2.國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008）

0 前 言

螺旋埋弧焊管在國內(nèi)西氣東輸管線、陜京管線上均有廣泛的應(yīng)用，目前，正向著大管徑、高鋼級和大壁厚方向發(fā)展。在焊管制造中會經(jīng)歷彎曲成型、焊接、水壓、彎管、防腐等工藝過程，期間會產(chǎn)生殘余應(yīng)力。由于加工造成的殘余應(yīng)力是關(guān)系到焊管服役可靠性的重要因素，因此為保證管線的安全性，對螺旋埋弧焊管殘余應(yīng)力的控制，特別是成型過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的控制提出了越來越嚴(yán)格的要求。

殘余應(yīng)力水平是焊管質(zhì)量水平的重要指標(biāo)，較高的殘余應(yīng)力會導(dǎo)致管線工作能力下降，應(yīng)力集中處易發(fā)生應(yīng)力腐蝕，成為管線安全的重大隱患，影響鋼管運(yùn)行壽命。消除殘余應(yīng)力不僅對防止管線的應(yīng)力腐蝕開裂SCC有利，而且對管線防止脆性斷裂、彈塑性斷裂、氫致開裂和疲勞破壞都有顯著的益處。

本研究結(jié)合螺旋埋弧焊管成型中殘余應(yīng)力的形成原因分析提出了具體控制措施，并總結(jié)了殘余應(yīng)力的其他控制措施。

1 螺旋埋弧焊管成型過程中殘余應(yīng)力的形成及控制

1.1 成型方法

螺旋埋弧焊管制管成型方式主要有管外加套輥（外控成型）方式（如圖 1（a）所示）和管內(nèi)支撐（內(nèi)控成型）方式（如圖1（b）所示）兩種。外控成型螺旋縫焊管的殘余應(yīng)力分布狀態(tài)是外表面拉應(yīng)力，內(nèi)表面壓應(yīng)力；內(nèi)控成型螺旋焊管的殘余應(yīng)力分布狀態(tài)是外表面壓應(yīng)力，內(nèi)表面拉應(yīng)力[1]。

國內(nèi)設(shè)備主要為管外加套輥成型方式，這里主要研究此種成型方式下螺旋焊管殘余應(yīng)力的控制。管外加套輥成型方式，開始由三排彎曲輥進(jìn)行較微弱的彎曲加工，其后再由幾排輥約束其外周，從而得到必要的管徑。在此方式成型過程中會形成在半徑方向向外擴(kuò)張的殘余應(yīng)力[2]。

圖1 螺旋埋弧焊管機(jī)組成型方式

1.2 1#輥和3#輥的布局與串動(dòng)

1#，3#輥的布局與穩(wěn)定性非常重要。布局不合理自由邊懸空，兩邊變形不協(xié)調(diào)，是造成彈復(fù)量不合的重要因素。所以，由于規(guī)格不同，成型角不同，1#輥、3#輥往往要前后移動(dòng)。由大角度變小角度時(shí)，1#輥向后移，3#輥向前移。由小角度變大角度時(shí)，1#輥向前移，3#輥向后移。實(shí)際生產(chǎn)中由于各種原因會出現(xiàn)帶鋼邊緣變形不足，導(dǎo)致殘余應(yīng)力扭曲，使得殘余應(yīng)力分布和大小發(fā)生變化。成型中會造成鋼板邊部懸空，一是由于成型角誤差會出現(xiàn)鋼板成型自由邊懸空，二是由于焊接和成型同時(shí)進(jìn)行，為了保證焊接質(zhì)量，出現(xiàn)成型遞送邊懸空。兩種懸空都會導(dǎo)致帶鋼邊緣變形不充分，增加了殘余應(yīng)力，同時(shí)出現(xiàn)殘余應(yīng)力扭曲。對自由變形懸空問題可以根據(jù)成型實(shí)際情況對1#輥、3#輥進(jìn)行微量調(diào)整，以彌補(bǔ)帶鋼邊沿變形不足問題。

1.3 焊墊輥位置的影響

在螺旋埋弧焊管中，為保證焊接的順利進(jìn)行，在2#輥梁端部留80～100 mm距離空間，用以安裝焊接機(jī)構(gòu)。這樣造成了遞送邊沿80～100 mm的懸空，未得到充分變形。為了解決遞送邊變形不足問題及保證焊接處成型合縫的穩(wěn)定性，在實(shí)踐中增加了焊墊輥。其作用一是輔助成型，彌補(bǔ)遞送邊形不足問題，它對管徑和殘余應(yīng)力影響較大。在一定范圍內(nèi)，其高度增加，殘余應(yīng)力減少。但焊墊輥高度一般不宜超過基準(zhǔn)高度5 mm。其對2#輥梁的壓下量起彌補(bǔ)作用。二是焊墊輥能夠保證成型合縫的穩(wěn)定性，其位置處于成型咬合點(diǎn)位置附近，保證了焊接質(zhì)量。所以焊墊輥的位置對殘余應(yīng)力大小有一定的影響。

