直縫埋弧焊管直度影響因素研究*

張志明，劉奮勇，郭金利，李芳芳，馬立立

（1.南京巨龍鋼管有限公司，江蘇 南京 210061；2.中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司，天津 110061）

隨著世界石油天然氣工業(yè)的不斷發(fā)展，行業(yè)對長輸管線鋼管的尺寸精度提出了更高要求，當(dāng)今直縫焊管最大的挑戰(zhàn)技術(shù)之一就是幾何尺寸精度控制技術(shù)[1-5］。GB/T 9711—2011《石油天然氣工業(yè) 管線輸送系統(tǒng)用鋼管》及API Spec 5L—2018《管線鋼管規(guī)范》要求陸地長輸管線直度≤0.2%L（L為鋼管長度），海洋管線直度≤0.15%L；一些管線項目則有更高要求，例如北溪管道、尼貝管道項目等將鋼管直度偏差提高到0.1%L，按12 m管長計算的直度為12 mm，這比API Spec 5L附錄J海上服役管道提高了50%。要實現(xiàn)上述要求，甚至實現(xiàn)更高精度管線用管的制造，對制造的變形機理、應(yīng)力分布、工藝控制措施等技術(shù)進行研究是必然的。

1 提升直度的意義

鋼管一定長度范圍上相對于直線的局部偏離稱為直度，并分為全長直度和端部直度，現(xiàn)主要討論全長直度。

受公路及鐵路運輸限制，國內(nèi)加工的直縫焊管公稱長度以12 m為主；同時為方便現(xiàn)場環(huán)焊縫對接，需要對鋼管直度進行必要控制。由于環(huán)焊縫對接過程中需要預(yù)開焊接坡口，生產(chǎn)過程中若直度過大必然影響設(shè)備對鋼管坡口面的加工質(zhì)量，造成坡口不均勻、管端切斜等情況出現(xiàn)，從而降低施工效率和引發(fā)焊接質(zhì)量風(fēng)險。

為減少野外環(huán)境侵蝕造成管線使用壽命下降的情況，一般管線投入使用前均需進行內(nèi)外表面防腐預(yù)處理，以隔絕外部環(huán)境，而直度會對防腐質(zhì)量造成以下影響：①三層結(jié)構(gòu)聚乙烯防腐層（3PE）不均勻，PE膜片發(fā)生寬窄變化，嚴(yán)重時出現(xiàn)邊部不重合的問題，局部PE層數(shù)達不到規(guī)定要求、沿螺旋線分布厚度不足；②使3PE防腐管端出現(xiàn)氣泡。直度超差的鋼管在傳送過程中前后兩根鋼管的管口不能完全咬合，即存在錯口，錯口的幅度超過中頻壓輥變形對氣泡的排除能力時，位置低的管端將產(chǎn)生氣泡，在確保涂敷作業(yè)線輥道的平直度精度的前提下，管端氣泡問題與鋼管的直度偏差相關(guān)。

2 直度影響因素分析及探討

2.1 焊接非對稱變形的影響

假設(shè)材料性能均一，鋼板厚度均勻，成型及擴徑過程變形完全對稱，在上述理想情況下，鋼管直度問題的產(chǎn)生是因為焊縫在鋼管上的位置不對稱，即雙面直縫埋弧焊管焊縫處于縱向偏心位置，所引起的收縮力Ff是偏心的。因此，收縮力不但使鋼管一側(cè)縮短，同時還造成構(gòu)件彎曲，也就是說在不考慮制造精度和材料性能變化時，焊接結(jié)構(gòu)撓度f決定了焊管直度的變化。焊接縱向應(yīng)力造成的直縫焊管變形如圖1所示，撓度f=FfeL2/（8EI）。可見，撓度f與收縮力Ff和偏心距e成正比，與鋼管剛度EI成反比。其中，E為彈性模量，I為鋼管慣性矩[6］。

圖1 焊接縱向應(yīng)力造成的直縫焊管變形示意

2.2 焊縫母材收縮變形差異的影響

直縫焊管焊縫與母材收縮變形不一致，會經(jīng)歷兩個階段：一是焊接焊縫冷卻過程的收縮變形，如圖1所示，這種收縮不但產(chǎn)生了收縮力Ff，也使得焊縫長度出現(xiàn)實質(zhì)性縮短；二是因為焊縫與母材的塑性存在差異，擴徑后母材與焊縫在長度方向的收縮量不一致，一般都是焊縫塑性差、收縮少，母材塑性好、收縮量大。

以X65M鋼級Φ711 mm×19.1 mm×121 900 mm鋼管為例，圖2所示為鋼管成型后，經(jīng)歷內(nèi)焊、外焊、擴徑3個階段母材和焊縫長度變化曲線?？梢?，內(nèi)焊后焊縫長度縮短約4 mm，外焊后（即擴徑前）縮短約6 mm，1.1%擴徑率下縮短約25 mm，總收縮量約35 mm；對于距離焊縫180°處的母材，焊后長度幾乎未發(fā)生改變，擴徑后長度縮短約51 mm，總收縮量是51 mm，母材與焊縫收縮絕對量差為16 mm。這解釋了實際生產(chǎn)過程中絕大多數(shù)直縫焊管擴徑后都是反向彎曲的原因。

