蔡振璐+鄧夢(mèng)東+劉佰明+張博

摘 要：海洋鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)管的預(yù)制在海洋鋼結(jié)構(gòu)建造過程中占有相當(dāng)大的比重，在組塊的建造中鋼結(jié)構(gòu)管的預(yù)制工作量的35%，而在導(dǎo)管架的預(yù)制過程中鋼結(jié)構(gòu)管的預(yù)制占總體預(yù)制工作量的85%，所以提高鋼結(jié)構(gòu)管的預(yù)制工作效率是制約海洋鋼結(jié)構(gòu)建造水平的重要因素。在實(shí)際的卷制過程中，縱縫為單V型坡口的結(jié)構(gòu)管預(yù)制完成后在縱縫的位置出現(xiàn)焊接變形，文章就此問題進(jìn)行研究，分析變形原因，計(jì)算理論變形，通過現(xiàn)場(chǎng)多次實(shí)驗(yàn)歸納總結(jié)，提出解決方案，很好的解決了此類問題。

關(guān)鍵詞：塑性；焊接；結(jié)構(gòu)管；反變形

引言

在海洋鋼結(jié)構(gòu)管的預(yù)制過程中，板材經(jīng)過下料、壓頭/預(yù)彎、卷制后需要焊接縱焊縫，根據(jù)規(guī)范要求，管徑在30'以下，厚度小于25mm的卷制管的縱縫坡口形式為單V坡口，此類管件經(jīng)過焊接后在焊縫位置都會(huì)出現(xiàn)不同程度的變形，導(dǎo)致需要后期進(jìn)行機(jī)器調(diào)圓、人工修補(bǔ)等過程，浪費(fèi)了較多的人力物力。

1 海洋鋼結(jié)構(gòu)管材縱縫焊接變形問題

在鋼管的焊接過程中對(duì)管材進(jìn)行了局部、不均勻的加熱是產(chǎn)生焊接應(yīng)力及變形的主要原因，在焊接時(shí)焊縫和焊縫附近受熱區(qū)的金屬發(fā)生膨脹，由于四周較冷的金屬阻止這種膨脹，在焊接區(qū)域內(nèi)就會(huì)發(fā)生壓縮壓力和塑性收縮變形，因此會(huì)產(chǎn)生不同程度的橫向和縱向收縮，由于管材的橫截面為一個(gè)圓，導(dǎo)致鋼管的變形會(huì)沿著半徑向外擴(kuò)張，導(dǎo)致形成一個(gè)“梨”形的鋼管。

焊接變形收縮是一個(gè)比較復(fù)雜的問題，鋼管的縱焊縫對(duì)接變形量與坡口形式、對(duì)接間隙、焊接線的能量、管材壁厚、焊縫的橫截面面積等因素息息相關(guān)，一般坡口大、對(duì)接間隙大、焊縫截面積大，焊接能量也大，則焊接變形大。而單V坡口受熱不均，焊接變形相對(duì)于雙面坡口也要大一些。

焊接手冊(cè)、焊接變形計(jì)算及相關(guān)規(guī)范單V坡口對(duì)接焊縫的橫向收縮工式：

Y=1.01*e0.0464x

y：收縮近似值；e：2.718282；x：板厚

同時(shí)考慮鋼管的受熱膨脹，受熱膨脹計(jì)算公式：

△δ=α×（T2-T1）×D

α-碳鋼線膨脹系數(shù)；（T2-T1）為升高的溫度差；D-管材直徑

綜合考慮以上兩個(gè)公式，得出鋼管在焊接過程中的焊接變形與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的焊接變形對(duì)比（見下表所示）：

注：實(shí)際測(cè)量值取焊接后多個(gè)桿件變形尺寸的算術(shù)平均值

根據(jù)上述統(tǒng)計(jì)可以看出隨著管徑、壁厚的增加焊接變形也逐漸增加，而且實(shí)際施工中的變形比理論變形大，這主要是由于焊接環(huán)境溫度與理論溫度有偏差，同時(shí)也存在人為操作的過失誤差，測(cè)量的誤差等等。

