螺旋管焊缝"撅嘴"的原因分析

螺旋管生产中成型缝"撅嘴"是普遍存在的一种成型缺陷，在采用小成型角生产时表现尤其突出。分析了成型缝"撅嘴"的危害及其产生原因，提出了可行的控制措施，对缓解成型缝"撅嘴"，改善螺旋管成型缝质量具有一定的借鉴及指导意义。 

1成型缝撅嘴的危害

1.1管线施工时组对困难

管线施工规范要求对口处螺旋焊缝必须错开一定距离，"撅嘴"处不规则的圆弧段与另一钢管较理想的圆弧段对缝，会产生环焊缝对缝错边，错边量的大小与图1所示"撅嘴"量基本相等。

1.2管端内焊缝打磨明显伤及母材

现行产品标准大都要求对钢管管端至少150mm范围内的内外焊缝进行打磨，磨后余高为0-0.5mm。如果成型缝"撅嘴"较严重，在进行内焊缝打磨时,为保证磨后余高满足标准要求，将会明显伤及焊缝两侧的钢管母材，导致钢管剩余壁厚减薄甚至超出标准要求。

1.3加剧成型缝的内紧外松

成型缝"撅嘴"会进一步加剧内紧外松，导致成型缝变化大、成型质量不稳定，出现焊缝烧穿、夹杂、未焊透等焊接缺陷，焊接规范的调整难以适应成型缝的频繁变化。

1.4成型缝附近应力集中

"撅嘴"处曲率不规整，产生尺寸突变缺陷，使"撅嘴"处应力(属于一次应力性质)集中系数增高，导致"撅嘴"处应力集中，影响管线服役寿命，降低了管线运行的安全性和可靠性。

1.5影响焊缝外观质量

"撅嘴"严重的成型缝焊接时，内焊易出现裂纹、焊缝边缘不规整等缺陷[巧，外焊易出现焊缝偏流、焊缝余高过高等缺陷，对内外防腐也会产生影响。

2成型缝"撅嘴"缺陷

成型缝"撅嘴"(也称之为"竹节"或"梨形")现象在螺旋管生产中普遍存在，表现为成型缝两侧向外翘起，如图l所示。"撅嘴"对钢管质量影响较大，但GB9711和APISPEC5L中都没有此项质量指标的要求。随着管线建设工程对钢管质量要求的不断提高，成型缝"撅嘴"量也逐步成为一个重要的质量指标。从西气东输管线工程开始，在螺旋管供货补充技术条件中对"撅嘴"做了明确的量化规定:焊缝两侧各50mm弧长范围内局部区域与钢管理想圆弧的最大径向偏差不得大于1.5mm[l]。因此，有效控制成型缝"撅嘴"显得越来越重要。

3成型缝"撅嘴"原因分析

3.1成型时带铜两边和中间部分变形量不一致 

带钢进入三辑弯板机螺旋成型时，带钢两边和中部的变形不一致。由于内焊头装置要占据一定的空间，悬臂辑(2#辐)布置不能覆盖整个螺距，导致递送边缘100-150mm范围内的带钢弯曲变形不充分。另外，内外辐各小辑之间有间距，很难调整至刚好压住带钢边缘。因此，带钢两边的变形没有中间部分的变形充分，合缝时导致

"撅嘴"。

3.2合缝时带钢两边变形不一致

合缝处带钢两边变形不一致会导致两边"翘嘴"量不同。成型缝咬合处的自由边已经过三辐弯曲和外控辑辅助成型变形，变形较充分，递送边则刚进入三辐弯板机，变形不充分，因此，成型缝咬合时递送边的"撅嘴"量比自由边大。

3.3成型角越小越容易产生"撅嘴"

带钢在弯曲变形过程中，三辘弯板机的每排辑平行于钢管中心线，沿垂直于成型缝方向剖开，钢管的剖切面是一个椭圆，如图2所示。

4成型缝"撅嘴"的控制措施

4.1改进带钢边缘预弯装直

成型之前对带钢边缘进行预弯是防止成型缝"撅嘴"的有效措施，改进预弯装置设计对改善预弯效果尤为重要。

在工作状态下，上下预弯辘辘面在垂直方向的间隙量

/1h=l+δm皿+/1l+(0.5-1.0)，式中:l带钢公称厚度;

8max一带钢厚度极限上偏差;

/1t一带钢头尾对接缝的最大错边量。

该结构同样要根据不同成型角和钢管规格设计相应的预弯辑。要保证该装置正常工作，对带钢头尾对接提出了更高要求:一是对接缝错边量必须严格控制，二是对带钢两边参与预弯宽度范围内的对接焊缝余高进行磨平处理，磨后余高控制在0-0.5mm内。

