焊接鋼管徑向偏差測量工具的新型設計

吳禹勝，趙增強，吳來友，代志健

（山東勝利鋼管有限公司，山東 淄博 255082）

焊縫噘嘴是輸送管道用焊接鋼管制造中普遍存在的一種幾何缺陷，其嚴重程度取決于鋼管成型工藝設計（如成型角的選擇）和制造技術水平［1］。當管道承受內(nèi)壓作用，焊縫噘嘴會產(chǎn)生附加彎曲應力，附加彎曲應力和內(nèi)壓產(chǎn)生的薄膜應力疊加，在管道內(nèi)表面噘嘴部位產(chǎn)生應力集中，從而導致管道承載能力下降，并增加應力腐蝕開裂敏感性［2］，降低疲勞壽命［3-4］。該缺陷的存在也不利于現(xiàn)場施工的管端對接，有可能增加環(huán)焊縫對接的焊接缺陷。

API Spec 5L—2018《管線鋼管規(guī)范》及GB/T 9711—2017《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》規(guī)定：除摔坑外，在鋼管成型或制造操作過程中造成的，鋼管實際輪廓相對于鋼管正常圓柱形輪廓的幾何偏離（如扁平塊和噘嘴），偏離值超過3.2 mm應判為缺陷，并應切除存在缺陷的部分或整根拒收；應在埋弧焊管和組合焊管管端焊縫處，用模板測量扁平塊和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（8.0 in）的較小者［5］。國內(nèi)大型企業(yè)的企業(yè)標準及重要油氣管線的技術條件一般都更嚴格，如中國石化企業(yè)標準Q/SHCG 24.2—2015《天然氣輸送管道用鋼管技術條件 第2 部分：埋弧焊鋼管》、中國石油油氣儲運項目設計規(guī)定CDP-S-NGP-PL-006-2014-3《天然氣管道工程 鋼管技術規(guī)格書》、中國石化鄂安滄管道工程項目技術規(guī)格書SPE-1000MA01-01 等明確了焊縫處噘嘴的測量范圍并且加嚴了要求：焊縫兩側各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不得大于1.5 mm［6］。中國石化青寧輸氣管道工程中出現(xiàn)了新的加嚴規(guī)定：焊縫兩側各50 mm 弧長范圍內(nèi)局部區(qū)域與鋼管理想圓的最大徑向偏差不得大于1.5 mm，管端任意1/3 弧長范圍內(nèi)局部區(qū)域與鋼管理想圓的最大徑向偏差不應大于2.5 mm［7］。該標準對管端徑向偏差的控制從常規(guī)的管端噘嘴擴展到管端1/3 弧長范圍，把管端徑向偏差的控制范圍進行了加嚴和擴大。由此可見，隨著國內(nèi)外對高壓輸送管道質(zhì)量要求的提高，管道標準制定者和使用者越來越重視焊縫的噘嘴問題。

相關標準中僅針對管端焊縫50 mm 范圍內(nèi)噘嘴明確提出采用模板垂直鋼管軸向進行測量，但未給出具體的測量方法，已有的文獻中對這方面的研究和解決方案存在不合理和測不準的問題。對管端1/3 弧長范圍內(nèi)徑向偏差的測量研究則未見有文獻表述。由此，本文將就管端噘嘴及徑向偏差的測量的方法進行更深入的探討。

1 現(xiàn)有測量管端噘嘴及徑向偏差的方法

現(xiàn)有測量管端噘嘴及徑向偏差的方法大致可分為垂直軸線測量法和平行軸線測量法［8］。

1.1 垂直軸線測量法

垂直軸線測量法按測量時支撐形式可分為弧面貼附模板法和固定支腿工具法，按在鋼管上的放置位置又可分為內(nèi)壁測量法和外壁測量法。以弧面貼附模板法為例，內(nèi)、外壁測量法如圖1 所示。目前鋼管尺寸驗收通常在鋼管外壁上進行，因此較少采用內(nèi)壁測量法。