2 應(yīng)用反向變形法修正卷制管的焊接變形

按照API 2B規(guī)范中對(duì)卷制管縱縫的要求上述焊接變形是不允許的，為此本公司經(jīng)過理論研究、多次試驗(yàn)總結(jié)歸納出一套以反向變形法進(jìn)行焊接的工藝技術(shù)。

反向變形法是生產(chǎn)中最常用的方法之一，在焊前先將工件向與焊接變形相反的方向進(jìn)行人為的變形，以達(dá)到防止焊接變形的目的。

在管材卷制流程中的壓頭階段，將壓頭的尺寸增加，使增加的尺寸與焊接后變形的尺寸相同，這樣就可以將焊接變形的尺寸控制在規(guī)范要求的范圍內(nèi)，為達(dá)到這個(gè)目的首先要確認(rèn)將鋼管反向變形多少尺寸才可以滿足要求，如果反向變形小就達(dá)不到理想的效果，如果反向變形大則會(huì)發(fā)生沿著反向變形方向產(chǎn)生焊接變形的現(xiàn)象。

經(jīng)過多次試驗(yàn)得出不同管徑壁厚下的反向變形量，反向變形可以通過修改壓頭模具尺寸來實(shí)現(xiàn)，見下表所示：

上表中修改的管徑尺寸為壓頭靠近焊縫一側(cè)的曲率，而壓頭遠(yuǎn)離焊縫一側(cè)的曲率應(yīng)該按照原有尺寸不變。同時(shí)也需滿足制管壓頭設(shè)計(jì)能力計(jì)算公式：

D[mm]：制管外徑；T[mm]：制管壁厚；B[mm]：制管單節(jié)長(zhǎng)；σs[MPa]：制管板材彈性極限

P[KN]：壓力機(jī)壓力（可以取最大公稱力）

所有卷管壓頭的實(shí)際尺寸均應(yīng)考慮材料的彈塑性變形，其公式為：

r：實(shí)際彎曲半徑（mm）；r0：理論半徑（mm）；t：管厚（mm）

3 結(jié)束語

鋼結(jié)構(gòu)管單V坡口縱縫焊接容易產(chǎn)生較大變形，這種變形是由于管材的特殊結(jié)構(gòu)形式、焊接受熱、以及現(xiàn)場(chǎng)施工多方面因素引起的。

為避免因?yàn)榇祟悊栴}而進(jìn)行的后續(xù)修補(bǔ)工作，經(jīng)過理論計(jì)算以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，總結(jié)出一套可行的方法，即通過修改管件壓頭模具曲率，使坡口區(qū)域反向變形，通過焊接時(shí)材料的焊接變形自行回圓的方法。

在施工的過程中同樣應(yīng)注意反向變形的取值，壓頭機(jī)的工作性能以及鋼管的彈塑性變形等因素，同時(shí)焊接時(shí)不同的焊接溫度也會(huì)導(dǎo)致管材焊接變形的尺寸變化。endprint

摘 要：海洋鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)管的預(yù)制在海洋鋼結(jié)構(gòu)建造過程中占有相當(dāng)大的比重，在組塊的建造中鋼結(jié)構(gòu)管的預(yù)制工作量的35%，而在導(dǎo)管架的預(yù)制過程中鋼結(jié)構(gòu)管的預(yù)制占總體預(yù)制工作量的85%，所以提高鋼結(jié)構(gòu)管的預(yù)制工作效率是制約海洋鋼結(jié)構(gòu)建造水平的重要因素。在實(shí)際的卷制過程中，縱縫為單V型坡口的結(jié)構(gòu)管預(yù)制完成后在縱縫的位置出現(xiàn)焊接變形，文章就此問題進(jìn)行研究，分析變形原因，計(jì)算理論變形，通過現(xiàn)場(chǎng)多次實(shí)驗(yàn)歸納總結(jié)，提出解決方案，很好的解決了此類問題。

關(guān)鍵詞：塑性；焊接；結(jié)構(gòu)管；反變形

引言

在海洋鋼結(jié)構(gòu)管的預(yù)制過程中，板材經(jīng)過下料、壓頭/預(yù)彎、卷制后需要焊接縱焊縫，根據(jù)規(guī)范要求，管徑在30'以下，厚度小于25mm的卷制管的縱縫坡口形式為單V坡口，此類管件經(jīng)過焊接后在焊縫位置都會(huì)出現(xiàn)不同程度的變形，導(dǎo)致需要后期進(jìn)行機(jī)器調(diào)圓、人工修補(bǔ)等過程，浪費(fèi)了較多的人力物力。

