螺旋鋼管帶壓開孔應(yīng)力分析

螺旋鋼管是以帶鋼卷板為原材料，經(jīng)常溫擠壓成型，以自動雙絲雙面埋弧焊工藝焊接而成的螺旋縫鋼管。螺旋鋼管將帶鋼送入焊管機(jī)組，經(jīng)多道軋輥滾壓，帶鋼逐漸卷起，形成有開口間隙的圓形管坯，調(diào)整擠壓輥的壓下量，使焊縫間隙控制在1~3mm，并使焊口兩端齊平。

在螺旋鋼管道上進(jìn)行帶壓開孔作業(yè)時，應(yīng)當(dāng)認(rèn)真分析螺旋鋼管的制造以及分類等知識，才能夠在其材質(zhì)上進(jìn)行制定正確的帶壓開孔流程及相應(yīng)的作業(yè)方法，下面簡要介紹一下螺旋 鋼管的分類:

其中承壓流體輸送用螺旋焊縫高頻焊鋼管SY5038-2000，用高頻搭接焊法焊接，用于低壓流體輸送，使用螺旋焊縫高頻焊鋼管。其標(biāo)準(zhǔn)分為：

1.SY/T5037-2008是部標(biāo)，普通流體輸送管道用螺旋縫埋弧焊鋼管

2.GB/T9711.1-2008國標(biāo)，石油天然氣工業(yè)輸送鋼管交貨技術(shù)條件GB/T9711.2B級鋼管較為嚴(yán)格。

3.API-5L美國石油協(xié)會 管線鋼管，其中分為PSL1和PSL2兩個級別。

4.SY/T5040-2008樁用螺旋鋼管 是以熱軋鋼帶卷作管坯，采用雙面埋弧焊接或高頻焊接。

螺旋埋弧焊接鋼管在石油化工、熱力管網(wǎng)及城市給排水工程等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，尤其在長距離輸送石油、天然氣管道中更是普遍采用。油田、氣田管網(wǎng)采用螺旋焊鋼管，具有很高的安全性、耐用性及經(jīng)濟(jì)合理性。

由于螺旋焊鋼管的管徑一般不受板材寬度的限制，可由多種不同規(guī)格板寬的卷板制造，而不需要寬板幅的鋼板，這樣給板材制造、運輸帶來方便，所使用的熱軋卷板比平板鋼成本較低。

螺旋鋼管道帶壓開孔時，螺旋鋼管存在的一個問題就是焊后鋼管產(chǎn)生彈復(fù)，有著向外伸展的內(nèi)應(yīng)力，相當(dāng)于鋼管預(yù)先承受一個周向拉應(yīng)力，該應(yīng)力公產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕、降低鋼管的承壓能力。因此，在螺旋鋼管帶壓開孔前認(rèn)真觀察管道螺旋方向、管道厚度及焊縫間距離是影響我們對管道實施帶壓開孔方案調(diào)整的重要因素。如何在帶壓開孔作業(yè)中有效地消除螺旋鋼管在制造中產(chǎn)生的周向拉應(yīng)力，在帶壓開孔過程中采用何種方法控制管道壁周向開口量變形是需要解決的實際問題。

通過對目前國內(nèi)在役的及普遍采用的螺旋鋼管成型方法進(jìn)行分析，可有效地評估需要進(jìn)行帶壓開孔作業(yè)的螺旋鋼管彈復(fù)量的影響，并有效地消除內(nèi)應(yīng)力。

螺旋埋弧焊接鋼管內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生，這要從鋼管成形生產(chǎn)開始分析。螺旋鋼管采用連續(xù)成型、焊接的方法制造，目前普遍采用內(nèi)承式和外抱式兩種成型方法，成形方法如下面所示：

成型輥與內(nèi)承輥（或外抱輥）組成一個成型器，鋼板沿圖中箭頭所示方向進(jìn)入成型器中，一邊成型一邊焊接。通過調(diào)整成型器可以獲得不同規(guī)格尺寸的鋼管。為防止過量彎曲，三個成型輥與鋼板接觸匯款后的高度一般不能相差太大，廠家都采用不足量成型，鋼管曲率半徑是依靠內(nèi)承輥（或外抱輥）所形成的曲率半徑保證，在內(nèi)承輥（或外抱輥）中鋼板實際上是彈性和塑性混合變形。焊接后的螺旋鋼管沿母線方向剖開后，必然存在著一定周向開口量，即鋼管存在一定的彈復(fù)量，鋼管存在著內(nèi)應(yīng)力。由于內(nèi)應(yīng)力的存在，鋼管外部是拉應(yīng)力。

因此，在管道帶壓開孔過程中，帶壓開孔機(jī)的中心定位鉆頭鉆透管道壁后，其應(yīng)力有所變化，即中心孔洞變形向內(nèi)擠壓，但由于中心定位鉆頭在中心孔內(nèi)旋轉(zhuǎn)和切削，這種應(yīng)力對中心定位鉆的影響逐漸消失。

當(dāng)帶壓開孔套刀對主管道開始切削時，管道壁最高兩處被層層切削后，逐漸實現(xiàn)破壁并形成弧形開口。而隨著套刀的逐漸深入，帶壓開孔套刀的切削點從原來的兩個演變成四個切削點。此時，液壓泵站的輸出功率受切削點增加的影響，旋轉(zhuǎn)力稍有下降（電動開孔機(jī)有較大影響，動力下降明顯）。此時，應(yīng)適當(dāng)加大泵站功率輸出，保證足夠的切削角速度（電動開孔機(jī)只能降低進(jìn)給，延長一倍的開孔時間來彌補(bǔ)功率不足）。此時，若使用鑄造方法制造的帶壓開孔機(jī)，此階段在管道壓力及力矩增加的情況下，容易在鑄造部件的疏松、裂紋等缺陷處炸裂，造成帶壓開孔套刀掉齒及管道帶壓開孔泄漏事故。因此，嚴(yán)禁使用鑄造閥門材料或使用鑄造方法制造的帶壓開孔設(shè)備，避免產(chǎn)生重大的責(zé)任事故和不可挽回的損失。

隨著帶壓開孔套刀的不斷切削和進(jìn)刀總成的作用下，管道壁的切口越來越大。螺旋鋼管的管道壁在制造時所受到的應(yīng)力逐漸釋放，并由于鋼管彈復(fù)量的影響，管道壁逐漸伸展并向帶壓開孔套刀內(nèi)部伸展和延伸。

這些微量的延伸在管道破壁時并不明顯，但隨著管道壁的開口越來越大的影響，這些應(yīng)力集中起來的微量延伸就造成了對帶壓開孔刀內(nèi)壁的壓力。

F=2F1+4F2+4F3+4FN

M=M-M1=EI*(1/R+1/R1+1/RN)

其中F為帶壓開孔套刀應(yīng)力總和，M是指螺旋鋼管開口量總位移。

下一章節(jié)將詳細(xì)講解螺旋鋼管應(yīng)力與開口量以及半徑、厚度等關(guān)系，并提出解決方案。關(guān)注百家號，有問題可以互相交流。