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螺旋管焊縫"撅嘴"的原因分析
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(xiàn)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(guī)范要求對口處螺旋焊縫必須錯開一定距離,"撅嘴"處不規(guī)則的圓弧段與另一鋼管較理想的圓弧段對縫,會產生環(huán)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(xiàn)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(wěn)定,出現(xiàn)焊縫燒穿、夾雜、未焊透等焊接缺陷,焊接規(guī)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(guī)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(shù)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(xiàn)裂紋、焊縫邊緣不規(guī)整等缺陷[巧,外焊易出現(xiàn)焊縫偏流、焊縫余高過高等缺陷,對內外防腐也會產生影響。
2成型縫"撅嘴"缺陷
成型縫"撅嘴"(也稱之為"竹節(jié)"或"梨形")現(xiàn)象在螺旋管生產中普遍存在,表現(xiàn)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(guī)定:焊縫兩側各50mm弧長范圍內局部區(qū)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(jù)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。
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(tài)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(jù)不同成型角和鋼管規(guī)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(jié)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(guī)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(jù)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(yōu)化調整邊緣預彎工藝參數(shù)
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(shù)進行合理調整和不斷優(yōu)
化都很重要。根據(jù)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(shù)進行調整,并不斷總結優(yōu)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(guī)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(wěn)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(yōu)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(shù)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(xiàn)。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(xiàn)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(yōu)選成型角、優(yōu)化調整帶鋼邊緣預彎工藝參數(shù)、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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