关于特大直径螺旋缝埋弧焊管制造技术研究与应用

仇杰

【摘要】 随着国家城市基础设施建设的大开发、城区面积的快速扩大、城市人口数量剧增，给城市的生产和生活供水造成很大的压力。随着国家统筹城乡综合配套试验区实施，城市现有的供水系统已无法满足日益增加的用水需求。为满足需求保障城乡居民饮水安全，一大批城市自来水厂工程开工建设。本文通过对水厂关键埋件： 特大直径螺旋缝埋弧焊管制造技术研究与应用的制造实践，描述了我技术团队通过不断优化制造技术方案，有效解决制造过程的各项技术难题，确保了特大直径螺旋缝埋弧焊管的制造质量。该项技术应用和市场前景广阔，具有一定指导和借鉴意义，愿与同行技术专家共享。

【关键词】工程概况及应用价值分析；有关制造技术研究策略及研究方法；实施方案及制作工艺措施；钢管成型工艺的实施效果；主要技术经济指标的推广与应用。

一、金属结构制造工程概况与效益分析

该工程供水设计规模为 50×104m3/d，工程高压管其南北大道中穿越河流、铁路、公路等障碍处均采用螺旋缝埋弧焊钢管，总工程量达 35000 多吨，钢管管径最大规格为： D2640×20  mm  (D 外径 ×壁厚)，其直径超过现行国家标准及行业标准中规定的型号规格。

通过对特大直径螺旋缝埋弧焊钢管技术要求的分析，该钢管制造具有质量要求高、 工期紧、生产强度大等特点。在钢管成型、焊接等关键工序创新和制造设备引进、改造 等方面深入开展科学技术研究意义重大。

并且本研究成果可直接应用于市政工程的自来水管网及类似的城市供水、石油天然 气、水电站引水管道以及建筑和桥梁工程的桩基础等工程中使用产品的制造。为建筑工程企业在后续类似工程产品生产实践提供了宝贵经验，其技术应用社会效益显著， 具有广阔的推广应用前景。

二、主要技术难点和关键技术

通过全面系统地研究解决螺旋缝埋弧焊钢管制造中的成型、焊接、焊缝质量检测、 防腐等工序关键技术难题， 实现 D2640mm 钢管的成功制造，主要的技术难点如下：

现有生产线设备无法满足直径 D2640mm 螺旋缝埋弧焊钢管生产要求，如何解决特大 直径螺旋缝埋弧焊钢管制造生产线设备改造及钢管成型、焊接技术，保证钢管质量，实 现特大直径螺旋缝埋弧焊管自动化生产。

三、有关制造技术研究策略及研究方法

3.1 研究策略

技术团队通过收集相关压力钢管制造技术并结合现有国内外对小直径螺旋缝埋弧焊钢管的成型、双丝埋弧焊接技术具有成功的实践案例，对工程制造的技术资料进行归纳、整理、分类、分析， 总结出以往相关的工艺参数，为本项工程的技术研究奠定理论基础。在整个技术研究过程中， 始终贯彻以理论知识为基础，以现场实践为根本，进行技术方案的分析，并以此对本项制造技术研究内容进行优化规划、设计，保证本项目的实施方案结构的科学性、系统性、可行性。 实施过程中通过研究分析，我们改造了螺旋埋弧焊生产线设备，加强原材料质量、成型工艺的控制、严格控制影响焊接质量的因素，改进对影响钢管制造质量的关键制造环节的层层把关，达到钢管的技术质量标准。

3.2 研究方法

依托自来水厂一期工程螺旋缝埋弧焊钢管制造工艺技术，开展技术研究。该技术研究的实施步骤如下：对技术研究的可行性进行论证，制定了技术研究大纲并进行实物调查研究，编写详细了技术方案并进行工程制造实践、形成成果并对成果进行提高：提交专家进行审评、进行成果鉴定和应用推广。

我们技术团队以主要成果及创新点为实现预期研究目标， 技术团队对研究的方案进行了全面的规划，将责任明确分工到每一位技术人员进行技术研究， 在研究过程中对技术研究的重点与难点进行了细致的分析，并阐述了具体的实施办法及取得的成果。

四、实施方案及制作工艺措施

该城市自来水厂一期工程螺旋钢管管径为D2640mm，其直径超过现行国家标准及行业标准中规定的型号规格，为国内最大，而随着钢管管径增大和重量的增加，其成型时的管径、椭圆度及表面质量的控制难度加大，并且对生产线的性能要求更高，而现有生产线设备无法满足生产要求。

