鋼帶與螺旋焊管

焊管出現(xiàn)于十九世紀(jì)初期，但由于缺乏原料鋼板，限制了其發(fā)展。1883年無縫管出現(xiàn)后，焊管一度落后于無縫管。二十世紀(jì)中葉，成卷鋼帶的大量供應(yīng)、焊接技術(shù)的迅速提高，焊管生產(chǎn)又得到較快的發(fā)展。1960年以前焊接鋼管幾乎都是縱縫（直縫）焊接法來制造的，采用鋼板下料，板廠按管子的長度及設(shè)備選定，在三輥筒卷板機或壓力機中彎曲成型，然后焊接。對于大直徑鋼管，往往由好幾塊鋼板來拼接，因此會有好幾條縱縫。管子直徑不同，就需要多種尺寸規(guī)格的鋼板和模具；同時縱焊縫有使管子彎曲的性能，所以管子不是很直的。1958年，聯(lián)邦德國、英國、瑞士等國研制成中空的成型機，可以進(jìn)行內(nèi)外縫雙面焊接，之后各國才大量生產(chǎn)雙面焊螺旋焊鋼管[1]。我國第一條螺旋縫埋弧焊管始建于1959年，設(shè)備從蘇聯(lián)引進(jìn)。發(fā)展到現(xiàn)在，大直徑螺旋埋弧焊鋼管越來越多的應(yīng)用在油氣管道（西氣東輸、中亞、中俄天然氣管道采用φ1422×21.4mmX80鋼級螺旋管）、熱力管道、輸水管道工程中，本文僅從水利管道工程應(yīng)用的角度，對鋼帶和螺旋焊管的結(jié)構(gòu)參數(shù)、力學(xué)性能簡單介紹。1

鋼帶[2]根據(jù)鋼材的交貨狀態(tài)，有鋼板和鋼帶之分，目前國標(biāo)常用的熱軋鋼板和鋼帶的標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。螺旋焊管卷制通常由軋制寬度不小于600mm成卷交貨的寬鋼帶。表1

常用的熱軋鋼板和鋼帶標(biāo)準(zhǔn)一覽表1.1寬鋼帶的公稱尺寸公稱厚度：≤25.4mm，在此范圍內(nèi)按0.1mm倍數(shù)的任何尺寸；公稱寬度：600~2200mm，在此范圍內(nèi)按10mm倍數(shù)的任何尺寸。1.2

鋼帶的厚度允許偏差鋼帶的厚度偏差按照厚度精度來區(qū)分的，有：普通精度（PT.A）、較高精度（PT.B）。規(guī)范按照最小屈服強度Re＜360MPa和Re≥360MPa分別給出了厚度允許偏差值，如圖1、圖2所示：圖1

Re＜360Mpa鋼帶的厚度允許偏差圖2

Re≥360Mpa鋼帶的厚度允許偏差1.3

鋼管厚度偏差的誤區(qū)在水利管道工程設(shè)計中，設(shè)計者往往就彎曲度、不圓度、液壓試驗等技術(shù)指標(biāo)參照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，如：《低壓流體輸送用焊接鋼管》，且常在設(shè)計說明中注明“執(zhí)行《低壓流體輸送用焊接鋼管》GB/T3091-2015的要求”。其實對于鋼管的壁厚，這樣要求是有誤區(qū)的。對于由鋼帶成型的螺旋管，如果不限制鋼帶的厚度偏差（PT.A、PT.B），施工單位往往按照上述標(biāo)準(zhǔn)中的壁厚偏差10%（t=4mm~16mm）采購鋼帶。我國的大多數(shù)管道標(biāo)準(zhǔn)最先是從油氣、化工行業(yè)發(fā)展起來的，其結(jié)構(gòu)計算與水利和市政行業(yè)管道不同，以石化行業(yè)起草的國家標(biāo)準(zhǔn)《管道工程用無縫及焊接鋼管尺寸選用規(guī)定》GB/T28708-2012為例，其A.3要求：鋼管壁厚計算公式如下：公式中的12.5%為鋼管壁厚負(fù)偏差，即壁厚計算的時候就考慮了鋼管壁厚的負(fù)偏查了；而且還要考慮剛度要求，給出了徑厚比的最大值。而水利、市政管道工程的結(jié)構(gòu)計算中，有土壓力、車輛荷載（堆積荷載）、內(nèi)壓荷載、溫度荷載等等，一般要求在計算厚度的基礎(chǔ)上增加2mm的構(gòu)造厚度才得到的管道設(shè)計厚度（壁厚），如結(jié)構(gòu)計算值為15.8mm，取15.8+2=17.8mm，選18mm。如果被施工單位吃掉10%的偏差：18-1.8=16.2mm，再扣除2mm的構(gòu)造厚度，僅剩14.2mm，這樣就滿足不了結(jié)構(gòu)計算的要求。因此建議在設(shè)計說明書對螺旋鋼管的厚度按照鋼帶的等級注明厚度偏差。2