圖2 不同鋼管狀態(tài)下母材與焊縫長度變化曲線（1.1%擴徑率）

從圖2還可看出，母材的收縮量大于焊縫，這也為縮小該差距找到了方向。為此，筆者選取不同擴徑率（1.1%，0.9%，0.8%，0.6%，0.4%）進行擴徑，獲得了不同擴徑率下母材與焊縫的長度收縮量變化曲線，具體如圖3所示?？梢钥吹剑词箶U徑率降到0.4%的API Spec 5L標(biāo)準(zhǔn)下限，母材長度收縮總量仍然大于焊縫長度收縮總量（差值約2 mm），即收縮總量為0的點對應(yīng)的擴徑率要小于0.4%。因此，該規(guī)格焊管不發(fā)生正彎，擴徑率增加時，母材與焊縫的長度收縮差會變大，因收縮差單一因素產(chǎn)生的直度也隨之增加，故僅從這個角度來說應(yīng)選取較小的擴徑率進行制管[7-9］。

圖3 母材與焊縫的長度收縮差與擴徑率的關(guān)系

2.3 “噘嘴”的影響

除了因為焊接收縮變形以及焊縫與母材的強度、韌性不等造成的變形差異產(chǎn)生直度變化以外，成型后的局部管型特別是焊縫“噘嘴”（相對于鋼管理論輪廓的最大偏移）也會對鋼管最終直度產(chǎn)生重要影響。同樣以Φ711 mm×19.1 mm鋼管為例，將預(yù)焊后焊縫“噘嘴”控制在-0.5～1.0 mm，擴徑后直度在4～8 mm；預(yù)焊后“噘嘴”控制在2.0～4.0 mm時，直度會明顯增加，不調(diào)整擴徑參數(shù)的情況下，最大達16 mm，不同“噘嘴”下鋼管直度變化如圖4所示。實際生產(chǎn)過程中，可利用“噘嘴”的變化（通常是-1.5～+1.5 mm，即控制“內(nèi)噘嘴”和“外噘嘴”）從而控制鋼管的正彎和反彎趨勢程度。過大的“噘嘴”往往造成擴徑塑性變形過程中焊趾處產(chǎn)生強烈的應(yīng)力集中，從而帶來導(dǎo)向彎曲試驗的開裂風(fēng)險增大甚至焊后擴徑開裂的情形產(chǎn)生，并且這種風(fēng)險與鋼級增大成正相關(guān)關(guān)系。

圖4 Φ711 mm×19.1 mm鋼管直度與“噘嘴”的關(guān)系

2.4 成型對鋼管直度的影響

JCOE成型時，鋼管成型后的直度與成型推料小車定位精度直接相關(guān)。以Φ711 mm×19.1 mm鋼管為例，壓制次數(shù)15步，每步步長129.9 mm，壓制過程推料小車定位精度如果存在一定誤差，多步成型后可能產(chǎn)生5 mm甚至超過10 mm以上的軸向錯邊，從而使得焊縫發(fā)生螺旋偏轉(zhuǎn)，特別是焊接后焊縫縱向收縮變形的扭矩作用使焊縫螺旋愈發(fā)嚴(yán)重，甚至造成擴徑過程不能一次完成。JCO成型折彎及鋼管軸向錯邊如圖5～6所示。

圖5 JCO成型折彎示意

圖6 JCO成型鋼管軸向錯邊示意

成型過程由主要工作組件成型立板與垂直于立板的橫向推料小車配合完成，為保證鋼板軸向定位準(zhǔn)確，需對單側(cè)小車定位精度進行定期測量并保證可控，為實現(xiàn)鋼管軸向錯邊≤10 mm的控制要求，設(shè)備運轉(zhuǎn)期間每12 h對設(shè)備定位精度進行測量，并調(diào)整，控制定位精度小于5 mm，焊接過程預(yù)走刀先進行模擬焊接，防止焊接過程刀輪偏離焊縫中心造成的焊偏問題產(chǎn)生。

如前論及，焊接造成的直度在擴徑前已經(jīng)存在，因為擴徑率調(diào)整范圍有限，如果母材與焊縫的長度收縮差過大必然造成鋼管直度偏大，可以通過適當(dāng)設(shè)置成型下模撓度補償值糾正彎曲，JCO下模工作臺撓度如圖7所示。制管過程是由鋼板到鋼管的一個成型過程，這個過程受成型模具壓制均勻性影響，為補償壓制過程中局部受力不均勻造成的鋼管縱向變形不理想，成型設(shè)備配置撓度補償功能，用于在壓制過程中通過對下模具進行加凸補償解決管體不平直問題。同時，還可以利用這個功能在焊接前獲得一定的撓度，從而達到協(xié)調(diào)焊接、擴徑應(yīng)變差異問題[10-11］。