圖1 弧面貼附模板法鋼管噘嘴內(nèi)外壁測量示意

（1） 弧面貼附模板法。

對于焊縫兩側各50 mm 弧長范圍內(nèi)的噘嘴測量，弧面貼附模板的使用方法如圖2 所示。選擇與實測鋼管直徑相當?shù)睦硐雸A模板，模板中間底部有開口，將模板垂直于焊管軸線放置，開口跨過焊縫，其余圓弧緊貼在螺旋縫焊管外壁，通過測量模板中位槽底面與管體表面的距離來確定噘嘴的大小。測量不同位置的噘嘴量，則需移動模板使模板中心對準測量點。

圖2 弧面貼附模板法測量示意

該方法的測量假設前提為：該工具的圓弧部分能與鋼管外壁完全緊密貼合，貼合部分的鋼管外壁是理想圓弧。

對于管端1/3 弧長范圍的徑向偏差噘嘴測量，目前僅有弧面貼附模板法。其模板實質(zhì)上是測量焊縫兩側50 mm 范圍內(nèi)噘嘴模板的放大版，即將模板內(nèi)圓弧弧長擴展到1/3 弧長，只是模板外側由直線變成了弧線，采用塞尺等測量徑向偏差尺寸，1/3弧長模板法如圖3 所示。對于某一固定尺寸模板，即使鋼管外徑是理想圓弧，也會產(chǎn)生3 種外壁貼附情況，如圖4 所示。其中圖4（b）和圖4（c）的測量貼附情況會產(chǎn)生明顯的測量誤差。

圖3 1/3 弧長模板法示意

（2） 固定支腿工具法。

固定支腿工具法對弧面貼附模板法作了改進，固定支腿工具法測量如圖5 所示。該工具支座有一定的寬度，支座與鋼管線性接觸，測量時支座可平穩(wěn)放置，支座中心處固定安裝有百分表。使用前，先利用校準模塊（理想圓弧模塊）在百分表上標定出相對零點，然后將測量支座垂直于螺旋縫焊管軸線放置，百分表對準測量位置進行測量。移動測量工具，可測量不同位置的噘嘴尺寸。

圖4 1/3 弧長模板法與理想鋼管外壁貼附情況

圖5 固定支腿工具法測量示意

1.2 平行軸線測量法

平行軸線測量法通常應用于內(nèi)焊后、外焊前。在鋼管外壁上采用平行焊管軸線放置的鋼直尺來測量焊縫噘嘴，但這時候的噘嘴與標準中的噘嘴有一定的區(qū)別，該方法主要用于及時調(diào)整鋼管的成型。平行軸線測量法比較簡單，這里就不再贅述。

2 新型的管端噘嘴及徑向偏差測量工具

2.1 現(xiàn)有測量工具存在的問題

2.1.1 測量準確性分析

現(xiàn)有工具均采用形狀固定的實體工具進行測量，當固定實體工具的內(nèi)輪廓上有兩個點（或固定支腿工具法的兩支腿）與鋼管外壁接觸，則實體工具與鋼管外壁的相對位置就完全確定。只有當兩個接觸點處鋼管半徑與標定用模具的理想圓半徑均相等（或固定支腿工具法的兩個接觸點處鋼管半徑相等），才能準確測量工具中點位置對應的管端噘嘴及徑向偏差，否則測量基準偏離，測量結果的準確性無法保證［9］。

2.1.2 連續(xù)測量分析

現(xiàn)有垂直軸線測量法工具，測量點只能在模板或工具的中間位置進行測量，測量下一個位置時，需要移位進行，無法實現(xiàn)一次放置即可進行支點間全位置的連續(xù)測量。

2.1.3 經(jīng)濟性分析

對于任意一種規(guī)格的鋼管，實際生產(chǎn)出的鋼管管端管徑是一個變化值。若要進行相對準確的測量，弧面貼附模板法需要制作大量模板，固定支腿工具法需要制作大量標定模塊。

2.2 新型工具的測量原理及設計方法

2.2.1 測量原理

噘嘴及徑向偏差是指鋼管局部區(qū)域與鋼管理想圓弧的徑向偏差。根據(jù)這一概念，說明測量的假設前提為：鋼管的圓心與鋼管理想圓的圓心兩者共心，且圓心唯一。而實際鋼管截面并非標準圓形，因此唯一圓心也僅是在工程上為了實現(xiàn)噘嘴測量而作出的測量假設。