1 海洋鋼結(jié)構(gòu)管材縱縫焊接變形問題

在鋼管的焊接過程中對(duì)管材進(jìn)行了局部、不均勻的加熱是產(chǎn)生焊接應(yīng)力及變形的主要原因，在焊接時(shí)焊縫和焊縫附近受熱區(qū)的金屬發(fā)生膨脹，由于四周較冷的金屬阻止這種膨脹，在焊接區(qū)域內(nèi)就會(huì)發(fā)生壓縮壓力和塑性收縮變形，因此會(huì)產(chǎn)生不同程度的橫向和縱向收縮，由于管材的橫截面為一個(gè)圓，導(dǎo)致鋼管的變形會(huì)沿著半徑向外擴(kuò)張，導(dǎo)致形成一個(gè)“梨”形的鋼管。

焊接變形收縮是一個(gè)比較復(fù)雜的問題，鋼管的縱焊縫對(duì)接變形量與坡口形式、對(duì)接間隙、焊接線的能量、管材壁厚、焊縫的橫截面面積等因素息息相關(guān)，一般坡口大、對(duì)接間隙大、焊縫截面積大，焊接能量也大，則焊接變形大。而單V坡口受熱不均，焊接變形相對(duì)于雙面坡口也要大一些。

焊接手冊(cè)、焊接變形計(jì)算及相關(guān)規(guī)范單V坡口對(duì)接焊縫的橫向收縮工式：

Y=1.01*e0.0464x

y：收縮近似值；e：2.718282；x：板厚

同時(shí)考慮鋼管的受熱膨脹，受熱膨脹計(jì)算公式：

△δ=α×（T2-T1）×D

α-碳鋼線膨脹系數(shù)；（T2-T1）為升高的溫度差；D-管材直徑

綜合考慮以上兩個(gè)公式，得出鋼管在焊接過程中的焊接變形與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的焊接變形對(duì)比（見下表所示）：

注：實(shí)際測(cè)量值取焊接后多個(gè)桿件變形尺寸的算術(shù)平均值

根據(jù)上述統(tǒng)計(jì)可以看出隨著管徑、壁厚的增加焊接變形也逐漸增加，而且實(shí)際施工中的變形比理論變形大，這主要是由于焊接環(huán)境溫度與理論溫度有偏差，同時(shí)也存在人為操作的過失誤差，測(cè)量的誤差等等。

2 應(yīng)用反向變形法修正卷制管的焊接變形

按照API 2B規(guī)范中對(duì)卷制管縱縫的要求上述焊接變形是不允許的，為此本公司經(jīng)過理論研究、多次試驗(yàn)總結(jié)歸納出一套以反向變形法進(jìn)行焊接的工藝技術(shù)。

反向變形法是生產(chǎn)中最常用的方法之一，在焊前先將工件向與焊接變形相反的方向進(jìn)行人為的變形，以達(dá)到防止焊接變形的目的。

在管材卷制流程中的壓頭階段，將壓頭的尺寸增加，使增加的尺寸與焊接后變形的尺寸相同，這樣就可以將焊接變形的尺寸控制在規(guī)范要求的范圍內(nèi)，為達(dá)到這個(gè)目的首先要確認(rèn)將鋼管反向變形多少尺寸才可以滿足要求，如果反向變形小就達(dá)不到理想的效果，如果反向變形大則會(huì)發(fā)生沿著反向變形方向產(chǎn)生焊接變形的現(xiàn)象。

經(jīng)過多次試驗(yàn)得出不同管徑壁厚下的反向變形量，反向變形可以通過修改壓頭模具尺寸來實(shí)現(xiàn)，見下表所示：

上表中修改的管徑尺寸為壓頭靠近焊縫一側(cè)的曲率，而壓頭遠(yuǎn)離焊縫一側(cè)的曲率應(yīng)該按照原有尺寸不變。同時(shí)也需滿足制管壓頭設(shè)計(jì)能力計(jì)算公式：