1.4 1#輥和3#輥之間的間距對殘余應(yīng)力的影響

帶鋼進(jìn)入成型器后，經(jīng)過1#輥、 2#輥、 3#輥的變形會產(chǎn)生一定的彎曲，彎曲曲面的曲率半徑?jīng)Q定著殘余應(yīng)力的大小。1#輥和3#輥的間距、傾角、標(biāo)高起決定作用。間距和傾角增大，曲面曲率半徑增大，彈復(fù)量增大。調(diào)整成型時(shí)，鋼管的標(biāo)高不變，經(jīng)過嚴(yán)格的計(jì)算，獲得準(zhǔn)確的間距、傾角參數(shù)，2#輥才能施加有效的作用力。根據(jù)不同的材質(zhì)和壁厚，適當(dāng)調(diào)整1#輥、 3#輥的高度，有利于控制變形，而獲得較好的彈復(fù)量。在生產(chǎn)中會出現(xiàn)焊縫兩邊變形不充分，不但影響成型質(zhì)量，而且彈復(fù)量會出現(xiàn)徑向和軸向錯(cuò)位。1#輥、2#輥、3#輥的輥面不平度一定要控制在0.5 mm以內(nèi)。

1.5 2#輥梁點(diǎn)頭量

在實(shí)際成型中，為解決和彌補(bǔ)帶鋼邊緣變形不足問題，在成型變形機(jī)構(gòu)中增設(shè)了壓下調(diào)整，即2#輥梁壓下機(jī)構(gòu)中增加了點(diǎn)頭調(diào)整，2#輥梁在水平壓或抬的同時(shí)，也可以從一側(cè)單獨(dú)壓或抬，即所說的點(diǎn)頭量。

在鋼板彎曲變形過程中，內(nèi)表面被壓縮，外表面被拉伸延長，自由邊首先進(jìn)入成型器，經(jīng)過了180°的變形，變形較好；而遞送邊后進(jìn)入成型器，未經(jīng)充分變形，且有80～100 mm寬的板邊懸空，邊緣會出現(xiàn)外翹。而隨著壁厚的增加，外翹程度加大，這樣管坯出現(xiàn)變形不均，殘余應(yīng)力不均，合理調(diào)整2#輥梁點(diǎn)頭量的數(shù)值可以改善這一狀況。所以根據(jù)不同規(guī)格、材質(zhì)、壁厚，調(diào)整2#輥壓下量及點(diǎn)頭量。鋼管規(guī)格、材質(zhì)、壁厚與變形量的關(guān)系如下：材質(zhì)增高，下壓量增大；直徑增大，下壓量減?。槐诤裨龃?，下壓量減小。

1.6 鋼板性能的不均性對殘余應(yīng)力的影響

由于鋼廠設(shè)備、工藝等方面的原因，往往出現(xiàn)板頭、尾部性能不均勻的問題 （大部分集中在頭、尾各8～10 m處），一般在鋼板中部相對比較穩(wěn)定，但這為生產(chǎn)控制帶來很大的困難。因?yàn)殇摪鍙?qiáng)度不同，為保證殘余應(yīng)力符合標(biāo)準(zhǔn)，必須適當(dāng)調(diào)整成型工藝數(shù)據(jù)來彌補(bǔ)，這就需要做大量的試驗(yàn)來分析總結(jié)，并針對性能均勻程度，采取科學(xué)的工藝數(shù)據(jù)，確保殘余應(yīng)力符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.7 其他因素影響

在實(shí)際生產(chǎn)中，成型設(shè)備狀態(tài)如間隙和剛度、鋼帶寬度和位置變化以及鋼板的壁厚誤差等都對殘余應(yīng)力數(shù)值和穩(wěn)定性也可能產(chǎn)生一定的影響。

生產(chǎn)過程中帶鋼偏離遞送線、帶鋼月牙彎、成型縫咬合過緊及由于設(shè)備問題造成的帶鋼跑偏等都會造成彈復(fù)樣軸向錯(cuò)位過大，產(chǎn)生一定的殘余應(yīng)力。

