浅析塑性反变形法在海洋钢结构管预制过程中的应用

蔡振璐+邓梦东+刘佰明+张博

摘 要：海洋钢结构结构管的预制在海洋钢结构建造过程中占有相当大的比重，在组块的建造中钢结构管的预制工作量的35%，而在导管架的预制过程中钢结构管的预制占总体预制工作量的85%，所以提高钢结构管的预制工作效率是制约海洋钢结构建造水平的重要因素。在实际的卷制过程中，纵缝为单V型坡口的结构管预制完成后在纵缝的位置出现焊接变形，文章就此问题进行研究，分析变形原因，计算理论变形，通过现场多次实验归纳总结，提出解决方案，很好的解决了此类问题。

关键词：塑性；焊接；结构管；反变形

引言

在海洋钢结构管的预制过程中，板材经过下料、压头/预弯、卷制后需要焊接纵焊缝，根据规范要求，管径在30'以下，厚度小于25mm的卷制管的纵缝坡口形式为单V坡口，此类管件经过焊接后在焊缝位置都会出现不同程度的变形，导致需要后期进行机器调圆、人工修补等过程，浪费了较多的人力物力。

1 海洋钢结构管材纵缝焊接变形问题

在钢管的焊接过程中对管材进行了局部、不均匀的加热是产生焊接应力及变形的主要原因，在焊接时焊缝和焊缝附近受热区的金属发生膨胀，由于四周较冷的金属阻止这种膨胀，在焊接区域内就会发生压缩压力和塑性收缩变形，因此会产生不同程度的横向和纵向收缩，由于管材的横截面为一个圆，导致钢管的变形会沿着半径向外扩张，导致形成一个“梨”形的钢管。

焊接变形收缩是一个比较复杂的问题，钢管的纵焊缝对接变形量与坡口形式、对接间隙、焊接线的能量、管材壁厚、焊缝的横截面面积等因素息息相关，一般坡口大、对接间隙大、焊缝截面积大，焊接能量也大，则焊接变形大。而单V坡口受热不均，焊接变形相对于双面坡口也要大一些。

焊接手册、焊接变形计算及相关规范单V坡口对接焊缝的横向收缩工式：

Y=1.01*e0.0464x

y：收缩近似值；e：2.718282；x：板厚

同时考虑钢管的受热膨胀，受热膨胀计算公式：

△δ=α×（T2-T1）×D

α-碳钢线膨胀系数；（T2-T1）为升高的温度差；D-管材直径

综合考虑以上两个公式，得出钢管在焊接过程中的焊接变形与实际现场测量的焊接变形对比（见下表所示）：

注：实际测量值取焊接后多个杆件变形尺寸的算术平均值

根据上述统计可以看出随着管径、壁厚的增加焊接变形也逐渐增加，而且实际施工中的变形比理论变形大，这主要是由于焊接环境温度与理论温度有偏差，同时也存在人为操作的过失误差，测量的误差等等。

2 应用反向变形法修正卷制管的焊接变形

按照API 2B规范中对卷制管纵缝的要求上述焊接变形是不允许的，为此本公司经过理论研究、多次试验总结归纳出一套以反向变形法进行焊接的工艺技术。

反向变形法是生产中最常用的方法之一，在焊前先将工件向与焊接变形相反的方向进行人为的变形，以达到防止焊接变形的目的。

在管材卷制流程中的压头阶段，将压头的尺寸增加，使增加的尺寸与焊接后变形的尺寸相同，这样就可以将焊接变形的尺寸控制在规范要求的范围内，为达到这个目的首先要确认将钢管反向变形多少尺寸才可以满足要求，如果反向变形小就达不到理想的效果，如果反向变形大则会发生沿着反向变形方向产生焊接变形的现象。

经过多次试验得出不同管径壁厚下的反向变形量，反向变形可以通过修改压头模具尺寸来实现，见下表所示：

上表中修改的管径尺寸为压头靠近焊缝一侧的曲率，而压头远离焊缝一侧的曲率应该按照原有尺寸不变。同时也需满足制管压头设计能力计算公式：

D[mm]：制管外径；T[mm]：制管壁厚；B[mm]：制管单节长；σs[MPa]：制管板材弹性极限

P[KN]：压力机压力（可以取最大公称力）

所有卷管压头的实际尺寸均应考虑材料的弹塑性变形，其公式为：

r：实际弯曲半径（mm）；r0：理论半径（mm）；t：管厚（mm）

3 结束语

钢结构管单V坡口纵缝焊接容易产生较大变形，这种变形是由于管材的特殊结构形式、焊接受热、以及现场施工多方面因素引起的。

为避免因为此类问题而进行的后续修补工作，经过理论计算以及现场试验，总结出一套可行的方法，即通过修改管件压头模具曲率，使坡口区域反向变形，通过焊接时材料的焊接变形自行回圆的方法。

