直讀式焊管“噘嘴”測量工具設(shè)計(jì)

朱 賀，李繼平

（遼陽石油鋼管制造有限公司，遼寧 遼陽111003）

直讀式焊管“噘嘴”測量工具設(shè)計(jì)

朱 賀，李繼平

（遼陽石油鋼管制造有限公司，遼寧 遼陽111003）

為了提高埋弧焊接鋼管在生產(chǎn)中對“噘嘴”缺欠的測量精度和效率，設(shè)計(jì)出一種新型鋼管“噘嘴”測量工具。該測量工具由測量基準(zhǔn)尺和數(shù)顯深度尺兩部分構(gòu)成，測量基準(zhǔn)尺在測量時(shí)實(shí)現(xiàn)測量基準(zhǔn)定位，數(shù)顯深度尺在滑動(dòng)測量中通過測量針的伸出長度將測量值顯示在表盤上，可直接讀取。利用此工具對鋼管“噘嘴”缺欠進(jìn)行測量，使傳統(tǒng)的“噘嘴”定性測量轉(zhuǎn)變?yōu)槎繙y量，測量精度和測量效率明顯提高，測量結(jié)果更加客觀、準(zhǔn)確。

埋弧焊接鋼管； “噘嘴”；測量工具；測量基準(zhǔn)；數(shù)顯

1 “噘嘴”缺欠的標(biāo)準(zhǔn)要求

“噘嘴”缺欠（以下簡稱“噘嘴”）一般是指埋弧焊鋼管（以下簡稱鋼管）焊縫兩側(cè)各50 mm弧長范圍內(nèi)局部區(qū)域與鋼管理想圓弧的最大徑向偏差。在API SPEC 5L（第45版）和GB/T 9711—2011等標(biāo)準(zhǔn)中對“噘嘴”的規(guī)定為：“除摔坑外，由于鋼管成型工藝或制造操作造成鋼管實(shí)際輪廓相對于鋼管正常圓柱輪廓的幾何尺寸偏離，其極端點(diǎn)與鋼管正常輪廓延伸部分之間的距離，即深度超過3.2 mm的應(yīng)判為缺陷?！?/p>

鋼管的“噘嘴”缺欠不僅能造成鋼管管端圓度的局部超差，影響施工現(xiàn)場環(huán)焊縫對接，而且在鋼管“噘嘴”處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，影響鋼管使用壽命。目前，長輸管道現(xiàn)場施工中普遍對鋼管管端加工復(fù)合坡口，采用全自動(dòng)焊接，AUT檢測，這種施工工藝一方面提高了現(xiàn)場施工效率，另一方面也對鋼管的管端幾何尺寸提出了更高要求。2017年中俄東線Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋埋弧焊鋼管的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中將焊縫“噘嘴”由“最大徑向偏差不得大于1.5 mm”修改為“最大徑向偏差不得大于1.3 mm”，并首次提出了“局部不圓度”的概念。由此可見，國內(nèi)外重大管線對鋼管“噘嘴”的要求越來越高，鋼管“噘嘴”缺欠也越來越被業(yè)主和鋼管制造廠家所重視。

為了加強(qiáng)對“噘嘴”的控制，首先必須實(shí)現(xiàn)對“噘嘴”的精確測量。在API SPEC 5L（第45版）和GB/T 9711—2011等標(biāo)準(zhǔn)中對“噘嘴”測量方法和測量工具的規(guī)定為：“應(yīng)在埋弧焊管管端焊縫處，用模板測量噘嘴相對于鋼管理論輪廓的最大偏離，模板垂直于鋼管軸向，且長度為0.25D或200 mm（取較小者）”，這一指標(biāo)規(guī)定的比較寬松，對“噘嘴”具體的測量工具和測量方法規(guī)定的并不十分明確，很難滿足國內(nèi)外重點(diǎn)管線對“噘嘴”高標(biāo)準(zhǔn)的控制要求。制管行業(yè)中對“噘嘴”常規(guī)的測量方法是使用“噘嘴”規(guī)和塞尺配合進(jìn)行測量，如圖1所示。具體測量方法是將“噘嘴”規(guī)垂直鋼管軸向放在成型縫上，并使“噘嘴”規(guī)中心與成型縫中心基本重合，用塞尺測得“噘嘴”規(guī)與鋼管輪廓之間的最大距離即為“噘嘴”值。這種測量方法操作起來比較繁瑣，測量效率較低，尤其在對管端“局部不圓度”進(jìn)行測量時(shí)，測量工作量較大。 另外，這種測量方法測量精度低，測量過程中受操作者的主觀因素影響較大，很難滿足在高標(biāo)準(zhǔn)下對 “噘嘴”的測量頻次和測量精度的要求。