由于鋼管的理想圓是基準圓，因此需要構建一個鋼管理想圓輪廓線。該輪廓線存在于空間中，可能落于鋼管外輪廓上，也可能落于鋼管的內(nèi)部或外部。因此為測量理想圓輪廓線與鋼管輪廓的徑向偏差，則不應與實際鋼管存在實體接觸。要實現(xiàn)這一目的，應首先在鋼管外壁以外的空間上建立一個與實測鋼管同心的參照圓，繼而在空間上建立鋼管理想圓輪廓線。通過測量鋼管外壁與鋼管理想圓輪廓線的徑向差值，可獲得相對準確的噘嘴尺寸。

噘嘴測量原理及測量工具結構如圖6 所示。該測量工具包括參照圓模板（5、7、8、9、10、15、16、17）、測長組件（1、2、3、11）和相對零點標定構件（12、13、14）。

圖6 噘嘴測量原理及測量工具結構示意

2.2.2 新型測量工具的設計示例

現(xiàn)以中國石化青寧輸氣管道工程Φ1 016 mm×17.5 mm 鋼管為例來說明管端噘嘴及徑向偏差專用測量工具的使用方法。

采購文件對管端噘嘴及徑向偏差的要求為：焊縫兩側各50 mm 弧長范圍內(nèi)局部區(qū)域與鋼管理想圓的最大徑向偏差不得大于1.5 mm，管端任意1/3弧長范圍內(nèi)局部區(qū)域與鋼管理想圓的最大徑向偏差不應大于2.5 mm。同時采購文件還對管徑大小和圓度偏差提出要求：管端直徑的允許偏差-1.0～+1.5 mm；管端圓度≤6.0 mm；除管端外，管體圓度允許偏差≤12.1 mm。根據(jù)上述要求可設計一個能直接測量1/3 弧長范圍徑向偏差的測量工具；也可設計一個測量范圍相對較小的測量工具，對1/3 弧長范圍徑向偏差進行分段次測量；若將該工具再周向縮小即可設計成為焊縫兩側50 mm 范圍內(nèi)噘嘴的測量工具?，F(xiàn)以設計直接測量1/3 弧長范圍徑向偏差的測量工具為例進行說明。

2.2.2.1 參照圓模板的設計

（1） 參照圓模板內(nèi)圓弧半徑設計。

為實現(xiàn)鋼管理想圓輪廓線不與實際鋼管存在實體接觸目的，首先建立一個不與鋼管存在實體接觸的參考圓。參照圓半徑R參照應設計為R參照≥R公稱+Δ。其中，R公稱為實際鋼管的半徑，Δ 為保證不接觸的余量。綜合考慮人眼識別能力、管端直徑及圓度控制指標等因素［10-11］，中國石化青寧輸氣管道工程 Φ1 016 mm×17.5 mm 鋼管的公稱半徑為 508 mm，考慮半徑方向給予4 mm 的空間余量，確定參照圓模板內(nèi)圓弧半徑為512 mm。

（2） 參照圓模板長度的設計。

考慮到數(shù)顯百分表測量時所占用的空間，參照圓模板沿圓弧方向的長度應大于1/3 弧長，以保證鋼管上任意1/3 弧長范圍的所有位置均被測量到，現(xiàn)根據(jù)具體情況，將參照圓模板的內(nèi)圓弧長度增加到140°圓心角所對應的弧長。

根據(jù)上述分析，參照圓模板的內(nèi)圓弧半徑設計為512 mm，圓心角設計為140°，外圓弧半徑和模板壁厚的設計應充分考慮模板的選材、剛性、質(zhì)量及測量操作便捷等因素。

2.2.2.2 構建鋼管理想圓輪廓線并確定相對零點

（1） 標定組件貼附布置。

相對零點標定構件如圖7 所示，貼附平板上的兩支撐滾輪貼附于參照圓模板上沿，貼附平板的板面貼附于參照圓模板板面放置，此時探針垂直于鋼管，且探針伸縮方向穿過參照圓圓心。

