直缝焊接管与螺旋焊接管比较

直缝焊接管与螺旋焊接管比较

天津大学船舶与海洋工程

摘要

螺旋焊管强度一般比直缝焊管高，能用较窄的坯料生产管径较大的焊管，还可以用同样宽度的坯料生产管径不同的焊管。但是与相同长度的直缝管相比，焊缝长度增加30~100%，而且生产速度较低。因此，较小口径的焊管大都采用直缝焊，大口径焊管则大多采用螺旋焊。

1引言

焊接钢管：它是由钢带切割成窄钢条，然后用模具冷加工裹成管状。然后专用焊机接着将一条管缝焊接。20世纪30年代以来，随着优质带钢连轧生产的迅速发展以及焊接和检验技术的进步，焊缝质量不断提高，焊接钢管的品种规格日益增多，并在越来越多的领域代替了无缝钢管。焊接钢管比无缝钢管成本低、生产效率高。我国海洋油气管道工程中广泛采用，需求量逐年增加。《“十二五”发展纲要》明确提出，到2015年输油气管道总长度将超过15万公里，这将比2010年增长90%。

焊接钢管按焊缝形状分类可分为直缝焊管和螺旋焊管，本文从不同方面，对二者进行比较。

2螺旋缝埋弧焊管与直缝埋弧焊管的比较

2-1焊管简介

2-1-1 直缝焊接管

用热轧或冷轧钢板或钢带卷焊制成的钢管在焊接设备上进行直缝焊接得到的管子都叫直缝焊管。（由于钢管的焊接处成一条直线故而得名）。

2-1-2螺旋焊管

是将低碳碳素结构钢或低合金结构钢钢带按一定的螺旋线的角度（叫成型角）卷成管坯，然后将管缝焊接起来制成，它可以用较窄的带钢生产大直径的钢管。螺旋焊管主要用于石油、天然气的输送管线，其规格用外径*壁厚表示。螺旋焊管有单面焊的和双面焊的，焊管应保证水压试验、焊缝的抗拉强度和冷弯性能要符合规定

2-2焊接工艺

直缝钢管生产工艺比较简单，主要有高频直缝焊管和埋弧焊直缝焊管。高频直缝焊接钢管是通过高频焊接机组将一定的规格的长条形钢带卷成圆管状并将直缝焊。高频焊是一种感应焊（或压力接触焊），它无需焊缝填充料，无焊接飞溅，焊接热影响区窄，焊接成型美观，焊接机械性能良好等优点，因此在钢管的生产中受到广泛的应用。接而成钢管。钢管的形状可以是圆形的，也可以是方形或异形的，它取决于焊后的定径轧制。直缝焊管生产效率高，成本低，发展较快。直缝埋弧焊钢管具有一条纵向焊缝，内、外焊缝均采用一道埋弧焊焊成。经过整体机械扩径处理，钢管内部应力小且分布均匀，可有效防止应力腐蚀开裂，尺寸精

度高，便于现场焊接施工。采用预焊后精焊的工艺，焊接过程稳定，焊缝质量高。焊缝易于实现生产过程中的无损探伤和使用过程中野外的无损探伤复查。产品规格范围大，既可生产小直径、大壁厚也可生产大直径、大壁厚的钢管。管径受钢板宽度的制约, 一种宽度的钢板只能生产出一种直径的钢管。

螺旋焊管强度一般比直缝焊管高，螺旋缝埋弧焊管没有母材 100% 超声波探伤、扩径等工序, 产量较低, 焊缝自动跟踪困难, 成型、焊接均在连续运转的动态下完成; 可实现连续生产,能用较窄的坯料生产管径较大的焊管，还可以用同样宽度的坯料生产管径不同的焊管。但是与相同长度的直缝管相比，焊缝长度增加30~100%，而且生产速度较低。因此，较小口径的焊管大都采用直缝焊，大口径焊管则大多采用螺旋焊。从焊接工艺而言，螺旋焊管与直缝钢管的焊接方法一致(埋弧焊)，但直缝焊管不可避免地会有很多的丁字焊缝，因此存在焊接缺陷的机率也大大提高，而且丁字焊缝处的焊接残余应力较大，焊缝金属往往处于三向应力状态，增加了产生裂纹的可能性。