螺旋焊管螺旋焊接工藝將成品板帶卷曲螺旋焊接成為管材，生產(chǎn)前調(diào)整機組螺旋角與螺距，由固定尺寸板帶生產(chǎn)多規(guī)格管材，具有柔性生產(chǎn)、適用性強、操作便捷和成本低的優(yōu)點，可生產(chǎn)超大直徑薄壁金屬管，如圖2所示[3]。圖3

螺旋焊管生產(chǎn)線圖先進(jìn)的生產(chǎn)機組，一般具有坡口加工能力，先對鋼帶的頭部和尾部進(jìn)行坡口加工，形成V形或Y形坡口，正面進(jìn)行埋弧自動焊接，背面再用埋弧焊自動焊蓋面[4]。2.1

螺旋焊管的幾何特性螺旋焊管技術(shù)中，成型角是一個重要的參數(shù)，它是指螺旋焊管生產(chǎn)中鋼帶中心線與成型焊接后的螺旋管軸線之間的夾角，用α（α＜90°）表示，如圖4所示[5]。為了理解成型角，可以將管子沿軸線剪開后展開，假設(shè)焊管中徑為D、鋼帶寬度為B、管節(jié)長度為L、焊縫長度為l，如圖5所示。圖4

螺旋焊管成型示意圖圖5

螺旋焊管軸向剪開展開示意圖1）鋼帶寬度B（圖5中OA長度）、焊管直徑D與成型角α之間的關(guān)系在Rt△ABO中，有2）焊縫長度l與焊管長度L之間的關(guān)系在Rt△CAB中，有∴

因此，也宜理解圖4中的焊出速度vc和焊接速度vh之間的關(guān)系為：由上式可知，成型角越小，勞動生產(chǎn)率越高，經(jīng)濟性越好；但成型角過小調(diào)型后鋼管圓度差，成型質(zhì)量差，同時增加焊縫的法向應(yīng)力。一般認(rèn)為鋼帶的寬度與外徑之比為1.2~2.2，在這種情況下成型角α∈[45°42'，65°36']；也有認(rèn)為成型角合適的角度為[40°，66°]。在相同管徑下，螺旋焊管焊縫長度和管子長度（直縫焊管焊縫長度）之比與螺旋焊管的成型角有密切的關(guān)系，如表2所示。表2

不同成型角焊管焊縫長度比值也有螺旋焊管標(biāo)準(zhǔn)對成型角有一定的要求，如:●《低壓流體輸送管道用螺旋縫焊管》SY/T5037-2018（12年修訂時新增條目）第條：用于制造螺旋縫鋼管的鋼帶寬度不應(yīng)小于鋼管公稱外徑的0.8倍，且不應(yīng)大于鋼管公稱外徑的3倍。按此要求，其成型角為：●《輸送瓦斯用鋼管》MT/T1775-2019第條表1中對螺旋節(jié)距有≤130mm的要求。2.2內(nèi)壓作用下螺旋焊管的受力分析如果管子壁厚相對于管子直徑很小時，可推導(dǎo)出徑向應(yīng)力和軸向應(yīng)力的計算公式。假設(shè)：管子僅受內(nèi)壓為P，直徑為D，壁厚為t，則環(huán)向應(yīng)力αH和軸向應(yīng)力αZ分別為：取單位立方體，其焊縫斜截面的受力狀態(tài)如圖6所示。由內(nèi)力平衡條件可知：圖6

螺旋焊斜截面折算應(yīng)力示意圖焊縫斜截面的折算應(yīng)力σfZH為：帶入可得：如圖7所示，焊縫斜截面的正應(yīng)力和剪應(yīng)力分別為：圖6