生產(chǎn)中需嚴(yán)格控制帶鋼的遞送線。帶鋼遞送線是螺旋縫焊管生產(chǎn)的 “生命線”，因此必須保證帶鋼遞送線才能保證正常生產(chǎn)。通常情況下，帶鋼偏離遞送線距離不能超過2 mm，否則必須及時(shí)調(diào)整找正。

2 殘余應(yīng)力的控制及消除措施

工業(yè)生產(chǎn)中， 殘余應(yīng)力的控制主要是通過采取一定的工藝措施，消除一部分殘余應(yīng)力，或降低對使用性能不利的殘余拉應(yīng)力，或形成有益的殘余壓應(yīng)力分布。結(jié)合螺旋埋弧焊管制造工藝特點(diǎn)，殘余應(yīng)力的控制主要有以下方法：自然失效消除殘余應(yīng)力；整體高溫回火；局部加熱；機(jī)械拉伸法 （即鋼管的水壓試驗(yàn)）；防腐處理時(shí)的噴砂除銹，在除銹的同時(shí)也消除了部分殘余應(yīng)力；此外，采用內(nèi)控成型使得焊管成型焊接后的殘余應(yīng)力以殘余壓應(yīng)力為主，滿足了常用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于 “切環(huán)張開量”的限制要求，這種通過調(diào)整成型輥道而改變殘余應(yīng)力狀態(tài)的方法可控制螺旋縫埋弧焊管殘余應(yīng)力。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)對殘余應(yīng)力的要求

螺旋埋弧焊管殘余應(yīng)力的大小及分布較為復(fù)雜，生產(chǎn)過程中常用鋼管彈復(fù)量來檢測殘余應(yīng)力的大小，彈復(fù)量越大，鋼管的殘余應(yīng)力也越大。同時(shí)根據(jù)彈復(fù)試樣張開的形態(tài)可判斷殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)。因此，實(shí)際生產(chǎn)過程中，鋼管殘余應(yīng)力的控制就是彈復(fù)量的控制。隨著國內(nèi)外管線的不斷建設(shè)，也逐漸完善并明確了對鋼管彈復(fù)量的要求。

我國西氣東輸二線、澀寧蘭輸氣管線以及印度 “東氣西輸”天然氣管線工程等都對螺旋縫焊管的殘余應(yīng)力進(jìn)行明確的量化限定并附加在訂貨補(bǔ)充技術(shù)條件之中。西氣東輸二線標(biāo)準(zhǔn)對X80鋼級焊管用彈復(fù)量衡量殘余應(yīng)力的大小，該標(biāo)準(zhǔn)對鋼管彈復(fù)量提出明確的要求:“切取鋼管長度不小于100 mm管段，一般應(yīng)距焊縫100 mm處沿鋼管縱向切開，切口張開間距不應(yīng)大于90 mm，同時(shí)應(yīng)測量軸向及徑向錯(cuò)開量，取樣頻次為每班及重新調(diào)型后生產(chǎn)的第一根鋼管均應(yīng)進(jìn)行檢測，合格要求后方可進(jìn)行生產(chǎn)”[3]。印度 “東氣西輸”天然氣管線工程用螺旋焊管技術(shù)條件中規(guī)定：水壓試驗(yàn)后，用火焰切割或鋸切的方法從鋼管一端截取寬度不小于150 mm的試驗(yàn)環(huán)，應(yīng)在距焊縫180°位置且平行于鋼管軸線方向?qū)⒃囼?yàn)環(huán)鋸開，其周長增加量 （等效于切口張開間距）應(yīng)小于69 mm[3]。

在切環(huán)試驗(yàn)中，切環(huán)長度、切口位置、切開方向、切口張開間距、徑向錯(cuò)位量、軸向錯(cuò)位量以及切環(huán)試驗(yàn)的程序排布等各項(xiàng)因素對正確估評螺旋焊管管坯內(nèi)部的殘余應(yīng)力均有影響，建議在螺旋焊管訂貨補(bǔ)充技術(shù)條件中對這些要素都要作出科學(xué)合理的要求或限制。此外，為了提高切環(huán)試驗(yàn)的易操作性，對管坯環(huán)的切取方法、切取位置也應(yīng)作出明確的要求或說明。

同時(shí)建議生產(chǎn)廠在成型焊接后進(jìn)行切環(huán)試驗(yàn)時(shí)，于水壓試驗(yàn)后抽樣測試，掌握水壓試驗(yàn)前后彈復(fù)量的變化，以便根據(jù)技術(shù)條件的要求對成型時(shí)殘余應(yīng)力控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