圖1 “噘嘴”常規(guī)測量方法

綜上所述，根據(jù)管道市場的實(shí)際要求和鋼管生產(chǎn)測量的實(shí)際需要，一種高精度、易操作、實(shí)用性強(qiáng)的“噘嘴”測量工具急需設(shè)計(jì)制作出來。

2 “噘嘴”測量工具設(shè)計(jì)

2.1 測量原理

通過對鋼管 “噘嘴”測量的研究，設(shè)計(jì)出一種新型的鋼管“噘嘴”測量工具—直讀式“噘嘴”測量規(guī)，如圖2所示。此測量規(guī)的主體結(jié)構(gòu)由測量基準(zhǔn)尺和數(shù)顯深度尺兩部分構(gòu)成。測量基準(zhǔn)尺外徑基準(zhǔn)面的加工弧度與所測鋼管外徑標(biāo)準(zhǔn)弧度相同，在測量過程中起到基準(zhǔn)定位的作用；而數(shù)顯深度尺的引入很好地解決了傳統(tǒng)“噘嘴”測量中不直觀、不精確的弊端。在測量過程中通過數(shù)顯深度尺在待測區(qū)域的滑動(dòng)測量，將測得的每點(diǎn)數(shù)值顯示在表盤上可直接讀取，通過簡單處理即可獲得鋼管測量區(qū)域的“噘嘴值”。

圖2 直讀式“噘嘴”測量規(guī)

2.2 測量工具構(gòu)成

2.2.1 數(shù)顯深度尺

數(shù)顯深度尺如圖3所示，主要由導(dǎo)軌、電子數(shù)顯裝置、安裝固定座和測量針等幾部分構(gòu)成。電子數(shù)顯裝置和測量針能夠沿著導(dǎo)軌上下移動(dòng)，測量針能夠?qū)崿F(xiàn)與被測鋼管的滑動(dòng)接觸。表盤上有“校零”按鈕，測量針在基準(zhǔn)位處校零后，測量針移動(dòng)后相對于基準(zhǔn)位伸縮長度數(shù)值便會(huì)顯示在表盤上，表盤數(shù)值顯示精度為0.01 mm。

圖3 數(shù)顯深度尺

2.2.2 測量基準(zhǔn)尺

測量基準(zhǔn)尺如圖4所示，其在測量中起到測量基準(zhǔn)定位作用。外徑基準(zhǔn)面的加工弧度與所測鋼管外徑弧度相同，在鋼管“噘嘴”影響區(qū)（成型縫兩側(cè)各50 mm弧長）以外的管體弧度可認(rèn)為是理想圓弧。測量基準(zhǔn)尺上的中間槽居中對稱開設(shè)，寬度為100 mm，中間槽的開設(shè)避免了鋼管“噘嘴”影響區(qū)的非理想圓弧和外焊縫高度對測量規(guī)基準(zhǔn)面定位的影響。在測量時(shí)，測量基準(zhǔn)尺的外徑基準(zhǔn)面便可與鋼管“噘嘴”影響區(qū)以外的標(biāo)準(zhǔn)圓弧重合，實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)定位。測量基準(zhǔn)尺上的滑動(dòng)槽與外徑基準(zhǔn)面平行布置，使數(shù)顯深度尺可在滑動(dòng)槽上方便地滑動(dòng)。

圖4 測量基準(zhǔn)尺

2.3 測量步驟

（1）首先，將直讀式“噘嘴”測量規(guī)垂直鋼管軸向放置在待測位置，使測量規(guī)中心與焊縫中心基本重合，將測量規(guī)外徑基準(zhǔn)面與鋼管理想圓弧基準(zhǔn)重合，實(shí)現(xiàn)測量的基準(zhǔn)定位，如圖5所示；