在施工的过程中同样应注意反向变形的取值，压头机的工作性能以及钢管的弹塑性变形等因素，同时焊接时不同的焊接温度也会导致管材焊接变形的尺寸变化。endprint

摘 要：海洋钢结构结构管的预制在海洋钢结构建造过程中占有相当大的比重，在组块的建造中钢结构管的预制工作量的35%，而在导管架的预制过程中钢结构管的预制占总体预制工作量的85%，所以提高钢结构管的预制工作效率是制约海洋钢结构建造水平的重要因素。在实际的卷制过程中，纵缝为单V型坡口的结构管预制完成后在纵缝的位置出现焊接变形，文章就此问题进行研究，分析变形原因，计算理论变形，通过现场多次实验归纳总结，提出解决方案，很好的解决了此类问题。

关键词：塑性；焊接；结构管；反变形

引言

在海洋钢结构管的预制过程中，板材经过下料、压头/预弯、卷制后需要焊接纵焊缝，根据规范要求，管径在30'以下，厚度小于25mm的卷制管的纵缝坡口形式为单V坡口，此类管件经过焊接后在焊缝位置都会出现不同程度的变形，导致需要后期进行机器调圆、人工修补等过程，浪费了较多的人力物力。

1 海洋钢结构管材纵缝焊接变形问题

在钢管的焊接过程中对管材进行了局部、不均匀的加热是产生焊接应力及变形的主要原因，在焊接时焊缝和焊缝附近受热区的金属发生膨胀，由于四周较冷的金属阻止这种膨胀，在焊接区域内就会发生压缩压力和塑性收缩变形，因此会产生不同程度的横向和纵向收缩，由于管材的横截面为一个圆，导致钢管的变形会沿着半径向外扩张，导致形成一个“梨”形的钢管。

焊接变形收缩是一个比较复杂的问题，钢管的纵焊缝对接变形量与坡口形式、对接间隙、焊接线的能量、管材壁厚、焊缝的横截面面积等因素息息相关，一般坡口大、对接间隙大、焊缝截面积大，焊接能量也大，则焊接变形大。而单V坡口受热不均，焊接变形相对于双面坡口也要大一些。

焊接手册、焊接变形计算及相关规范单V坡口对接焊缝的横向收缩工式：

Y=1.01*e0.0464x

y：收缩近似值；e：2.718282；x：板厚

同时考虑钢管的受热膨胀，受热膨胀计算公式：

△δ=α×（T2-T1）×D

α-碳钢线膨胀系数；（T2-T1）为升高的温度差；D-管材直径

综合考虑以上两个公式，得出钢管在焊接过程中的焊接变形与实际现场测量的焊接变形对比（见下表所示）：

注：实际测量值取焊接后多个杆件变形尺寸的算术平均值

根据上述统计可以看出随着管径、壁厚的增加焊接变形也逐渐增加，而且实际施工中的变形比理论变形大，这主要是由于焊接环境温度与理论温度有偏差，同时也存在人为操作的过失误差，测量的误差等等。

2 应用反向变形法修正卷制管的焊接变形

按照API 2B规范中对卷制管纵缝的要求上述焊接变形是不允许的，为此本公司经过理论研究、多次试验总结归纳出一套以反向变形法进行焊接的工艺技术。

反向变形法是生产中最常用的方法之一，在焊前先将工件向与焊接变形相反的方向进行人为的变形，以达到防止焊接变形的目的。

在管材卷制流程中的压头阶段，将压头的尺寸增加，使增加的尺寸与焊接后变形的尺寸相同，这样就可以将焊接变形的尺寸控制在规范要求的范围内，为达到这个目的首先要确认将钢管反向变形多少尺寸才可以满足要求，如果反向变形小就达不到理想的效果，如果反向变形大则会发生沿着反向变形方向产生焊接变形的现象。

经过多次试验得出不同管径壁厚下的反向变形量，反向变形可以通过修改压头模具尺寸来实现，见下表所示：

上表中修改的管径尺寸为压头靠近焊缝一侧的曲率，而压头远离焊缝一侧的曲率应该按照原有尺寸不变。同时也需满足制管压头设计能力计算公式：

D[mm]：制管外径；T[mm]：制管壁厚；B[mm]：制管单节长；σs[MPa]：制管板材弹性极限

P[KN]：压力机压力（可以取最大公称力）

所有卷管压头的实际尺寸均应考虑材料的弹塑性变形，其公式为：

r：实际弯曲半径（mm）；r0：理论半径（mm）；t：管厚（mm）

3 结束语

钢结构管单V坡口纵缝焊接容易产生较大变形，这种变形是由于管材的特殊结构形式、焊接受热、以及现场施工多方面因素引起的。

为避免因为此类问题而进行的后续修补工作，经过理论计算以及现场试验，总结出一套可行的方法，即通过修改管件压头模具曲率，使坡口区域反向变形，通过焊接时材料的焊接变形自行回圆的方法。

