淺析塑性反變形法在海洋鋼結(jié)構(gòu)管預(yù)制過程中的應(yīng)用

蔡振璐+鄧夢東+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，文章就此問題進行研究，分析變形原因，計算理論變形，通過現(xiàn)場多次實驗歸納總結(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出現(xiàn)不同程度的變形，導(dǎo)致需要后期進行機器調(diào)圓、人工修補等過程，浪費了較多的人力物力。

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管材進行了局部、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)就會發(fā)生壓縮壓力和塑性收縮變形，因此會產(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圓，導(dǎo)致鋼管的變形會沿著半徑向外擴張，導(dǎo)致形成一個“梨”形的鋼管。

焊接變形收縮是一個比較復(fù)雜的問題，鋼管的縱焊縫對接變形量與坡口形式、對接間隙、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，焊接變形相對于雙面坡口也要大一些。

焊接手冊、焊接變形計算及相關(guān)規(guī)范單V坡口對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

同時考慮鋼管的受熱膨脹，受熱膨脹計算公式：

△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

綜合考慮以上兩個公式，得出鋼管在焊接過程中的焊接變形與實際現(xiàn)場測量的焊接變形對比（見下表所示）：

注：實際測量值取焊接后多個桿件變形尺寸的算術(shù)平均值

根據(jù)上述統(tǒng)計可以看出隨著管徑、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，同時也存在人為操作的過失誤差，測量的誤差等等。

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、多次試驗總結(jié)歸納出一套以反向變形法進行焊接的工藝技術(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行人為的變形，以達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)，為達到這個目的首先要確認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不到理想的效果，如果反向變形大則會發(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，而壓頭遠離焊縫一側(cè)的曲率應(yīng)該按照原有尺寸不變。同時也需滿足制管壓頭設(shè)計能力計算公式：

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

P[KN]：壓力機壓力（可以取最大公稱力）

所有卷管壓頭的實際尺寸均應(yīng)考慮材料的彈塑性變形，其公式為：

r：實際彎曲半徑（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)場施工多方面因素引起的。

為避免因為此類問題而進行的后續(xù)修補工作，經(jīng)過理論計算以及現(xiàn)場試驗，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，壓頭機的工作性能以及鋼管的彈塑性變形等因素，同時焊接時不同的焊接溫度也會導(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，文章就此問題進行研究，分析變形原因，計算理論變形，通過現(xiàn)場多次實驗歸納總結(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出現(xiàn)不同程度的變形，導(dǎo)致需要后期進行機器調(diào)圓、人工修補等過程，浪費了較多的人力物力。

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管材進行了局部、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)就會發(fā)生壓縮壓力和塑性收縮變形，因此會產(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圓，導(dǎo)致鋼管的變形會沿著半徑向外擴張，導(dǎo)致形成一個“梨”形的鋼管。

焊接變形收縮是一個比較復(fù)雜的問題，鋼管的縱焊縫對接變形量與坡口形式、對接間隙、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，焊接變形相對于雙面坡口也要大一些。

焊接手冊、焊接變形計算及相關(guān)規(guī)范單V坡口對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

同時考慮鋼管的受熱膨脹，受熱膨脹計算公式：

△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

綜合考慮以上兩個公式，得出鋼管在焊接過程中的焊接變形與實際現(xiàn)場測量的焊接變形對比（見下表所示）：

注：實際測量值取焊接后多個桿件變形尺寸的算術(shù)平均值

根據(jù)上述統(tǒng)計可以看出隨著管徑、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，同時也存在人為操作的過失誤差，測量的誤差等等。

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、多次試驗總結(jié)歸納出一套以反向變形法進行焊接的工藝技術(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行人為的變形，以達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)，為達到這個目的首先要確認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不到理想的效果，如果反向變形大則會發(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，而壓頭遠離焊縫一側(cè)的曲率應(yīng)該按照原有尺寸不變。同時也需滿足制管壓頭設(shè)計能力計算公式：

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

P[KN]：壓力機壓力（可以取最大公稱力）

所有卷管壓頭的實際尺寸均應(yīng)考慮材料的彈塑性變形，其公式為：

r：實際彎曲半徑（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)場施工多方面因素引起的。

為避免因為此類問題而進行的后續(xù)修補工作，經(jīng)過理論計算以及現(xiàn)場試驗，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，壓頭機的工作性能以及鋼管的彈塑性變形等因素，同時焊接時不同的焊接溫度也會導(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，文章就此問題進行研究，分析變形原因，計算理論變形，通過現(xiàn)場多次實驗歸納總結(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出現(xiàn)不同程度的變形，導(dǎo)致需要后期進行機器調(diào)圓、人工修補等過程，浪費了較多的人力物力。

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管材進行了局部、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)就會發(fā)生壓縮壓力和塑性收縮變形，因此會產(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圓，導(dǎo)致鋼管的變形會沿著半徑向外擴張，導(dǎo)致形成一個“梨”形的鋼管。

焊接變形收縮是一個比較復(fù)雜的問題，鋼管的縱焊縫對接變形量與坡口形式、對接間隙、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，焊接變形相對于雙面坡口也要大一些。

焊接手冊、焊接變形計算及相關(guān)規(guī)范單V坡口對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

同時考慮鋼管的受熱膨脹，受熱膨脹計算公式：

△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

綜合考慮以上兩個公式，得出鋼管在焊接過程中的焊接變形與實際現(xiàn)場測量的焊接變形對比（見下表所示）：

注：實際測量值取焊接后多個桿件變形尺寸的算術(shù)平均值

根據(jù)上述統(tǒng)計可以看出隨著管徑、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，同時也存在人為操作的過失誤差，測量的誤差等等。

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、多次試驗總結(jié)歸納出一套以反向變形法進行焊接的工藝技術(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行人為的變形，以達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)，為達到這個目的首先要確認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不到理想的效果，如果反向變形大則會發(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，而壓頭遠離焊縫一側(cè)的曲率應(yīng)該按照原有尺寸不變。同時也需滿足制管壓頭設(shè)計能力計算公式：

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

P[KN]：壓力機壓力（可以取最大公稱力）

所有卷管壓頭的實際尺寸均應(yīng)考慮材料的彈塑性變形，其公式為：

r：實際彎曲半徑（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)場施工多方面因素引起的。

為避免因為此類問題而進行的后續(xù)修補工作，經(jīng)過理論計算以及現(xiàn)場試驗，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，壓頭機的工作性能以及鋼管的彈塑性變形等因素，同時焊接時不同的焊接溫度也會導(dǎo)致管材焊接變形的尺寸變化。endprint