（2）移動(dòng)數(shù)顯深度尺，將測量針與鋼管理想圓弧上的點(diǎn)接觸，此時(shí)按下數(shù)顯裝置上的“開啟”按鈕，然后再按下“校零”按鈕，對測量規(guī)進(jìn)行校零。此時(shí)儀表盤讀數(shù)為0.00 mm；

（3）移動(dòng)數(shù)顯深度尺至“噘嘴”影響區(qū)域進(jìn)行滑動(dòng)測量（如圖6中由B點(diǎn)至C點(diǎn)），觀察并記錄儀表盤的讀數(shù)變化，讀數(shù)絕對值最大的點(diǎn)（除去焊縫區(qū)域）就是與鋼管理想圓弧最大徑向偏差點(diǎn)，根據(jù)“噘嘴”的定義可知，此讀數(shù)的絕對值便是所要測量的“噘嘴”值。

圖5 測量規(guī)基準(zhǔn)定位示意圖

圖6 測量規(guī)滑動(dòng)測量示意圖

3 測量誤差分析

3.1 測量規(guī)加工和裝配精度

測量規(guī)的加工和裝配精度將直接影響測量規(guī)的測量精度。作為量規(guī)，外徑基準(zhǔn)面和滑動(dòng)槽的加工精度公差等級規(guī)定為IT6級，查標(biāo)準(zhǔn)公差數(shù)值表可知，加工基本尺寸對應(yīng)的加工精度要達(dá)到0.04~0.078 mm。為了滿足這一加工精度要求，對測量基準(zhǔn)尺采用線切割加工工藝，線切割加工精度可以達(dá)到0.01 mm，可以滿足規(guī)定的加工精度要求。

在測量規(guī)的裝配中，通過兩根螺栓軸將數(shù)顯深度尺安裝在測量基準(zhǔn)尺的滑動(dòng)槽上，配合表面粗糙度設(shè)計(jì)為3.2，以滿足配合表面質(zhì)量要求。螺栓軸較滑動(dòng)槽易于加工，且數(shù)顯深度尺需在滑動(dòng)槽上精密滑動(dòng)，因此數(shù)顯深度尺和測量基準(zhǔn)尺的裝配采用基孔制間隙配合，基本配合尺寸為則滑動(dòng)槽的尺寸公差為0.016 mm，螺栓軸的尺寸公差為0.011 mm，兩者配合的最大間隙為0.027 mm，滿足測量使用要求。

3.2 測量基準(zhǔn)定位誤差

直讀式“噘嘴”測量規(guī)在使用中需要將測量規(guī)外徑基準(zhǔn)面與鋼管理想圓弧重合，實(shí)現(xiàn)測量的基準(zhǔn)定位，若基準(zhǔn)定位不準(zhǔn)確，測量中必然引起較大測量誤差。除去人為操作因素造成的基準(zhǔn)定位誤差外，要保證測量基準(zhǔn)定位準(zhǔn)確，必須保證焊縫兩側(cè)各50 mm弧長以外的管體是標(biāo)準(zhǔn)圓弧。然而在實(shí)際生產(chǎn)中有可能出現(xiàn)“噘嘴”影響區(qū)超出成型縫兩側(cè)50 mm弧長的情況，這就使測量規(guī)外徑基準(zhǔn)面無法與鋼管圓弧完全重合。還有在對焊縫區(qū)域以外的“局部不圓度”進(jìn)行測量時(shí)，也會(huì)影響到測量的基準(zhǔn)定位，這就要求測量者在測量前對待測量區(qū)進(jìn)行初步判斷，正確選擇測量規(guī)的基準(zhǔn)定位位置，以減小因測量規(guī)的基準(zhǔn)定位不準(zhǔn)而造成的誤差。

其次，測量規(guī)外徑基準(zhǔn)面的弧度尺寸是按照待測鋼管的目標(biāo)管徑來加工的，生產(chǎn)中不同合同批的鋼管管徑有可能會(huì)偏離目標(biāo)管徑，在對偏離目標(biāo)管徑的鋼管進(jìn)行測量時(shí)，測量規(guī)的基準(zhǔn)定位也會(huì)受到影響。但在焊管生產(chǎn)中，對鋼管管徑控制標(biāo)準(zhǔn)比較嚴(yán)格，鋼管周長在幾毫米范圍內(nèi)的變化折算到鋼管直徑上，與測量規(guī)外徑基準(zhǔn)面弧度尺寸差值很小。因此，待測鋼管管徑偏離目標(biāo)管徑對測量規(guī)基準(zhǔn)定位的影響可忽略不計(jì)。