D[mm]：制管外徑；T[mm]：制管壁厚；B[mm]：制管單節(jié)長(zhǎng)；σs[MPa]：制管板材彈性極限

P[KN]：壓力機(jī)壓力（可以取最大公稱力）

所有卷管壓頭的實(shí)際尺寸均應(yīng)考慮材料的彈塑性變形，其公式為：

r：實(shí)際彎曲半徑（mm）；r0：理論半徑（mm）；t：管厚（mm）

3 結(jié)束語

鋼結(jié)構(gòu)管單V坡口縱縫焊接容易產(chǎn)生較大變形，這種變形是由于管材的特殊結(jié)構(gòu)形式、焊接受熱、以及現(xiàn)場(chǎng)施工多方面因素引起的。

為避免因?yàn)榇祟悊栴}而進(jìn)行的后續(xù)修補(bǔ)工作，經(jīng)過理論計(jì)算以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，總結(jié)出一套可行的方法，即通過修改管件壓頭模具曲率，使坡口區(qū)域反向變形，通過焊接時(shí)材料的焊接變形自行回圓的方法。

在施工的過程中同樣應(yīng)注意反向變形的取值，壓頭機(jī)的工作性能以及鋼管的彈塑性變形等因素，同時(shí)焊接時(shí)不同的焊接溫度也會(huì)導(dǎo)致管材焊接變形的尺寸變化。endprint

摘 要：海洋鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)管的預(yù)制在海洋鋼結(jié)構(gòu)建造過程中占有相當(dāng)大的比重，在組塊的建造中鋼結(jié)構(gòu)管的預(yù)制工作量的35%，而在導(dǎo)管架的預(yù)制過程中鋼結(jié)構(gòu)管的預(yù)制占總體預(yù)制工作量的85%，所以提高鋼結(jié)構(gòu)管的預(yù)制工作效率是制約海洋鋼結(jié)構(gòu)建造水平的重要因素。在實(shí)際的卷制過程中，縱縫為單V型坡口的結(jié)構(gòu)管預(yù)制完成后在縱縫的位置出現(xiàn)焊接變形，文章就此問題進(jìn)行研究，分析變形原因，計(jì)算理論變形，通過現(xiàn)場(chǎng)多次實(shí)驗(yàn)歸納總結(jié)，提出解決方案，很好的解決了此類問題。

關(guān)鍵詞：塑性；焊接；結(jié)構(gòu)管；反變形

引言

在海洋鋼結(jié)構(gòu)管的預(yù)制過程中，板材經(jīng)過下料、壓頭/預(yù)彎、卷制后需要焊接縱焊縫，根據(jù)規(guī)范要求，管徑在30'以下，厚度小于25mm的卷制管的縱縫坡口形式為單V坡口，此類管件經(jīng)過焊接后在焊縫位置都會(huì)出現(xiàn)不同程度的變形，導(dǎo)致需要后期進(jìn)行機(jī)器調(diào)圓、人工修補(bǔ)等過程，浪費(fèi)了較多的人力物力。

1 海洋鋼結(jié)構(gòu)管材縱縫焊接變形問題

在鋼管的焊接過程中對(duì)管材進(jìn)行了局部、不均勻的加熱是產(chǎn)生焊接應(yīng)力及變形的主要原因，在焊接時(shí)焊縫和焊縫附近受熱區(qū)的金屬發(fā)生膨脹，由于四周較冷的金屬阻止這種膨脹，在焊接區(qū)域內(nèi)就會(huì)發(fā)生壓縮壓力和塑性收縮變形，因此會(huì)產(chǎn)生不同程度的橫向和縱向收縮，由于管材的橫截面為一個(gè)圓，導(dǎo)致鋼管的變形會(huì)沿著半徑向外擴(kuò)張，導(dǎo)致形成一個(gè)“梨”形的鋼管。

焊接變形收縮是一個(gè)比較復(fù)雜的問題，鋼管的縱焊縫對(duì)接變形量與坡口形式、對(duì)接間隙、焊接線的能量、管材壁厚、焊縫的橫截面面積等因素息息相關(guān)，一般坡口大、對(duì)接間隙大、焊縫截面積大，焊接能量也大，則焊接變形大。而單V坡口受熱不均，焊接變形相對(duì)于雙面坡口也要大一些。