(3)采用三辑预弯装直

兰车昆预弯装置基本结构如图5所示。装置主要由箱体、上预弯辑压下机构(蜗轮蜗杆减速器)、上下预弯辑、3#预弯辑及进退机构等部件组成。装置可在其底座上沿带钢宽度方向整体进退，以调节带钢预弯宽度和弯曲点位置。2#预弯辑的升降采用电动蜗轮蜗杆机构自动调整，3#预弯辑在带钢宽度方向上的进退采用手动丝杆传动机构调整，通过调整γ预弯辑的压下量和Y预弯辐的进退量来满足不同钢管规格和成型角对带钢边缘的预弯要求。

采用该预弯装置也存在一定的局限性。由于装置本身在带钢宽度方向占据的空间较大，在采用窄板(带钢工作宽度运导板宽度+5∞mm)生产时卷边预弯效果较差。另一方面，受装置本身横向尺寸的制约，带钢上下限位导板距离带钢边缘相对较远，给带钢递送线的控制带来了一定的难度，在薄板低钢级钢管生产时递送线控制难度更大。

4.2优化调整边缘预弯工艺参数

无论采用上述哪种结构的装置对带钢边缘进行预弯，对预弯工艺参数进行合理调整和不断优

化都很重要。根据不同的成型角、钢管管径、钢级、壁厚和成型缝"撅嘴"程度对预弯装置整体进退量、上预弯辐压下量、带钢边缘弯曲宽度、弯曲点位置等主要工艺参数进行调整，并不断总结优化，满足标准对成型缝"撅嘴"量指标的要求。

由前面原因分析已知，成型缝递送边"撅嘴"比自由边严重，因此，如果工艺位置允许，可在递送边设置两套预弯装置，分别选择带钢边缘不同的点进行弯曲，保证预弯充分。

4.3选择合适的成型角

APISPEC5L标准规定:螺旋管生产的宽(工作板宽)径(钢管外径)比为0.8_3.0[4]，也就是说成型角范围为15°-75°。从经济性考虑，成型角越小越好，可提高生产效率，降低各种材料消耗。从可行性考虑，采用小成型角时，成型缝"撅嘴"加剧，成型焊接的稳定性降低;采用大成型角生产时，可有效缓解成型缝"撅嘴"，但生产效率相对较低，材料消耗高。同时，考虑钢厂可提供热轧带钢宽度范围等因素，生产大直径钢管时应选择相对偏大的成型角，生产小直径螺旋焊管时应选择相对偏小的成型角。因此，从生产经济性、可行性和成型缝"撅嘴"等多方面综合考虑，在45。-65。范围内优选成型角较为适宜。

4.4提高圆盘剪的剪切质量

对于采用圆盘剪工艺来保证带钢工作宽度的螺旋管机组，剪切后带钢边缘的平整度和弯曲方向对成型缝"撅嘴"也有一定的影响O

以前多数螺旋管生产线圆盘剪刃的安装布置方式如图6所示，上剪刃在外，下剪刃在内。在剪切过程中，上剪刃向下的剪切力导致带钢边缘向下产生弹塑性弯曲变形，在剪切外力去除后，弹性变形部分恢复，但塑性变形部分导致带钢边缘向下弯曲，其弯曲方向正好与边缘预弯的方向相反，与成型缝固有的"撅嘴"相叠加，加刷了成型缝"撅嘴"。另一方面，剪切导致的反向弯曲往往产生在带钢边缘15-20mm内，要依靠边缘预弯装置进行反向弯曲几乎不可能。

4.5配套措施

带钢边缘预弯装置安装在递送机和成型人口带钢控制立辑之间，带钢边缘经预弯处理后要通过一对控制立辑再进入成型器，因此该控制立辑的辐型设计必须满足预弯后带钢端面的控制要求，否则将会导致带钢递送线控制难度加大和带钢边缘挤厚等问题出现。如罔8所示，带钢边缘经预弯后其端面与垂直面存在夹角β，人口控制立辘辘型设计时辑面也应为β角锥面辑，以有效控制带钢递送线。

5结语

成型缝"撅嘴"是由于带钢边缘变形不充分造成的，"撅嘴"量与边缘变形量差异大小直接相关，还与成型角、管径、钢级和壁厚等因素有关，在采用小成型角生产中小直径钢管时表现突出。较严重的成型缝"撅嘴"对产品质量造成较大影响,其危害性很大。

工艺设计时优选成型角、优化调整带钢边缘预弯工艺参数、改进预弯装置辑型和结构设计、提高带钢边缘剪切质量等是缓解成型缝"撅嘴"的可行措施，能有效控制成型缝"撅嘴"量指标，使其满足产品标准要求，提高成型焊接质量。