圖7 JCO成型下模具工作臺撓度示意

2.5 擴徑對鋼管直度的影響

直縫焊管在前6 m擴徑過程中，鋼管處于非自由狀態(tài)，擴徑頭與鋼管的相對位置直接影響變形對稱性。同時，可以利用這種對稱性的差異，在一定范圍內(nèi)通過調(diào)整夾鉗高度、前支撐高度、步長等參數(shù)設(shè)置，改變擴徑頭與鋼管的相對位置，進而調(diào)整鋼管直度。擴徑頭與鋼管相對位置如圖8所示。

圖8 擴徑頭與鋼管相對位置示意

3 焊接有限元定性分析

3.1 ABAQUS軟件模擬鋼管焊接直度變化

焊接時相關(guān)材料的物理性能和力學(xué)性能參數(shù)與溫度呈高度相關(guān)性，不同溫度下材料性能參數(shù)均會變化，而且高溫下材料的性能參數(shù)難以準(zhǔn)確獲取。因此，進行焊接有限元模擬時，參照文獻[12-13］和實驗室測得的部分?jǐn)?shù)據(jù)，取一些模擬材料關(guān)鍵點的值，其余通過ABAQUS軟件對各個溫度下的材料參數(shù)進行外推或插值計算。

焊接有限元模型由ABAQUS軟件直接建模獲得，考慮到鋼管焊接的對稱性，取焊縫側(cè)1/2作為焊接模型建模。出于計算機配置水平和計算成本的考量，模擬分析模型長度取2.5 m。在設(shè)置材料參數(shù)時，材料的彈性模量、熱導(dǎo)率、屈服強度、熱膨脹系數(shù)等均按照理想模型進行設(shè)置，合理選取其屬性參數(shù)。在網(wǎng)格劃分時，選擇具有溫度-位移耦合特性的DC3D8單元（8節(jié)點線性傳熱六面體）類型，以有效解決三向線性問題和溫度的求解。為了提升計算的質(zhì)量，保證運算的精度，對鋼管焊縫及熱影響區(qū)的網(wǎng)格進行加密，臨近母材和母材部分網(wǎng)格種子呈遞進式分布，從而劃分出疏密不同的有限元網(wǎng)格[12-15］。有限元單元劃分模型如圖9所示。有限元模擬計算時，合理設(shè)置熱對流邊界和熱輻射邊界，焊縫中截面進行絕熱處理，以X軸法向面為對稱面，有限元模型兩端進行完全固定約束。環(huán)境溫度取25℃室溫。焊接熱能的喪失主要是通過熱輻射方式，溫度越高，其作用越明顯，影響最明顯的區(qū)域為焊縫和熱影響區(qū)。模擬計算時，設(shè)置絕對零度值和斯特潘-玻耳茲曼常量分別為-273.15℃和5.670 373×10-8W/（m2·K4）。

圖9 有限元單元劃分模型

3.2 直度有限元分析結(jié)果

直縫埋弧焊管直度有限元分析結(jié)果如圖10所示?？梢缘贸觯驕囟葓觯▓D10a）的受熱和冷卻過程，產(chǎn)生了殘余應(yīng)力場（圖10b），殘余應(yīng)力場主要包括縱向焊接應(yīng)力（圖10e）、橫向焊接應(yīng)力（圖10d）和沿厚度方向的焊接應(yīng)力（圖10c）。鋼管的橢圓度主要受到橫向焊接應(yīng)力的影響，通過焊縫殘余應(yīng)力云圖（圖10d）看出，其分布形態(tài)主要呈現(xiàn)垂直于焊縫長度方向。鋼管的直度偏差主要受到縱向焊接應(yīng)力的影響，通過圖10（e）～（f）可以看出，其分布形態(tài)主要呈現(xiàn)在沿焊縫長度方向，其最大變形量達到2.06 mm，因鋼管兩端處于無約束狀態(tài)，以模型焊縫長度方向中截面為基準(zhǔn)，鋼管向焊接面反方向（向內(nèi)）彎曲。

圖10 直縫埋弧焊管直度有限元分析結(jié)果

4 結(jié) 語

（1）在鋼板性能一定的前提下，擴徑率增加時，由于焊縫與母材長度收縮差的變大，因收縮差單一因素產(chǎn)生的縱向撓度也隨之增加，因此應(yīng)選取較小的擴徑率進行制管。

（2）通過成形預(yù)應(yīng)變、控制“噘嘴”和合理選擇擴徑應(yīng)變量及擴徑工藝可以獲得較理想的鋼管直度；

（3）采用ABAQUS有限元分析證明了成型“噘嘴”、橢圓度、直度等預(yù)控制措施的合理性。