焊接手冊(cè)、焊接變形計(jì)算及相關(guān)規(guī)范單V坡口對(duì)接焊縫的橫向收縮工式：

Y=1.01*e0.0464x

y：收縮近似值；e：2.718282；x：板厚

同時(shí)考慮鋼管的受熱膨脹，受熱膨脹計(jì)算公式：

△δ=α×（T2-T1）×D

α-碳鋼線膨脹系數(shù)；（T2-T1）為升高的溫度差；D-管材直徑

綜合考慮以上兩個(gè)公式，得出鋼管在焊接過程中的焊接變形與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的焊接變形對(duì)比（見下表所示）：

注：實(shí)際測(cè)量值取焊接后多個(gè)桿件變形尺寸的算術(shù)平均值

根據(jù)上述統(tǒng)計(jì)可以看出隨著管徑、壁厚的增加焊接變形也逐漸增加，而且實(shí)際施工中的變形比理論變形大，這主要是由于焊接環(huán)境溫度與理論溫度有偏差，同時(shí)也存在人為操作的過失誤差，測(cè)量的誤差等等。

2 應(yīng)用反向變形法修正卷制管的焊接變形

按照API 2B規(guī)范中對(duì)卷制管縱縫的要求上述焊接變形是不允許的，為此本公司經(jīng)過理論研究、多次試驗(yàn)總結(jié)歸納出一套以反向變形法進(jìn)行焊接的工藝技術(shù)。

反向變形法是生產(chǎn)中最常用的方法之一，在焊前先將工件向與焊接變形相反的方向進(jìn)行人為的變形，以達(dá)到防止焊接變形的目的。

在管材卷制流程中的壓頭階段，將壓頭的尺寸增加，使增加的尺寸與焊接后變形的尺寸相同，這樣就可以將焊接變形的尺寸控制在規(guī)范要求的范圍內(nèi)，為達(dá)到這個(gè)目的首先要確認(rèn)將鋼管反向變形多少尺寸才可以滿足要求，如果反向變形小就達(dá)不到理想的效果，如果反向變形大則會(huì)發(fā)生沿著反向變形方向產(chǎn)生焊接變形的現(xiàn)象。

經(jīng)過多次試驗(yàn)得出不同管徑壁厚下的反向變形量，反向變形可以通過修改壓頭模具尺寸來實(shí)現(xiàn)，見下表所示：

上表中修改的管徑尺寸為壓頭靠近焊縫一側(cè)的曲率，而壓頭遠(yuǎn)離焊縫一側(cè)的曲率應(yīng)該按照原有尺寸不變。同時(shí)也需滿足制管壓頭設(shè)計(jì)能力計(jì)算公式：

D[mm]：制管外徑；T[mm]：制管壁厚；B[mm]：制管單節(jié)長(zhǎng)；σs[MPa]：制管板材彈性極限

P[KN]：壓力機(jī)壓力（可以取最大公稱力）

所有卷管壓頭的實(shí)際尺寸均應(yīng)考慮材料的彈塑性變形，其公式為：

r：實(shí)際彎曲半徑（mm）；r0：理論半徑（mm）；t：管厚（mm）

3 結(jié)束語

鋼結(jié)構(gòu)管單V坡口縱縫焊接容易產(chǎn)生較大變形，這種變形是由于管材的特殊結(jié)構(gòu)形式、焊接受熱、以及現(xiàn)場(chǎng)施工多方面因素引起的。

為避免因?yàn)榇祟悊栴}而進(jìn)行的后續(xù)修補(bǔ)工作，經(jīng)過理論計(jì)算以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，總結(jié)出一套可行的方法，即通過修改管件壓頭模具曲率，使坡口區(qū)域反向變形，通過焊接時(shí)材料的焊接變形自行回圓的方法。

在施工的過程中同樣應(yīng)注意反向變形的取值，壓頭機(jī)的工作性能以及鋼管的彈塑性變形等因素，同時(shí)焊接時(shí)不同的焊接溫度也會(huì)導(dǎo)致管材焊接變形的尺寸變化。endprint