高頻生產(chǎn)線預(yù)焊合縫裝置擠壓保持距離的設(shè)計

黃明初

（中石化集團石油工程機械有限公司沙市鋼管廠，湖北荊州434001）

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高頻生產(chǎn)線預(yù)焊合縫裝置擠壓保持距離的設(shè)計

黃明初

（中石化集團石油工程機械有限公司沙市鋼管廠，湖北荊州434001）

摘要：氣體保護預(yù)焊接后鋼管需要保持擠壓狀態(tài)運行一段距離，以保證鋼管預(yù)焊接后有足夠強度克服彈復(fù)力作用。介紹了高頻生產(chǎn)線預(yù)焊接后鋼管保持擠壓狀態(tài)運行距離的設(shè)計方法。通過對焊接鋼管離開自保持段后焊縫的受力情況進行分析，推算出焊縫冷卻溫度及所需時間，最后確定出預(yù)焊合縫裝置擠壓保持距離。合理的擠壓保持距離，既可保證焊縫冷卻到有足夠強度克服彈復(fù)力作用，又不會因為擠壓距離過長而造成擠壓力過大，出現(xiàn)錯邊時擠壓輥無法壓下的問題。

關(guān)鍵詞：中直徑；直縫埋弧焊管；高頻生產(chǎn)線；氣體保護預(yù)焊；預(yù)焊合縫裝置；殘余應(yīng)力；擠壓保持距離；

彈復(fù)力

黃明初（1984-），男，壯族，工程師，主要從事焊接鋼管制造設(shè)備與工藝的研究。

中石化集團石油工程機械有限公司沙市鋼管廠（簡稱沙市鋼管廠）中直徑直縫埋弧焊管生產(chǎn)線的預(yù)焊方案有高頻預(yù)焊和氣體保護預(yù)焊兩種。目前，高頻預(yù)焊工藝尚不成熟，很難既保證預(yù)焊質(zhì)量又保證鈍邊尺寸，給后序工藝帶來困難，產(chǎn)品合格率不高。氣體保護預(yù)焊就相對成熟，而高頻成型和氣體保護預(yù)焊結(jié)合的工藝尚屬首次，很多問題有待研究［1］。比如，高頻成型速度快，高頻成型的殘余應(yīng)力比大直縫成型的殘余應(yīng)力大等［2］。

氣體保護預(yù)焊接屬于熔化焊，焊縫由熔融狀態(tài)冷卻凝固至有足夠強度克服鋼管彈復(fù)力需要一定時間，即預(yù)焊接后鋼管需要保持擠壓運行一段距離［3-5］。若保持擠壓狀態(tài)運行的距離過長，會增大擠壓力，在生產(chǎn)高強度、大徑壁比的鋼管時對錯邊的調(diào)整就很困難，甚至出現(xiàn)因蝸桿擠壓力不足而擠壓輥無法壓下的情況。例如沙市鋼管廠在生產(chǎn)Φ610 mm× 17.5 mm以上、材質(zhì)X70以上直縫埋弧焊管時，就出現(xiàn)錯邊和擠壓輥無法壓下的情況。若保持擠壓狀態(tài)運行的距離過短，則會引起焊縫質(zhì)量不穩(wěn)定，甚至因無法克服彈復(fù)力而“爆管”。這里把預(yù)焊接后鋼管保持擠壓狀態(tài)運行的這段距離叫作擠壓保持距離。由上所述，合理地設(shè)計擠壓保持距離尤為重要。

1　預(yù)焊合縫裝置擠壓保持距離的設(shè)計

1.1自保持段

擠壓輥保持段如圖1所示。其中，L0為保持段總長，L1為擠壓保持段，A為焊接點。在不焊接的情況下，管坯從合縫裝置出來后會因母材彈復(fù)力而呈V角張開。在預(yù)焊接的情況下，當(dāng)焊縫從擠壓終點B走到X點時，兩鈍邊張開距離為ΔX，只要ΔX∧wδ（其中，w為預(yù)焊縫寬度，δ為其伸長率），焊縫就不會被拉斷（即鋼管不會彈開），定義此段為自保持段；而當(dāng)焊縫走到下一點X1，即ΔX1≥wδ時，只要焊縫強度足夠克服鋼管彈復(fù)力，鋼管也不會彈開。所以，焊縫從焊接點開始，要經(jīng)過擠壓保持段、自保持段，出了自保持段焊縫必須冷卻到有足夠強度來克服彈復(fù)力。高頻焊接屬于壓力焊，經(jīng)過擠壓輥擠壓之后，兩結(jié)合面的原子已充分結(jié)合，進而具備足夠的抗拉強度以克服彈復(fù)力；而氣體保護焊屬于熔化焊，需要一定的時間讓熔池降溫凝固至具有足夠強度克服彈復(fù)力。所以氣體保護預(yù)焊必須設(shè)計足夠長的保持段［5-10］。