在国内较小口径的焊接钢管大都采用直缝焊,大口径焊接钢管则大多采用螺旋缝焊,目前我国已具备生产大口径的直缝埋弧焊钢管的能力 ,并在石油天然气输送工程中得到了使用。

2-3材料性能

直缝埋弧焊管是用钢板生产的，而螺旋焊管是用热轧卷板生产的。热轧带钢机组轧制工艺具有一系列的优点，具有获得生产优质管线钢的冶金工艺能力。例如，在输出台架上装有水冷却系统以加速冷却，这就允许使用低合金成分来达到特殊的强度等级和低温韧性，从而改进钢材的可焊性。但这一系统在钢板生产厂基本没有。卷板的合金含量(碳当量)往往低于相似等级的钢板，这也提高了螺旋焊管的可焊性。更需要说明的是，由于螺旋焊管的卷板轧制方向不是垂直钢管轴线方向(其夹解取决于钢管的螺旋角)，而直缝钢管的钢板轧制方向垂直于钢管轴线方向，因而，螺旋焊管材料的抗裂性能优于直缝钢管。

而且，根据埋弧焊的工艺规定，每条焊缝均应有引弧处和熄弧处，但每根直缝焊管在焊接环缝时，无法达到该条件，由此在熄弧处可能有较多的焊接缺陷。

2-4结构强度

焊管在承受内压时，通常在管壁上产生两种主要应力，即径向应力和轴向应力，焊缝处受合成应力。由于焊缝形状的不同，在承受内压时，螺旋焊缝处合成应力是直缝焊管主应力的60-85%。因此，在相同工作压力下，同一管径的螺旋焊管比直缝焊管壁厚可减小。

在文献[2]中有详细计算过程，其结论如下

(1)当焊管内存在残余拉应力时,临界断裂应力氏减少。

(2)螺旋焊管与直缝焊管的裂纹扩展方向θ0取决于裂纹角β、裂纹与焊缝夹角α及残余应力与工作应力的

比值。

(3)螺旋焊管与直缝焊管的承载能力的对比分析表明,在螺旋角γ一定的情况下,二者的断裂失效取决于焊

接裂纹缺陷与焊缝的夹角α。

(4)焊管的临界裂纹扩展工作压力P与α、β、σs、k IC有关

2-5质量分析

2-5-1螺旋缝埋弧焊钢管的缺点

(1)没有母材的100%无损检测,管体的内在质量难保证。

(2)丁字焊缝存在缺陷的概率较高。

(3)焊管生产线较长,产生母材压坑,划伤等缺陷较多。

(4)边成型边焊接的动态生产工况易产生错边、开缝、管径变化以及动态工况加上在空间曲面上的焊点位置

的影响,易产生各种焊接缺陷。

(5)存在较复杂的残余应力, 如成型卷曲过程中产生的弯曲应力、扭曲应力以及自由边变形较充分,递送边

被迫变形产生的应力,内、外焊接产生的残余应力等,其残余应力的分布、量值大小变化较大,螺旋缝焊管又不易消除残余应力,因此影响管线的寿命。

(6)焊缝长,为管长的1.3～2.3倍,增加产生缺陷的概率。

(7)焊速较高, 产生焊接缺陷的概率高。

(8)输送酸性天然气时会损坏埋弧焊缝。

2-5-2螺旋缝埋弧焊管的优点

(1)由于冲击值的各向异性, 使其开裂的最大驱动方向避开了最小断裂阻力方向。

(2)由于强度的各向异性, 使其垂直螺旋焊缝方向的强度薄弱方向避开了主应力方向。

2-5-3直缝埋弧焊管的缺点

(1)主应力方向和垂直焊缝的强度薄弱方向一致。

(2)开裂的最大驱动方向和最小断裂阻力方向一致。

2-5-4直缝埋弧焊管的优点

(1)母材的100%超声检测,保证了管体的内在质量。

(2)没有拆卷——圆盘剪的工序,材压坑、划伤少。

(3)焊接是在成型完成后,在水平位置沿直线进行的,因此,错边、开缝、管径周长控制较好,焊接质量优

良。

(4)消除应力后的成品管基本上不存在残余应力。