直缝埋弧焊钢管的扩径

直缝埋弧焊钢管的扩径摘 要 对大直径直缝埋弧焊管生产中的扩径工序所采用的两种扩径方法机械扩 径和水压扩径的原理、设备组成及特性进行了详细的对比和分析，并讲述了机械扩径头 的改进和发展，指出机械扩径在目前仍是一种比较可靠有效的扩径手段。1前言随着我国东西、南北油气大干线、海底管线、矿浆管线建设高潮的到来建设大直径 直缝埋弧焊管厂已是当务之急。直缝埋弧焊管的生产方法一些文章中已做了许多介绍, 如:RBE、JCOE、U OE等，本文就不再赘述。但不管采用哪一种生产方法，扩径是直缝埋 弧焊管生产中重要的工序之一，也就是通常用英文字母表示各种生产方法缩写中的E，即 Expanding。2扩径工序的目的(1) 矫正由焊接热效应造成的钢管变形，使钢管几何尺寸,如管径、椭圆度、直度等达到 所要求的精度，见表1。表1钢管几何尺寸精度要求API S pec 5 L(；H/1 9711. 1 1997D017172钢管外役 公差(nun)管体+ 6. 35-3. 2+ 6. 353 25.0管端+ 2. 38-0.79+ %抽AL 791.6管端椭圆度(%)1.0 1. 0土 U)直度(mm)0. 2% L1%L0. 2%L:四壮裸亩就明金浮demic Journal Elec钢管管径精度和几何尺寸是焊管生产过程中质量控制的重要指标之一，不管是管线用 钢管，还是桩用和结构用钢管都是由多根焊管对焊而成的，因此，对其管径公差、椭圆 度、直度都有严格的技术要求和标准。(2)消除在制管过程中由成型压缩加工所产生的所谓包申格效应”(Baushinger Effect) ，根据钢种不同，增加钢管强度0 15%。(3)消除焊接过程中造成的焊缝部位的残余应力，避免石油或天然气中的氢在焊缝应力集 中的区域产生氢脆而导致裂纹。图1所示为扩径前后钢管应力分布的比较。扩径率一般采用钢管直径的0.5% 1.5%。扩径后,钢管壁厚可能减薄约0.8%,钢管 长度减短约0.5%。在选择钢管最佳扩径率时，应考虑焊缝的影响，分析扩径率与焊缝和 钢管母材上的残余应力之间的相互关系，确定最佳扩径率，否则，就会使钢管出现椭圆 度。3机械扩径和水压扩径的特点钢管扩径方式分为水压扩径和机械扩径两种，早期(即1951年 1962年)建的UOE 焊管机组配备的大部分是水压扩径机。1957年美国A.O.Smith公司首先开发了机械扩 径机，并取得专利，并在该公司Wilwaukee厂投入使用,从此以后建的UOE焊管机组几乎 全部采用机械扩径机。机械扩径与水压扩径比较有如下优点：(1) 生产大直径钢管时效率高。由于水压扩径时需要先充低压水然后再增压，达到钢管 屈服时再增压。随着生产的管径逐渐增大效率就大幅度降低，例如，以钢管长度12m计， 对609.6mm(24in)钢管进行水压扩径时，每小时36根，而机械扩径时,每小时28根。对 1067mm(42in)钢管，采用水压扩径时,每小时18根,而机械扩径时每小时23根。也就是 说机械扩径,其效率与管径大小关系不大，所以相对而言增大管径,效率也就高。(2) 容易满足对钢管内径尺寸的严格要求。当敷设长输管道时，钢管在野外工地安装焊接, 以内径为基准，两根钢管管端对接后的内径错边量越小，输送阻力也就越小，所以对钢管 内径尺寸精度的要求也日益严格，而水压扩径恰恰是用外模套控制钢管外径不能保证内 径尺寸精度。机械扩径是用插入钢管内的扩径头进行扩径因此，完全可以控制钢管内径 尺寸精度，而与壁厚变化无关。(3) 椭圆度好。水压扩径时，因外焊缝与外模套接触，使其附近的管壁凹陷,破坏了钢管的 椭圆度。机械扩径时，只要把焊缝对准扩径头上扇形块的沟槽，扩径时焊缝部位不受约束 从而形成光滑面，这样就有效地减少了由焊接部位引起的破坏，如图2所示。机械犷径时水律扩筷时图2焊缝部位扩径效果比较(4) 管端形状和尺寸精度高。水压扩径图2焊缝部位扩径效果比较时，钢管两端需要压 入锥形压头，靠镶在压头上的密封涨圈进行径向密封，这样，钢管管端与压头接触部分扩 径效果与钢管管体部分不一致。