2.2 水壓試驗(yàn)

鋼管水壓試驗(yàn)是檢驗(yàn)鋼管強(qiáng)度和嚴(yán)密性的一種非破壞性試驗(yàn)手段。試驗(yàn)表明[4]，經(jīng)過正常水壓試驗(yàn)后 （標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為鋼材最小屈服強(qiáng)度的95%），管環(huán)切口張開間距增大，有一定降低殘余應(yīng)力的作用，且隨著水壓試驗(yàn)壓力的提高，殘余應(yīng)力大幅降低；但提高水壓的同時(shí)會導(dǎo)致焊管尺寸較大變化，當(dāng)壓力達(dá)到1.13SMYS時(shí)焊管直徑超過標(biāo)準(zhǔn)的要求，壓力過大有可能導(dǎo)致鋼管的破壞。文獻(xiàn)[5]對水壓及穩(wěn)壓試驗(yàn)的影響進(jìn)行了研究，指出水壓試驗(yàn)和穩(wěn)壓試驗(yàn)均會使螺旋縫埋弧焊管內(nèi)外表面總體殘余應(yīng)力分布趨于均勻，并且對減小內(nèi)表面殘余應(yīng)力效果明顯，特別是對呈殘余拉應(yīng)力狀態(tài)的焊縫區(qū)域作用更大；將螺旋縫埋弧焊管水壓試驗(yàn)壓力從0.9SMYS提高到1.0SMYS，可有效地消除或降低有害的殘余拉應(yīng)力。

因而在螺旋焊管生產(chǎn)中可償試提高水壓試驗(yàn)壓力，甚至采用接近焊管屈服強(qiáng)度的水壓試驗(yàn)，以彌補(bǔ)生產(chǎn)中無擴(kuò)徑工序造成的殘余應(yīng)力較高的缺陷。

2.3 冷擴(kuò)徑

直縫焊管在成型焊接后都經(jīng)過了擴(kuò)徑工序，其作用與水壓試驗(yàn)類似，通過機(jī)械的作用使焊管直徑變大，從而釋放原來的殘余應(yīng)力。文獻(xiàn)[4]對UOE和JCOE焊管擴(kuò)徑前后的殘余應(yīng)力進(jìn)行了研究，結(jié)果說明擴(kuò)徑可以使殘余應(yīng)力分布更均勻，幅值更低。尤其是焊縫區(qū)的軸向應(yīng)力，經(jīng)過擴(kuò)徑后顯著減小，從約650 MPa降到約150 MPa，且擴(kuò)徑率越高殘余應(yīng)力消除效果越好。

國內(nèi)外對螺旋焊管采用整體冷擴(kuò)徑工藝的很少。唯有加拿大WELLAND公司在螺旋焊管生產(chǎn)過程中采整體擴(kuò)徑的公司，擴(kuò)徑量約為直徑的1.5%。整體擴(kuò)徑提高了鋼管的尺寸精度，適當(dāng)增加屈服強(qiáng)度5%～10%，減少了殘余應(yīng)力。為了防止擴(kuò)徑頭與螺旋焊縫發(fā)生干涉，在擴(kuò)徑頭的扇形塊上預(yù)留45°螺旋槽，擴(kuò)徑時(shí)鋼管的螺旋焊縫與擴(kuò)徑頭上的螺旋槽對應(yīng)。為了在鋼管直徑改變時(shí)無需更換擴(kuò)徑頭，所有鋼管的螺旋角均為45°不變。國內(nèi)西安重型技術(shù)公司也開發(fā)了螺旋焊管的全長擴(kuò)徑機(jī)，但只是研究了管徑準(zhǔn)325～720 mm的擴(kuò)徑，經(jīng)過實(shí)物試驗(yàn)擴(kuò)徑后鋼管殘余應(yīng)力大幅度降低或消除，母材金屬的屈服強(qiáng)度適當(dāng)提高，提高了管線的安全性[6-8]。因此，在螺旋埋弧焊管后設(shè)置整體擴(kuò)徑工藝，為有效減小殘余應(yīng)力的方法。