螺旋焊斜截面正應(yīng)力和剪應(yīng)力示意圖1）對于兩端開口的空心圓管，軸向應(yīng)力αZ=0，則焊縫斜截面的正應(yīng)力與管子的正應(yīng)力（直縫的正應(yīng)力）的比值為：2）對于兩端封閉的圓管，螺旋焊縫斜截面的正應(yīng)力、折算應(yīng)力與直焊縫的環(huán)向應(yīng)力的比值分別為：在成型角40°~66°之間，垂直于焊縫的應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)力之比在0.80~0.58之間，這一點是螺旋焊管與直縫焊管相比較的一個顯著優(yōu)點。由此可知：①螺旋焊管發(fā)生爆破時，由于焊縫所受正應(yīng)力與合成應(yīng)力較小，爆破口一般不會源于螺旋焊縫處，其安全性比直縫焊管高；②當(dāng)螺旋焊縫附近存在與之平行的缺陷時，由于螺旋焊縫受力小，其擴展的危險性不如直焊縫大；③由于徑向應(yīng)力是存在于鋼管上的最大應(yīng)力，所以焊縫處于垂直應(yīng)力這一方向時承受著最大的荷載，即直縫承受的荷載最大，環(huán)縫承受的荷載最小，螺旋縫介于二者之間。2.3頂管作用下螺旋焊管的受力分析頂管頂進(jìn)施工時，管子不承受環(huán)向荷載，環(huán)向應(yīng)力為αH=0，暫不考慮其他荷載，如圖7所示。圖7

頂進(jìn)施工時斜截面應(yīng)力示意圖則斜截面的正應(yīng)力和剪應(yīng)力分別為：一般受剪應(yīng)力控制的母材，當(dāng)螺旋成型角α=45°時，剪應(yīng)力破壞會與母材的呂德斯（Lüders）線重合。根據(jù)上述分析可知，頂進(jìn)施工時，直縫管、螺旋管與管子的母材內(nèi)力一致。由此可知，由于焊縫是等強連接的，頂直縫管和頂螺旋管的區(qū)別是不大的。3

螺旋焊管與直縫管靜壓爆破強度的比較[6]管道在輸送流體（油、氣、水）時主要承受動壓，而鋼管在廠內(nèi)檢驗時則承受靜壓。日本高壓力技術(shù)協(xié)會和新日鐵曾合作進(jìn)行了焊管的靜壓爆破試驗。其結(jié)果如圖7所示。表3

螺旋焊管與直縫焊管爆破比較表螺旋焊管在爆破時，母材處發(fā)生的變形最大，裂源在該處沿軸方向擴展，在螺旋焊縫前停止。直縫管爆破時，裂縫在縱縫臨近處。裂紋與焊縫平行擴展，最后裂端轉(zhuǎn)變成直角方向而止裂。日本焊接協(xié)會、螺旋管協(xié)會也進(jìn)行了二者的對比試驗。驗證了二者的屈服應(yīng)力與爆破應(yīng)力實測值和理論值基本吻合，偏差相近。但無論屈服應(yīng)力還是爆破應(yīng)力，螺旋焊管均低于直縫焊管。爆破試驗還顯示出螺旋焊管爆破口的環(huán)向變形率明顯大于直縫管。由此可證實，螺旋焊管的塑性變形能力優(yōu)于直縫管，爆破口一般只局限在一個螺距內(nèi)，這是螺旋焊縫對裂口的擴展起了有力的約束作用所致。4

螺旋焊管的焊縫對輸送介質(zhì)流動特性的影響德國Saligitter公司進(jìn)行了試驗，使用直徑為φ508mm的直縫焊管和螺旋焊管，結(jié)果表明，螺旋焊管和直縫焊管的摩阻系數(shù)相差不大，但比光滑管略大，如圖8所示。圖8

焊管與光滑管的阻力系數(shù)對比圖參考文獻(xiàn)：[1]馬璋.國內(nèi)外螺旋電焊鋼管發(fā)展概況[J].鞍鋼革新,1972(06):30-56.[2]GB/T709-2019.[S].北京：中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會,2019.[3]吉鵬亮.金屬管材柔性成型工藝與實驗研究[D].燕山大學(xué),2022.[4]雷浩,胡德虎,高鵬等.大直徑厚壁螺旋焊管生產(chǎn)用鋼帶對接焊工藝[J].焊管,2021,44(07):54-58.DOI:10