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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高頻生產線預焊合縫裝置擠壓保持距離的設計

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，以保證鋼管預焊接后有足夠強度克服彈復力作用。介紹了高頻生產線預焊接后鋼管保持擠壓狀態(tài)運行距離的設計方法。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力作用，又不會因為擠壓距離過長而造成擠壓力過大，出現錯邊時擠壓輥無法壓下的問題。

關鍵詞：中直徑；直縫埋弧焊管；高頻生產線；氣體保護預焊；預焊合縫裝置；殘余應力；擠壓保持距離；

彈復力

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

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線的預焊方案有高頻預焊和氣體保護預焊兩種。目前，高頻預焊工藝尚不成熟，很難既保證預焊質量又保證鈍邊尺寸，給后序工藝帶來困難，產品合格率不高。氣體保護預焊就相對成熟，而高頻成型和氣體保護預焊結合的工藝尚屬首次，很多問題有待研究［1］。比如，高頻成型速度快，高頻成型的殘余應力比大直縫成型的殘余應力大等［2］。

氣體保護預焊接屬于熔化焊，焊縫由熔融狀態(tài)冷卻凝固至有足夠強度克服鋼管彈復力需要一定時間，即預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，在生產高強度、大徑壁比的鋼管時對錯邊的調整就很困難，甚至出現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Φ610 mm× 17.5 mm以上、材質X70以上直縫埋弧焊管時，就出現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，則會引起焊縫質量不穩(wěn)定，甚至因無法克服彈復力而“爆管”。這里把預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，合理地設計擠壓保持距離尤為重要。

1　預焊合縫裝置擠壓保持距離的設計

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力而呈V角張開。在預焊接的情況下，當焊縫從擠壓終點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力，鋼管也不會彈開。所以，焊縫從焊接點開始，要經過擠壓保持段、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力。高頻焊接屬于壓力焊，經過擠壓輥擠壓之后，兩結合面的原子已充分結合，進而具備足夠的抗拉強度以克服彈復力；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力。所以氣體保護預焊必須設計足夠長的保持段［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。經高頻生產線成型后，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線上最小伸長率的X60鋼級管線鋼的常溫伸長率δ取18%，預焊縫寬度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，均存在殘余應力，表現為彈復量，即鋼管離開擠壓輥后若不經過焊接，鋼管會彈開一定的開口量C，彈復量如圖2所示。

圖2　彈復量示意

鋼管的殘余應力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力值是不一樣的，由中性層向內、外層兩邊呈線性增大，在鋼管內、外表面應力值達到最大。在鋼管內表面，y=-T/2，故（負號表示殘余應力為壓應力）；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——克服彈復力所需的焊縫應力，Pa；

F焊縫——焊縫應力產生的拉力，N；

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

結合公式（2）～（4）可得：

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

根據對多種規(guī)格和材質的鋼管進行試驗測量并參考文獻［13］，發(fā)現：經高頻生產線成型后，在不破壞鈍邊的成型擠壓條件下，鋼管合縫后殘余應力不超過母材屈服應力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。由于高溫下鋼的應力-應變曲線沒有明顯的屈服極限和屈服平臺，其高溫強度系數尚無定論，本文根據英國規(guī)范（BS 5950-8∶2003）給出的鋼的高溫強度系數表，按變形量2%選定［14］，焊縫高溫力學性能如圖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，當溫度降到900℃時，足以克服彈復力，安全系數K=2.06。

圖4　焊縫高溫力學性能

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；

P——焊接線能量，J/cm；

λ——熱導率，W/（cm·℃）；

Cρ——體積熱容，J/（cm3·℃）；

t0——焊件初始溫度即室溫，℃。

當焊縫深度（板厚即焊縫深度）為4 mm時，相應焊接線能量P=2 832 J/cm。當鋼的熱導率λ=0.5 W/（cm·℃），體積熱熔Cρ=5 J/（cm3·℃）時，修正系數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鋼管走過的距離與自保持段長度之差。當預焊速度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力，安全系數K=2.06。

2　結　語

預焊合縫裝置的很多參數計算、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，基礎部分如地腳螺栓等的設計，都取決于擠壓保持距離。擠壓保持距離的合理設計，既可以保證預焊縫質量穩(wěn)定，又能盡量減小擠壓力，便于調整錯邊。

3　參考文獻

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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