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直缝埋弧焊管直度偏差探讨

摘要分析了直缝埋弧焊管直度偏差对钢管交货、钢管防腐和钢管生产检验进度的影响,探讨了钢管生产过程中直度偏差形成的原因,并提出防止直度偏差产生的建议,为直缝埋弧焊管生产过程中的尺寸精度控制提供理论依据。

输送管线作为石油和天然气一种经济、安全、不间断的长距离输送工具,在过去的几十年里得到了长足的发展,而且这种发展势头在未来的几十年中仍将持续下去[1]。随着世界石油天然气工业的不断发展,在对长输管线用钢管性能提出高要求的同时,对钢管的尺寸精度也提出了更高的要求。直缝埋弧焊管由于其单位长度焊缝短,焊缝及应力水平分布合理的特点,可获得高质量的油气输送用管,并主要用于环境恶劣的地震带、冻土带及地形高落差等对钢管要求较高的三、四类地区。

直缝埋弧焊管的不直度偏差是钢管生产制造过程中遇到的主要尺寸偏差,现行主要标准对直度偏差都提出了严格的要求,分析了直缝埋弧焊管直度偏差对钢管交货、钢管防腐和钢管生产检验进度的影响,探讨了钢管生产过程中直度偏差形成的原因,并提出防止直度偏差产生的建议,为直缝埋弧焊管生产过程中的尺寸精度控制提供理论依据。.

1钢管直度偏差的影响

1.1直度偏差对钢管交货的影响

管线钢管现行主要标准API 5L(44版)要求“钢管全长相对于直线的总偏离应≤0.2%的钢管长度[2],每个管端1 000mm长度上相对于直线的局部偏离应≤

4.0mm”,DNV-OS-F101(2005版)要求“钢管直度偏差不大于钢管全长的0.15%”

[3],而西气东输二线管道工程用直缝埋弧焊管技术条件要求“钢管直度偏差不大于钢管长度的0.2%L[4],局部直度应小于3.0mm/m”,因此,钢管直度偏差超标直接影响钢管的交货。

1.2 直度偏差对钢管防腐的影响

3PE防腐是一种综合性能好,高性价比的钢管防腐技术,西气东输管道工程用钢管采用3PE防腐技术。西气东输二线管道工程用直缝埋弧焊管技术条件规定钢管交货的最大长度为12.2m,按照直度偏差最大允许0.2%L的要求,钢管的最大直度偏差可达24.4mm。然而,当钢管的直度达24.4mm时,虽然仍符合标准的要求,但在钢管防腐作业过程中就容易引起防腐管的质量问题。

(1)3PE防腐层不均匀。钢管直度偏差过大,会导致PE膜片发生宽窄变化,严重时出现压不上边的问题,局部PE层数达不到规定、沿螺旋线分布厚度不足,而且,由于膜片受到周期性过度牵引,使得膜片的宽度及厚度发生周期性变化,可能导致钢管某

个相位区内防腐层厚度整体不足,而对角相位厚度整体加大。钢管直度偏差越大、涂装作业速度越快,该问题就越严重。

(2)3PE防腐管管段气泡。在钢管传送过程中,前后两根钢管的管口不能完全咬合,称为“错口”。错口的幅度超过压辊变形对气泡的排除能力,位置低的管端将产生气泡,管端气泡最容易出现并难以消除。错口问题除了和涂装作业线的平直度有关,钢管的直度偏差也是一个重要原因,钢管直度偏差越大,该问题就越突出[5]。对于由钢管直度偏差过大而引起3PE防腐层过薄或管端产生气泡问题,虽然可以通过集中直度偏差较大的钢管,进行低速涂装作业来解决,但也严重影响了钢管防腐作业的正常进行。根据经验,一般对于12m长的钢管直度偏差控制在15mm以内,就能大大降低其对钢管防腐作业的影响。

1.3 直度偏差对钢管生产检验进度的影响

目前,直缝埋弧焊管制管企业对钢管直度偏差的测量一般是在成品岗位,采用拉绳法检测,对于直度偏差超标钢管采用矫直机进行矫直,矫直机构造如图1所示。由于钢管在矫直后需要重新进行成品入库检验,二次收库影响了钢管正常的生产检验进度。