在施工的过程中同样应注意反向变形的取值，压头机的工作性能以及钢管的弹塑性变形等因素，同时焊接时不同的焊接温度也会导致管材焊接变形的尺寸变化。endprint

摘 要：海洋钢结构结构管的预制在海洋钢结构建造过程中占有相当大的比重，在组块的建造中钢结构管的预制工作量的35%，而在导管架的预制过程中钢结构管的预制占总体预制工作量的85%，所以提高钢结构管的预制工作效率是制约海洋钢结构建造水平的重要因素。在实际的卷制过程中，纵缝为单V型坡口的结构管预制完成后在纵缝的位置出现焊接变形，文章就此问题进行研究，分析变形原因，计算理论变形，通过现场多次实验归纳总结，提出解决方案，很好的解决了此类问题。

关键词：塑性；焊接；结构管；反变形

引言

在海洋钢结构管的预制过程中，板材经过下料、压头/预弯、卷制后需要焊接纵焊缝，根据规范要求，管径在30'以下，厚度小于25mm的卷制管的纵缝坡口形式为单V坡口，此类管件经过焊接后在焊缝位置都会出现不同程度的变形，导致需要后期进行机器调圆、人工修补等过程，浪费了较多的人力物力。

1 海洋钢结构管材纵缝焊接变形问题

在钢管的焊接过程中对管材进行了局部、不均匀的加热是产生焊接应力及变形的主要原因，在焊接时焊缝和焊缝附近受热区的金属发生膨胀，由于四周较冷的金属阻止这种膨胀，在焊接区域内就会发生压缩压力和塑性收缩变形，因此会产生不同程度的横向和纵向收缩，由于管材的横截面为一个圆，导致钢管的变形会沿着半径向外扩张，导致形成一个“梨”形的钢管。

焊接变形收缩是一个比较复杂的问题，钢管的纵焊缝对接变形量与坡口形式、对接间隙、焊接线的能量、管材壁厚、焊缝的横截面面积等因素息息相关，一般坡口大、对接间隙大、焊缝截面积大，焊接能量也大，则焊接变形大。而单V坡口受热不均，焊接变形相对于双面坡口也要大一些。

焊接手册、焊接变形计算及相关规范单V坡口对接焊缝的横向收缩工式：

Y=1.01*e0.0464x

y：收缩近似值；e：2.718282；x：板厚

同时考虑钢管的受热膨胀，受热膨胀计算公式：

△δ=α×（T2-T1）×D

α-碳钢线膨胀系数；（T2-T1）为升高的温度差；D-管材直径

综合考虑以上两个公式，得出钢管在焊接过程中的焊接变形与实际现场测量的焊接变形对比（见下表所示）：

注：实际测量值取焊接后多个杆件变形尺寸的算术平均值

根据上述统计可以看出随着管径、壁厚的增加焊接变形也逐渐增加，而且实际施工中的变形比理论变形大，这主要是由于焊接环境温度与理论温度有偏差，同时也存在人为操作的过失误差，测量的误差等等。

2 应用反向变形法修正卷制管的焊接变形

按照API 2B规范中对卷制管纵缝的要求上述焊接变形是不允许的，为此本公司经过理论研究、多次试验总结归纳出一套以反向变形法进行焊接的工艺技术。

反向变形法是生产中最常用的方法之一，在焊前先将工件向与焊接变形相反的方向进行人为的变形，以达到防止焊接变形的目的。

在管材卷制流程中的压头阶段，将压头的尺寸增加，使增加的尺寸与焊接后变形的尺寸相同，这样就可以将焊接变形的尺寸控制在规范要求的范围内，为达到这个目的首先要确认将钢管反向变形多少尺寸才可以满足要求，如果反向变形小就达不到理想的效果，如果反向变形大则会发生沿着反向变形方向产生焊接变形的现象。

经过多次试验得出不同管径壁厚下的反向变形量，反向变形可以通过修改压头模具尺寸来实现，见下表所示：

上表中修改的管径尺寸为压头靠近焊缝一侧的曲率，而压头远离焊缝一侧的曲率应该按照原有尺寸不变。同时也需满足制管压头设计能力计算公式：

D[mm]：制管外径；T[mm]：制管壁厚；B[mm]：制管单节长；σs[MPa]：制管板材弹性极限

P[KN]：压力机压力（可以取最大公称力）

所有卷管压头的实际尺寸均应考虑材料的弹塑性变形，其公式为：

r：实际弯曲半径（mm）；r0：理论半径（mm）；t：管厚（mm）

3 结束语

钢结构管单V坡口纵缝焊接容易产生较大变形，这种变形是由于管材的特殊结构形式、焊接受热、以及现场施工多方面因素引起的。

为避免因为此类问题而进行的后续修补工作，经过理论计算以及现场试验，总结出一套可行的方法，即通过修改管件压头模具曲率，使坡口区域反向变形，通过焊接时材料的焊接变形自行回圆的方法。

在施工的过程中同样应注意反向变形的取值，压头机的工作性能以及钢管的弹塑性变形等因素，同时焊接时不同的焊接温度也会导致管材焊接变形的尺寸变化。endprint