圖1　擠壓輥保持段示意

自保持段長度即某點處ΔX達到焊縫伸長量極限Δwmax時該點離擠壓終點B點的距離L2。經(jīng)高頻生產(chǎn)線成型后，在不破壞鈍邊的成型擠壓條件下，兩鈍邊張開距離ΔX與該點處離擠壓終點B點處的距離L的關(guān)系可近似表示為：ΔX=0.02L（L≤500 mm）。在自保持段期間，由于焊縫處于高溫狀態(tài)，塑性比常溫時好，中直徑直縫埋弧焊管生產(chǎn)線上最小伸長率的X60鋼級管線鋼的常溫伸長率δ取18%，預(yù)焊縫寬度w取4 mm，則Δwmax=wδ=0.72（mm）。所以自保持段長度L2=50Δwmax=36（mm）。

1.2鋼管離開自保持段后焊縫受力分析

鋼管軋制合縫后，內(nèi)半壁厚母材處于受壓狀態(tài)，外半壁厚母材處于受拉狀態(tài)，最內(nèi)層和最外層變形量ε最大，為：ε=T/（D-T）≤3.5%（鋼管規(guī)格為Φ610 mm×20.6 mm時，D為鋼管的外徑，T為鋼管的壁厚），除中間層外，均存在殘余應(yīng)力，表現(xiàn)為彈復(fù)量，即鋼管離開擠壓輥后若不經(jīng)過焊接，鋼管會彈開一定的開口量C，彈復(fù)量如圖2所示。

圖2　彈復(fù)量示意

鋼管的殘余應(yīng)力σr可用公式（1）［11-12］計算：

式中E——鋼的彈性模量，取200 GPa；

y——鋼管環(huán)截面上某點與中性面的距離，mm。

由此可見，鋼管壁厚上不同點的殘余應(yīng)力值是不一樣的，由中性層向內(nèi)、外層兩邊呈線性增大，在鋼管內(nèi)、外表面應(yīng)力值達到最大。在鋼管內(nèi)表面，y=-T/2，故（負號表示殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力）；在中性層，y=0，故σr=0；在鋼管外表面，y=T/2，故

鋼管離開自保持段后，取微小段長度ΔL來分析，沿焊縫的中心線剖開，m點為壁厚中心，鋼管焊縫與母材受力分析如圖3所示。對鋼管進行靜力分析，發(fā)現(xiàn)作用在焊縫截面上的力、力矩與作用在biΔL截面上的力、力矩是平衡的。

圖3　鋼管焊縫與母材受力分析示意

設(shè)焊縫深度為h，鈍邊長為e，則線段am的長度am=D-T+e/2，以m點為計算中心：

式中σ焊縫——克服彈復(fù)力所需的焊縫應(yīng)力，Pa；

F焊縫——焊縫應(yīng)力產(chǎn)生的拉力，N；

M拉、M壓——以m點為中心，鋼管母材殘余拉、壓應(yīng)力對biΔL截面產(chǎn)生的力矩，N·m。

結(jié)合公式（2）～（4）可得：

從公式（5）可看出：克服彈復(fù)力所需的焊縫應(yīng)力占母材殘余應(yīng)力比重主要與厚徑比和預(yù)焊縫深度有關(guān)。由此可知，Φ610 mm×20.6 mm鋼管克服彈復(fù)力所需的焊縫應(yīng)力占母材殘余應(yīng)力比重最大，為σ焊縫=3%σrmax。所以，只要焊縫強度σb焊縫≥3%σrmax，即可克服彈復(fù)力。