而机械扩径则无此现象管端形状和尺寸好，对野外现场 安装和对焊均有利。另外，水压扩径最大的优点是既可扩径，同时又可进行水压试验，因此，可以减少生产场 地和操作人员。4水压扩径和机械扩径的工作原理及设备组成扩径方式分为水压扩径和机械扩径,其设备也分为水压扩径机和机械扩径机。4.1水压扩径机如图3所示，主要由底座,八对开启式模套，锁紧装置,两个锥形压头（一端固定的,另一 端是移动的）和水压系统组成。图3水压扩径机1一锁紧装置Z一压邱3一密封旅圈4 一半模套5钢管。一推形压买7第膨压头座S-JkJj 9一拉杆10一底座II一铉链航1N一牛向轨道水压扩径的原理是往两端密封的钢管充图3水压扩径机1一锁紧装置2一压环 3一密封涨圈4一半模套5一钢管6一锥形压头7一锥形压头座8一压力头9- 拉杆10一底座11铰链轴12一导向轨道高压水，造成超过屈服极限一定的压力 （按1.5倍的应力极限值、S的最小值和t的理论值确定）：P=1.5x2St/D 式中S-最小弹性极限；t-理论壁厚；D-管径。该压力可以使钢管永久变形，钢管外面必须有按尺寸要求的模套来控制变形。水压扩径工艺流程如下:扩径的钢管沿着导向轨道送入水压扩径机中，钢管5中心线 对准扩径机中心线,两端锥形压头6推向钢管两端密封钢管5,然后,八对半模套4借藉助 液压拉杆9合拢，并用锁紧位置1将两个半模套锁紧,同时向管内充低压水和排气，然后 增压，并降低外模套与钢管外径空隙间压力，继续向管内增压致使管体永久变形，紧贴外 模套的内壁，当管体扩径变形时，钢管长度要缩短，这时钢管一端的锥形压头相应地向前 推进，保持密封。水压扩径后，卸掉锁紧装置，启开八对两个半模套，再进行静水压试验，试 验压力由下列公式计算：P=2St/D 式中P一静水压试验压力,MPa;S静水压试验许用应力,MPa;t钢管壁厚,mm; D钢管外径,mm。静水压试验许用应力最低为屈服强度的90%,保压时间不少于15s。静水压试验之后, 卸压放水，完成扩径和静水压试验工序。为了提高水压扩径钢管的质量，使管端几何尺寸的精度要求达到标准要求许多厂家 对水压扩径机进行改造和完善。国外一些UOE机组仍有部分老机组采用这种扩径方 法。如:敷设陕京天然气管线，由美国购进的UOE直缝埋弧焊管大部分都是采用水压扩 径生产的。4.2机械扩径机60年代以后建的U OE直缝埋弧焊管机组基本上都配备机械扩径机。机械扩径机与水压扩径机的最大区别是设备重量和外形尺寸大大减小，结构简单，扩 径质量高，保证钢管直径达最高精度。机械扩径机（图4）由机座、支撑杆、动力油缸、与油缸活塞连接的长拉杆、在拉杆 的尾端固定的扩径头、扩径头支架、支承辊、升降辊道、旋转钢管对准焊缝装置的台 车以及液压系统和电控装置组成。机械扩径工艺流程如下:在UOE直缝埋弧焊管厂扩径生产线设置两台扩径机彼此对 称而错开布置（图5）,但也有设置一台扩径机的如韩国浦项某钢管厂在RBE机组线上就 设有一台扩径机和一个转盘，先扩钢管长度的一半多，然后用转盘将钢管旋转180,再扩 钢管长度的另一半。扩径的钢管在扩径前需用高压水将管内的焊渣、氧化铁皮等杂物冲洗干净，由送管装 置将钢管送到第一台扩径机前的旋转装置上，旋转钢管使焊缝转到中心线的上方，并对准 扩径头有槽沟的扇形块,然后用升降辊道将钢管升至其中心线与扩径机中心线相一致。 钢管不扩径的一端用液压驱动的台车上的夹钳夹住钢管，并将钢管插入扩径头，可将钢管 第一段进行扩径，每扩一段（最长约700mm）扩径头的动力油缸返回原始位置然后，台车 再将钢管向前送一段，逐段重复进行直到扩至稍过于钢管全长一半时为上然后台车载着 钢管快速从扩径头全部退出，返回原始位置，升降辊道下降将钢管再放在旋转装置上，并 将其送到第二台扩径机前,准备进行另一半钢管的扩径。同时另一根钢管也送到第一台 扩径机前，这样，总是同时有两根钢管进行扩径。扩径时，由扩径头内部向钢管内表面与 扇形块之间喷水溶性润滑油进行润滑。