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螺旋管焊縫"撅嘴"的原因分析

時間:2021-10-16 15:22:29 作者:zhishun

螺旋管生產中成型縫"撅嘴"是普遍存在的一種成型缺陷,在采用小成型角生產時表現尤其突出。分析了成型縫"撅嘴"的危害及其產生原因,提出了可行的控制措施,對緩解成型縫"撅嘴",改善螺旋管成型縫質量具有一定的借鑒及指導意義。 

1成型縫撅嘴的危害

1.1管線施工時組對困難

管線施工規范要求對口處螺旋焊縫必須錯開一定距離,"撅嘴"處不規則的圓弧段與另一鋼管較理想的圓弧段對縫,會產生環焊縫對縫錯邊,錯邊量的大小與圖1所示"撅嘴"量基本相等。

1.2管端內焊縫打磨明顯傷及母材

現行產品標準大都要求對鋼管管端至少150mm范圍內的內外焊縫進行打磨,磨后余高為0-0.5mm。如果成型縫"撅嘴"較嚴重,在進行內焊縫打磨時,為保證磨后余高滿足標準要求,將會明顯傷及焊縫兩側的鋼管母材,導致鋼管剩余壁厚減薄甚至超出標準要求。

1.3加劇成型縫的內緊外松

成型縫"撅嘴"會進一步加劇內緊外松,導致成型縫變化大、成型質量不穩定,出現焊縫燒穿、夾雜、未焊透等焊接缺陷,焊接規范的調整難以適應成型縫的頻繁變化。

1.4成型縫附近應力集中

"撅嘴"處曲率不規整,產生尺寸突變缺陷,使"撅嘴"處應力(屬于一次應力性質)集中系數增高,導致"撅嘴"處應力集中,影響管線服役壽命,降低了管線運行的安全性和可靠性。

1.5影響焊縫外觀質量

"撅嘴"嚴重的成型縫焊接時,內焊易出現裂紋、焊縫邊緣不規整等缺陷[巧,外焊易出現焊縫偏流、焊縫余高過高等缺陷,對內外防腐也會產生影響。

QQ截圖20211016151147.jpg

2成型縫"撅嘴"缺陷

成型縫"撅嘴"(也稱之為"竹節"或"梨形")現象在螺旋管生產中普遍存在,表現為成型縫兩側向外翹起,如圖l所示。"撅嘴"對鋼管質量影響較大,但GB9711和APISPEC5L中都沒有此項質量指標的要求。隨著管線建設工程對鋼管質量要求的不斷提高,成型縫"撅嘴"量也逐步成為一個重要的質量指標。從西氣東輸管線工程開始,在螺旋管供貨補充技術條件中對"撅嘴"做了明確的量化規定:焊縫兩側各50mm弧長范圍內局部區域與鋼管理想圓弧的最大徑向偏差不得大于1.5mm[l]。因此,有效控制成型縫"撅嘴"顯得越來越重要。

3成型縫"撅嘴"原因分析

3.1成型時帶銅兩邊和中間部分變形量不一致 

帶鋼進入三輯彎板機螺旋成型時,帶鋼兩邊和中部的變形不一致。由于內焊頭裝置要占據一定的空間,懸臂輯(2#輻)布置不能覆蓋整個螺距,導致遞送邊緣100-150mm范圍內的帶鋼彎曲變形不充分。另外,內外輻各小輯之間有間距,很難調整至剛好壓住帶鋼邊緣。因此,帶鋼兩邊的變形沒有中間部分的變形充分,合縫時導致

"撅嘴"。

3.2合縫時帶鋼兩邊變形不一致

合縫處帶鋼兩邊變形不一致會導致兩邊"翹嘴"量不同。成型縫咬合處的自由邊已經過三輻彎曲和外控輯輔助成型變形,變形較充分,遞送邊則剛進入三輻彎板機,變形不充分,因此,成型縫咬合時遞送邊的"撅嘴"量比自由邊大。

3.3成型角越小越容易產生"撅嘴"

帶鋼在彎曲變形過程中,三轆彎板機的每排輯平行于鋼管中心線,沿垂直于成型縫方向剖開,鋼管的剖切面是一個橢圓,如圖2所示。

QQ截圖20211016151747.jpg

4成型縫"撅嘴"的控制措施

4.1改進帶鋼邊緣預彎裝直

成型之前對帶鋼邊緣進行預彎是防止成型縫"撅嘴"的有效措施,改進預彎裝置設計對改善預彎效果尤為重要。

在工作狀態下,上下預彎轆轆面在垂直方向的間隙量

/1h=l+δm皿+/1l+(0.5-1.0),式中:l帶鋼公稱厚度;

8max一帶鋼厚度極限上偏差;

/1t一帶鋼頭尾對接縫的最大錯邊量。

該結構同樣要根據不同成型角和鋼管規格設計相應的預彎輯。要保證該裝置正常工作,對帶鋼頭尾對接提出了更高要求:一是對接縫錯邊量必須嚴格控制,二是對帶鋼兩邊參與預彎寬度范圍內的對接焊縫余高進行磨平處理,磨后余高控制在0-0.5mm內。