2.4 采用兩步法生產(chǎn)工藝

兩步法生產(chǎn)螺旋埋弧焊接鋼管，即，第一步：熱軋鋼帶經(jīng)成型機(jī)制成管型后，用CO2氣體保護(hù)焊在鋼管內(nèi)壁進(jìn)行連續(xù)的預(yù)焊。在預(yù)焊過程中，可隨時(shí)對鋼管的幾何形狀進(jìn)行調(diào)整。第二步：在3～4臺數(shù)控焊接站上進(jìn)行內(nèi)外埋弧焊，采用多絲焊方法進(jìn)行焊接，并用激光控制焊縫跟蹤系統(tǒng)保證焊接過程，保證定位準(zhǔn)確。目前國內(nèi)寶雞鋼管、渤海裝備、沙市鋼管廠等都紛紛建設(shè)了預(yù)精焊兩步法螺旋埋弧焊接鋼管生產(chǎn)線，這將為國內(nèi)螺旋鋼管工藝及質(zhì)量推進(jìn)起到重要作用。

兩步法制管工藝實(shí)質(zhì)是使成型過程與焊接過程相分離，并大量采用直縫埋弧焊管制造技術(shù)中行之有效的方法和自動(dòng)化技術(shù)。由于兩步法成型不受焊接過程的牽制，可以對成型工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使得鋼管的幾何形狀十分精確，鋼管的直線度、圓度和直徑準(zhǔn)確度都達(dá)到了很高的精度。解決了螺旋焊管傳統(tǒng)工藝的一大缺點(diǎn)。同時(shí)在焊接時(shí)也避免了因成型引起的振動(dòng)，焊頭的位置可保持穩(wěn)定。

德國薩爾茨基特鋼鐵集團(tuán)采用兩步法工藝后，螺旋縫焊管的幾何形狀可以做得相當(dāng)精確，生產(chǎn)率成倍提高，殘余應(yīng)力也可得到有效控制。螺旋縫焊管固有的缺陷得到了根本性的改善。由于可以對成型過程進(jìn)行精確調(diào)整，鋼管的彈復(fù)量可以根據(jù)需要準(zhǔn)確地控制，從而有效地控制了鋼管的殘余應(yīng)力。一般情況下，該廠將彈復(fù)量控制在30 mm左右。

2.5 爆炸去應(yīng)力

爆炸處理是以爆炸方式消除焊接殘余應(yīng)力的新技術(shù)，近年來國內(nèi)外應(yīng)用較多，通過覆蓋在焊縫及其附近焊接區(qū)表面的特種炸藥爆轟造成的沖擊波和殘余應(yīng)力的交互作用，使焊接件產(chǎn)生適量的塑性變形，從而消除焊接件的殘余應(yīng)力。研究證明，爆炸處理不僅可以消除焊接區(qū)的殘余拉應(yīng)力，還可以根據(jù)需要造成一定的殘余壓應(yīng)力。

經(jīng)過武鋼技術(shù)中心研究，采用X70管線鋼爆炸處理方案消除焊縫和熱影響區(qū)的焊接殘余應(yīng)力的效果，無論縱向或橫向都很好，幾乎達(dá)100%，證明采用爆炸處理技術(shù)消除管線焊接殘余應(yīng)力是合適的[9]。三峽水利樞紐工程引水壓力鋼管下水平段部分爆炸消除焊接殘余應(yīng)力的爆炸處理工藝消除焊接殘余應(yīng)力取得了良好的效果[10]。

2.6 自然時(shí)效

自然時(shí)效法是在室外或者室內(nèi)將鑄件放置數(shù)周后，殘余應(yīng)力有所減弱的方法。自然時(shí)效法去除殘余應(yīng)力的作用很有限，一般最多下降10%。在生產(chǎn)過程中可以根據(jù)實(shí)際情況，盡可能在防腐前放置一段時(shí)間，釋放殘余應(yīng)力。

3 結(jié) 語

在生產(chǎn)過程中通過采取上述殘余應(yīng)力控制及消除措施，可以有效地控制住厚壁螺旋埋弧焊管的殘余應(yīng)力，提高產(chǎn)品質(zhì)量，有效保證埋弧焊管生產(chǎn)線的穩(wěn)定和高效率運(yùn)行。螺旋埋弧焊管的殘余應(yīng)力的影響因素較多，生產(chǎn)過程中重在根據(jù)產(chǎn)品的鋼級、規(guī)格及壁厚等進(jìn)行調(diào)整，不斷優(yōu)化成型工藝參數(shù)，才能使產(chǎn)品獲得合理的殘余應(yīng)力。同時(shí)在成型后續(xù)工序中需加強(qiáng)對殘余應(yīng)力取樣檢驗(yàn)及時(shí)掌握生產(chǎn)過程中殘余應(yīng)力水平并不斷優(yōu)化工藝參數(shù)。只要生產(chǎn)中控制合理，可以使用螺旋埋弧焊接方式生產(chǎn)出殘余應(yīng)力水平較低的高鋼級厚壁厚的產(chǎn)品。

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