（2） 構建鋼管理想圓輪廓線，確定相對零點輪廓線。

圖7 相對零點標定構件示意

以參照圓模板的內(nèi)圓弧面邊線作為參照圓基準線，參照圓基準半徑R參照為512 mm。將直角零點標定塊平行于參照圓模板板面并沿參照圓半徑方向外移，使直角零點標定塊的圓柱體B 與參照圓模板的內(nèi)圓弧面呈線接觸貼合，將數(shù)顯百分表的探針觸頭落于標記塊C 的中心標記線上，將此位置標定為參照圓零點。參照圓零點標定如圖8（a）所示。

繼續(xù)將直角零點標定塊平行參照圓模板板面并沿參照圓半徑方向內(nèi)移，移動距離t=R參照-R理想=4.7 mm，將數(shù)顯百分表的探針觸頭再次落于標記塊C的中心標記線上，將此位置（理想圓的圓弧線上的點）標定為理想圓的相對零點（即比較基準零點）。理想圓的相對零點標定如圖8（b）所示。

圖8 參照圓零點標定和理想圓的相對零點標定示意

至此，數(shù)顯千分尺在外圓弧上所有位置移動，即形成理想圓相對零點輪廓線，此時鋼管理想圓輪廓線完全確定。

繼續(xù)向下移動直角零點標定塊，直至完全由滑移塊A 的外端圓柱D 接觸裝配塊，將直角零點標定塊旋轉90°，向上收起直角零點標定塊至不影響測量的位置后，鎖定放置。

2.2.2.3 調(diào)整支腿長度以構建三心共點

從圖6 可以看出，將參照圓模板垂直鋼管軸線放置在鋼管上，可調(diào)支腿簡易結構如圖9 所示。先測量一處接觸支點的鋼管直徑，假設測得直徑為1 018 mm，則半徑R支鋼1為509 mm，調(diào)整該支腿伸出長度d1=R參照-R支鋼1=3 mm，鎖定該支腿；測量另一處接觸支點的鋼管直徑，假設測得直徑為1 013 mm，則半徑R支鋼2為506.5 mm，調(diào)整該支腿伸出長度d2=R參照-R支鋼2=5.5 mm，鎖定該支腿。由于參照圓圓心和鋼管理想圓圓心已經(jīng)兩心共點，則當兩處接觸支點的支腿長度均調(diào)整完畢后，參照圓的圓心、理想圓的圓心以及鋼管管端的圓心三心共點。

圖9 可調(diào)支腿簡易結構示意

2.2.2.4 管端噘嘴及徑向偏差尺寸測量

使數(shù)顯百分表的探針平行于參照圓模板發(fā)生相對位移，直至探針觸頭與鋼管外壁接觸，讀取數(shù)顯百分表上顯示的數(shù)據(jù)，即為該測量點處的管端噘嘴或徑向偏差尺寸。

3 結 語

為實現(xiàn)相對準確的管端噘嘴及徑向偏差的測量，在測量時不應使鋼管理想圓與實際鋼管存在實體上的接觸。為實現(xiàn)這一目的，給出了在鋼管外壁以外的空間內(nèi)建立空間參照圓以及空間鋼管理想圓輪廓線的方法。通過將鋼管理想輪廓線標定為相對零點，可以相對準確地測得管端噘嘴和徑向偏差尺寸。該方法解決了現(xiàn)有測量方法的不合理和測量準確度相對較低的問題，不需要制作大量模板或標定試塊，具有很好的經(jīng)濟性。同時，該方法還有很強的通用性，適用于焊接鋼管管端噘嘴、管端及管體徑向偏差的測量。

根據(jù)該測量原理，可以將該工具設計為僅對極值大小進行判斷的快速測量工具。數(shù)顯百分表可以采集數(shù)據(jù)，還能設計成可連續(xù)進行數(shù)據(jù)測量的工具。2019 年，測量鋼管管端噘嘴或管體外壁徑向偏差的方法及其組合工具已取得發(fā)明專利和實用新型專利，發(fā)明專利號ZL201910413643.1，實用新型專利號ZL201920707890.8。