(3)采用三輯預彎裝直

蘭車昆預彎裝置基本結構如圖5所示。裝置主要由箱體、上預彎輯壓下機構(蝸輪蝸桿減速器)、上下預彎輯、3#預彎輯及進退機構等部件組成。裝置可在其底座上沿帶鋼寬度方向整體進退,以調節帶鋼預彎寬度和彎曲點位置。2#預彎輯的升降采用電動蝸輪蝸桿機構自動調整,3#預彎輯在帶鋼寬度方向上的進退采用手動絲桿傳動機構調整,通過調整γ預彎輯的壓下量和Y預彎輻的進退量來滿足不同鋼管規格和成型角對帶鋼邊緣的預彎要求。

采用該預彎裝置也存在一定的局限性。由于裝置本身在帶鋼寬度方向占據的空間較大,在采用窄板(帶鋼工作寬度運導板寬度+5∞mm)生產時卷邊預彎效果較差。另一方面,受裝置本身橫向尺寸的制約,帶鋼上下限位導板距離帶鋼邊緣相對較遠,給帶鋼遞送線的控制帶來了一定的難度,在薄板低鋼級鋼管生產時遞送線控制難度更大。

4.2優化調整邊緣預彎工藝參數

無論采用上述哪種結構的裝置對帶鋼邊緣進行預彎,對預彎工藝參數進行合理調整和不斷優

化都很重要。根據不同的成型角、鋼管管徑、鋼級、壁厚和成型縫"撅嘴"程度對預彎裝置整體進退量、上預彎輻壓下量、帶鋼邊緣彎曲寬度、彎曲點位置等主要工藝參數進行調整,并不斷總結優化,滿足標準對成型縫"撅嘴"量指標的要求。

由前面原因分析已知,成型縫遞送邊"撅嘴"比自由邊嚴重,因此,如果工藝位置允許,可在遞送邊設置兩套預彎裝置,分別選擇帶鋼邊緣不同的點進行彎曲,保證預彎充分。

4.3選擇合適的成型角

APISPEC5L標準規定:螺旋管生產的寬(工作板寬)徑(鋼管外徑)比為0.8_3.0[4],也就是說成型角范圍為15°-75°。從經濟性考慮,成型角越小越好,可提高生產效率,降低各種材料消耗。從可行性考慮,采用小成型角時,成型縫"撅嘴"加劇,成型焊接的穩定性降低;采用大成型角生產時,可有效緩解成型縫"撅嘴",但生產效率相對較低,材料消耗高。同時,考慮鋼廠可提供熱軋帶鋼寬度范圍等因素,生產大直徑鋼管時應選擇相對偏大的成型角,生產小直徑螺旋焊管時應選擇相對偏小的成型角。因此,從生產經濟性、可行性和成型縫"撅嘴"等多方面綜合考慮,在45。-65。范圍內優選成型角較為適宜。

4.4提高圓盤剪的剪切質量

對于采用圓盤剪工藝來保證帶鋼工作寬度的螺旋管機組,剪切后帶鋼邊緣的平整度和彎曲方向對成型縫"撅嘴"也有一定的影響O

以前多數螺旋管生產線圓盤剪刃的安裝布置方式如圖6所示,上剪刃在外,下剪刃在內。在剪切過程中,上剪刃向下的剪切力導致帶鋼邊緣向下產生彈塑性彎曲變形,在剪切外力去除后,彈性變形部分恢復,但塑性變形部分導致帶鋼邊緣向下彎曲,其彎曲方向正好與邊緣預彎的方向相反,與成型縫固有的"撅嘴"相疊加,加刷了成型縫"撅嘴"。另一方面,剪切導致的反向彎曲往往產生在帶鋼邊緣15-20mm內,要依靠邊緣預彎裝置進行反向彎曲幾乎不可能。

4.5配套措施

帶鋼邊緣預彎裝置安裝在遞送機和成型人口帶鋼控制立輯之間,帶鋼邊緣經預彎處理后要通過一對控制立輯再進入成型器,因此該控制立輯的輻型設計必須滿足預彎后帶鋼端面的控制要求,否則將會導致帶鋼遞送線控制難度加大和帶鋼邊緣擠厚等問題出現。如罔8所示,帶鋼邊緣經預彎后其端面與垂直面存在夾角β,人口控制立轆轆型設計時輯面也應為β角錐面輯,以有效控制帶鋼遞送線。

5結語

成型縫"撅嘴"是由于帶鋼邊緣變形不充分造成的,"撅嘴"量與邊緣變形量差異大小直接相關,還與成型角、管徑、鋼級和壁厚等因素有關,在采用小成型角生產中小直徑鋼管時表現突出。較嚴重的成型縫"撅嘴"對產品質量造成較大影響,其危害性很大。

工藝設計時優選成型角、優化調整帶鋼邊緣預彎工藝參數、改進預彎裝置輯型和結構設計、提高帶鋼邊緣剪切質量等是緩解成型縫"撅嘴"的可行措施,能有效控制成型縫"撅嘴"量指標,使其滿足產品標準要求,提高成型焊接質量。

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