直缝埋弧焊管直度偏差探讨

2 钢管直度偏差的原因

直缝埋弧焊管在焊接过程中产生的焊接残余应力,包括沿焊缝长度方向的纵向焊接应力、垂直于焊缝长度方向的横向焊接应力和沿厚度方向的焊接应力。通常壁厚超过20mm时,沿厚度方向的残余应力才有相对较高的数值,而一般情况下管线用钢管不会有太大的壁厚,所以可以不予考虑。垂直于焊缝长度方向的横向焊接应力主要造成钢管圆度偏差,而沿焊缝长度方向的纵向焊接应力是引起直缝埋弧焊管产生直度偏差的主要应力。

钢管的焊接过程是一个不均匀的局部加热和冷却的过程。焊接过程中,焊缝周围产生不均匀的温度场,焊缝及其附近温度最高,而邻近区域温度则急剧下降。不均匀的温度场产生不均匀膨胀,焊缝附近金属由于温度高,膨胀较大,受到远离焊缝区域温度较低、膨胀量较小的的金属材料所限制,产生了热塑性压缩。焊缝冷却时,被塑性

压缩的焊缝区趋向于缩短,但受到两侧金属限制而产生纵向拉应力,通常,这种拉应力可超过钢板的屈服强度,从而引起材料产生塑性变形。焊接应力是一种无荷载作用下的内应力,因此会在焊件内部自相平衡,这就必然在距焊缝稍远区段内产生压应力[6,7]。

实际生产过程中,小管径薄壁钢管比大管径厚壁钢管产生的直度偏差更大。这是由于厚壁钢管大多采用多丝焊接,焊接过程中每根单丝的热输入比薄壁钢管采用单丝焊接时热输入低,所以一般大壁厚钢管直度偏差较小。同时,当钢管壁厚相同,焊接工艺相同时,由于焊接产生的管体内应力基本相同,而小管径钢管在受同样的应力时,会产生更大的变形量。

3 解决直缝钢管直度偏差的方法

3.1合理的焊缝设计

合理选择焊缝的尺寸和形式是解决直缝埋弧焊钢管直度偏差的有效方法,一般情况下应尽量采用较小的焊缝尺寸,焊缝尺寸过大,不但焊接量大,造成焊丝浪费,冷却时收缩引起的塑性变形量也大,相应地焊接应力也大。因此,在板厚相同时,坡口尺寸越大,收缩变形也越大。

3.2合理的工艺措施

(1)减少焊接热输入。通常情况下,热输入大时,加热的高温区范围大,冷却速度慢,使得焊接接头变形区增大。

(2)采用多丝焊。厚壁钢管大多采用多丝焊接,焊接时每层焊缝的热输入比一次完成的单层焊时的热输入小得多,加热范围窄,冷却快,产生的收缩变形小得多,而且前层焊缝焊成后都对下层焊缝形成约束,因此,多丝焊时的纵向收缩变形比单丝焊时小得多,而且焊接的层数越多,纵向变形越小。

4结束语

(1)直缝埋弧焊钢管的焊缝分布不对称,在成型焊接时会产生较大的直度偏差,甚至于超出规范要求而引起二次收库,而且,过大的直度偏差也严重影响了钢管的后续防腐作业,因此,从焊接源头对直缝埋弧焊管直度偏差,尤其是小管径薄壁直缝钢管直度偏差进行控制,对于提高钢管防腐质量和加快钢管检验进度有重大意义。

(2)实际生产过程中,采用现行管线管标准,如API 5L规定直度偏差对直缝埋弧焊钢管进行验收时,当钢管直度偏差接近标准上限时,即便未超标,仍会在防腐作业过程中引起防腐层的质量问题;同时,考虑到当最大直度偏差并不处于钢管中部,而是

靠近钢管一端时,则在相同的直度偏差下,其对钢管防腐质量的影响会更突出,建议标准适当提高对钢管直度偏差的要求。