扩径机一般配备四种规格扩径头:外径24 30in;32 38in;40 46in和48 56in各 有一种，但扇形块是可以更换的,每一种外径及壁厚的钢管都要配上与此相适应尺寸的扇 形块，因此，有的规格钢管既要更换扩径头，又要更换扇形块。需扩径的钢管规格改变后，要求钢管下表面的位置不变，钢管中心线始终与扩径中心 线相一致，因此扩径机设计为中心线上下水平可以调整及上下摆动一个倾角。为满足已 扩径部分钢管外径的变化，扩径作业线上托住钢管，并且承受扩径头和钢管自身重量的辊 道是可以升降的。在扩径过程中对钢管尺寸精度有影响的有外接触变形区、工具定径、焊缝、变形制 度、工具（即扩径头）与钢管的同心度等诸因素。在外接触变形区扩径段界上的动线能 产生环形皱波，为了避免产生环形皱波，将棱锥体的工作面形状在纵向截面上按计算的尺 寸做成许多段。分析和确定外接触变形区对钢管扩径力影响的关系。在机械扩径时，焊接后冷却过程的焊缝变形形成的直缝焊管纵向弯曲,这种缺陷难以 消除，但可以在扩径过程中采用其它方法来消除和控制钢管纵向弯曲，如:采用在水平面 上钳住钢管尾部的移动挡块，在挡块和钢管一起运动范围内，夹钳松开钢管尾端。这种装 置消除直缝焊管的纵向弯曲是最合理的。在钢管扩径方法的发展过程中，尤其是机械扩径机结构的改进是很重要的。最初美国Torrance公司设计的扩径头结构是T形导向板固定在扇形基面上，装在相应 的多面体上的T形槽内。滑动面两侧直接装在两个扇形板的夹缝里因此，扩径时脱落的 氧化铁皮严重玷污滑动面,致使扩径头部件磨损严重。德国Mannesman曼乃斯曼）公司对扩径头的结构进行了很大改进，克服了上述滑动 面受玷污的缺点，设计的扩径头，滑动面润滑可靠，并能承受很大的表面压力，并防止其玷 污。这种结构的扩径头是将T形导板与多面棱锥基体为一体（图6）,相邻导向相对侧面相 互平行，扇形块5的正方形滑道两侧各有一个向外伸的导向，装在相应T形导板的导向槽 中，如图7（a）。由于有侧导向滑动面与扇形板间的头缝形成迷宫式密封。因此可以消除 滑动面受玷污。此外扇形板的侧导向可以防止扇形板空程倾翻。骡丘巴多面槌垂遂依$驻住d.曼乃斯曼公司又提出几种扩径头结构的方案,如图7(b)所示由多面棱锥基体1和其 上的可在多面基体轴向方向相对移动的扇形板5组成的。扇形板5在T形导向压板3 上滑动,T形导向压板3固定在多面基体1的棱角上。滑动面两侧在T形导向压板3里, 因此有利于防止脱落的氧化铁皮玷污。这种结构的缺点是需要定期检查固定T形导向 压板3的紧固螺栓是否松动。图7(c)所示将固定T形导向压板3的紧固螺栓去掉，改为 用T形槽和侧挡板6固定。这种结构虽然保证了工作滑动面防止玷污的可靠性,但扇形 块在多面基体1的支承面面积减小,单位压力增大，致使磨损加快。E)(b)图7 ，曼，斯曼公司.机械扩径头结构为了加工方便和提高扇形块的寿命将扇形块做成两部分(图8)。上部可用耐磨材 料,用螺栓固定在下部。图&上下两部组成的崩形块I一扇形玦1：都 芝一尚迫幕栓3崩形块I：部4 一孜叩棱谁墓体5T形导向压板为了保护扩径头的滑动面,将扩径头外面用弹性环形罩包起来。在机械扩径时，非 常重要的是保证扩径头与钢管同心度，否则扩出的钢管是纵向弯曲，个别情况下,造成扩 径设备的承载零部件损坏。解决扩径头与钢管同心度的措施有许多方案如:将扩径机装 备可调整支座，每个支座做成成对支承,其中一个支承与安装扩径机的底座相连接，另一 个与扩径机相连接。扩径机结构上的另一个难点是扩径头与动力油缸连接的特长连杆。为了减少连杆的 长度采用两台扩径机，错开布置或者用一台扩径机，再设一台回转台的办法来解决。5结语机械扩径机已在生产大直径直缝埋弧焊管生产中得到广泛地应用。同时这种方法也 有它的不足之处，必需另设钢管水压试验机，增加了厂房面积和操作人员，同时扩径头制 造和调整也较复杂。但不管怎么说机械扩径机是钢管扩径最主要的，也是最可靠有效的 扩径设备。