根據(jù)對多種規(guī)格和材質(zhì)的鋼管進行試驗測量并參考文獻［13］，發(fā)現(xiàn)：經(jīng)高頻生產(chǎn)線成型后，在不破壞鈍邊的成型擠壓條件下，鋼管合縫后殘余應(yīng)力不超過母材屈服應(yīng)力σs母材，計算時可取σrmax≈σs母材。所以，只要滿足σb焊縫≥3%σs母材，即可克服彈復(fù)力。

1.3冷卻溫度的確定

冷卻溫度即焊縫由熔融狀態(tài)凝固至σb焊縫≥3% σs母材時焊縫的溫度。由于高溫下鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線沒有明顯的屈服極限和屈服平臺，其高溫強度系數(shù)尚無定論，本文根據(jù)英國規(guī)范（BS 5950-8∶2003）給出的鋼的高溫強度系數(shù)表，按變形量2%選定［14］，焊縫高溫力學(xué)性能如圖4所示。從圖4可知，鋼在1 100℃時其強度已達到常溫強度的3.0%，在900℃時比值達到6.2%。所以，當(dāng)溫度降到900℃時，足以克服彈復(fù)力，安全系數(shù)K=2.06。

圖4　焊縫高溫力學(xué)性能

1.4冷卻時間的確定

冷卻時間J即焊縫由熔融狀態(tài)冷卻至所需溫度的時間。焊縫中心某一點冷卻到某一溫度tc所需的時間Jc可由公式（6）［15］表示：

式中m2——修正系數(shù)；

P——焊接線能量，J/cm；

λ——熱導(dǎo)率，W/（cm·℃）；

Cρ——體積熱容，J/（cm3·℃）；

t0——焊件初始溫度即室溫，℃。

當(dāng)焊縫深度（板厚即焊縫深度）為4 mm時，相應(yīng)焊接線能量P=2 832 J/cm。當(dāng)鋼的熱導(dǎo)率λ=0.5 W/（cm·℃），體積熱熔Cρ=5 J/（cm3·℃）時，修正系數(shù)m2≈1；t0即室溫（最高室溫為40℃）。將以上各值帶入公式（6），可求得焊縫冷卻至900℃所需時間為2.2 s。

1.5擠壓輥擠壓保持距離的確定

擠壓輥擠壓保持距離的確定，即在焊縫所需冷卻時間內(nèi)鋼管走過的距離與自保持段長度之差。當(dāng)預(yù)焊速度v=8 m/min，可得擠壓保持距離為：L1=L0-L2=257 mm。

所以，擠壓輥只要保持擠壓257 mm，焊縫強度就足以克服彈復(fù)力，安全系數(shù)K=2.06。

2　結(jié)　語

預(yù)焊合縫裝置的很多參數(shù)計算、選擇都基于擠壓輥擠壓保持距離的取值，核心部分如動力及傳動裝置，基礎(chǔ)部分如地腳螺栓等的設(shè)計，都取決于擠壓保持距離。擠壓保持距離的合理設(shè)計，既可以保證預(yù)焊縫質(zhì)量穩(wěn)定，又能盡量減小擠壓力，便于調(diào)整錯邊。

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●信息

Design of Pre-welding/Weld-joining Device’s Extrusion-holding Distance of HF Weld Pipe Production Line

HUANG Mingchu
（Shashi Steel Pipe Works，Sinopec Oilfield Equipment Corporation，Jingzhou 434001，China）

Abstract：After being shielded arc welded，the steel pipe as in the extrusion state has to be running for a speci-% fic distance so as to ensure that the pre-welded tube has enough strength against the elastic force effect. Elaborated in the article is the method for making design for this purpose. Based on the analysis of the weld stress state of the tube that has run through the self-holding distance，the weld’s cooling temperature and time are deduced，and then the said extrusion distance held by the pre-welding/weld joining device is determined. As the said distance is properly specified and held，the weld can be cooled down to a certain extent to have sufficient strength against the elastic force effect，while it is possible to avoid the troubles like weld offsetting or the extrusion roll’s failure to be pressed down due to the over large extrusion force as caused by the over-long extrusion distance.

Key words：medium-sized；SAWL pipe；HF welded pipe production line；shielded arc pre-welding；pre-% welding/weld-joining device；residual stress；extrusion-holding distance；elastic force

收稿日期：（2015-10-27）

中圖分類號：TG333.93搖

文獻標志碼：B搖

文章編號：1001-2311（2016）01-0055-04