4 實(shí)際應(yīng)用

2017年4月，在遼陽石油鋼管制造有限公司生產(chǎn)國家重點(diǎn)管線“中俄東線天然氣管道工程用Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋埋弧焊接鋼管”時(shí)，首次將直讀式“噘嘴”測量規(guī)進(jìn)行試應(yīng)用。工藝要求對鋼管“噘嘴”至少每5根測量一次，“噘嘴”值不得大于1.3 mm。直讀式“噘嘴”測量規(guī)在實(shí)際測量過程中表現(xiàn)出測量精度高、使用操作方便等特點(diǎn)，不僅達(dá)到了對“噘嘴”測量精度的要求，而且測量效率大大提高，可滿足中俄東線高頻次的測量需要。

5 結(jié)束語

目前，市場上出現(xiàn)一種鋼管管端幾何尺寸自動(dòng)測量儀，此儀器能夠自主采集鋼管管端幾何輪廓，并通過計(jì)算機(jī)處理技術(shù)對采集數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)圓數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。利用此儀器對鋼管管端“噘嘴”進(jìn)行測量，測量精度較高。但這種測量儀器無法在制管車間的不同工位之間實(shí)現(xiàn)便攜式的測量，也無法在鋼管成型過程中對鋼管“噘嘴”值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，且該測量儀造價(jià)較高，使用成本較大。

與自動(dòng)測量儀相比，利用直讀式“噘嘴”測量規(guī)對鋼管“噘嘴”進(jìn)行測量更加經(jīng)濟(jì)、方便，大大提高了焊管廠家對鋼管“噘嘴”的測量監(jiān)控能力。此外，利用此測量工具還可以對焊接鋼管的凹坑、焊縫余高等幾何外形參數(shù)進(jìn)行測量。隨著焊管行業(yè)對鋼管幾何外形質(zhì)量的不斷重視，直讀式 “噘嘴”測量規(guī)具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1]API SPEC 5L，管線鋼管規(guī)范（第45版）[S].

[2]GB/T9711—2011，石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管[S].

[3]姚長友，李建明，張曉東，等.螺旋縫埋弧焊管“噘嘴”缺陷測量方法探討[J].鋼管，2014，43（1）：54-58.

[4]CDP－S－NGP－PL－006－2014－3，天然氣管道工程用鋼管技術(shù)規(guī)格書[S].

[5]Q/SYGD0503.2—2016，X80級螺旋縫埋弧焊管技術(shù)條件[S].

[6]蔡光起，原所先，高航，等.機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)[M].沈陽：東北大學(xué)出版社，2002.

[7]白忠泉.螺旋焊管成型工藝[M].北京：石油工業(yè)出版社，2011.

[8]盧玉明.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，1998.

[9]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊（第五版第1卷）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[10]GB/T 1800.3—1998，標(biāo)準(zhǔn)公差和基本偏差數(shù)值表[S].

[11]保承軍.機(jī)械零件設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析[J].裝備制造技術(shù)，2007（1）：75-76.

Design of Direct Reading Tool for Measuring Welded Pipe Peaking Defect

ZHU He，LI Jiping
（Liaoyang Petroleum Steel Pipe Manufacturing Co.， Ltd.， Liaoyang 111003， Liaoning， China）

In order to improve the accuracy and efficiency of measuring peaking defect in submerged arc welded pipe production，the new tool for measuring peaking defect was designed.The tool consisted of benchmark scale measurement and digital display of depth gauge，the benchmark scale measurement could realize datum positioning，and the digital display of depth gauge measured by the extended length of the needle could read the results directly on the dial.Using the tool for measuring peaking defect could translate traditional qualitative measurement to quantitative measurement，significantly improved measurement accuracy and efficiency，and made the measuring result more objective and accurate.

submerged arc welded pipe； peaking；measurement tool； measurement datum；digital display

TG335.75

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.10.007

朱 賀（1988—），男，大學(xué)本科，助理工程師，主要從事螺旋埋弧焊鋼管成型工藝研究及技術(shù)工作。

2017-08-02

李紅麗