钢管成型几何尺寸、外观质量要求合同文件及标准要求较高、并且在成型过中容易受人为操作和原材料质量的影响，成型设备优良和操作的好坏是保证钢管直线度、直径、周长、及椭圆度的尺寸的关键，即通过改进螺旋钢管制造生产线成型装置和优化成型调型工艺参数，有效控制螺旋埋弧焊管直线度、直径、周长、及椭圆度超标，对改善螺旋埋弧焊管的制造质量具有重要意义。

通对现有的螺旋焊管生产线成型装置的结构分析，准备将螺旋焊管生产线成型装置的外控辊机架结构进行扩展并加强；对带钢成型预弯装置进行改造，将每排成型辊数量增加， 解决了成型预弯装置因每排轮辊各小轮辊间间距过大，使带钢自由边悬空，造成带钢边缘受压不够变形不充分而产生“竹节”现象。增加递送机前带钢垂直导向装置的支撑辊数量， 解决带钢连续输送中各方向的摆动产生钢管成型焊缝间隙和椭圆度变化较大现象。通过对成型预弯装置各成型辊之间的参数计算和多次试验调整底部两排成型辊间距尺寸，解决钢管成型的几何尺寸和椭圆度。

4.1 螺旋缝埋弧焊钢管生产线带钢垂直导向装置的研究改造及实施

通过对带钢垂直导向装置(导入台) 的技术研究改造及实施，原螺旋焊管生产线型号D1520mm 上的垂直导向装置(导向台)不能满足特大管径螺旋焊管厚板带钢的导向控制，因为带钢在进入成型台之前，位于递送机前后各有一组带钢垂直导向装置(导向 台) 其上装有支撑辊、作用是保证带钢运动更加平稳，下导辊在高度上是固定的，在使用中只能根据带钢宽度沿横向调整。上导辊即可沿横向调整，也可沿垂直调整。

为了解决了带钢在连续输送过程中因上下、左右各方向的摆动不稳定而造成对钢管 成型焊缝间隙、直径和椭圆度变化较大的现象。根据多次的研究及实践分析，在递送机 和成型机之间增加一组带钢递送后的垂直导向装置(导向台) 的轮辊数量，轮辊为单座双轮φ150mm，辊辊的工作面经过加工和淬火，以保证使用效率和抗耐磨性，轮辊可根据带钢宽度进行伸缩螺杆手动调整，更好的保证了依靠导向装置(导向台) 的轮辊进行钢带摆动稳定递送。完全有效的解决带钢连续输送中各方向的摆动产生钢管成型焊缝间隙和椭圆度。

图1-1 垂直导向装置(导向台)的轮辊改造示意图

4.2 螺旋缝埋弧焊钢管成型装置的带钢预弯成型装置研究改造及实施

研究带钢预弯成型装置，对带钢成型预弯装置进行改造，因带钢成型预弯装置每排 成型辊的长度不够以及辊之间的间距过大，原有的预弯轮辊长度只能满足 1520 ㎜钢管 的成型预弯，预弯装置只有 6 个轮辊，导致成型辊因各排辊小辊的间距过大，致使带钢 边缘受压不够引起变形不充分而产生“竹节现象”。现将成型轮辊进行增强改造，预弯 装置由 6 个轮辊，增加到 10 个轮辊，解决了使带钢自由边悬空，造成带钢变形不充分而产生的“竹节现象”，并且满足了大管径 D2640mm 预弯成型质量。

图1-2 成型预弯装置改造示意图

4.3 螺旋缝埋弧焊钢管成型预弯装置参数计算调整及试验研究改造及实施

螺旋焊管生产线能将带钢螺旋卷曲成圆柱形管体，由自动焊设备进行焊接完成，螺旋钢管主要指标是直径、成型的螺旋角，成型指标主要是根据三辊成型原理调整成型器的两下成型辊之的间距及倾斜角度，上辊与下辊之间的距离、成型生产线前桥与后桥的 角度来实现。其螺旋角度是根据带钢宽度，壁厚及管径计算出成型角用以调节各成型辊的位置，计算公式如下：成型角α=arc cos【B/(D-t)∏】，螺旋焊管生产线设计钢管的板 宽范围为 550-2200mm；钢管直径范围为Ф219- Ф3000  mm；成型角调节范围为 40°~ 80°。在生产线改造试验完成后，生产过程中加强生产线设备各部位强度和完整性的检测，以及原材料的几何尺寸，特别是钢板宽度和侧面直线度的检测，结合成型生产线的成型角度的微调来控制焊缝间障、直径、椭圆度的偏差，加强检测数据的分析总结原材料、成型角度参数的变化对成型质量的影响。钢管在成型器上进行三辊成型，并由外控辊控制，成型系统可保证所生产的钢管直径达到设计及标准规定的公差范围。

图1-3 三辊成型预弯装置及参数示意

4.4 螺旋缝埋弧焊钢管成型装置外控架的研究改造及实施

通对现有的螺旋焊管生产线成型装置的结构分析，结合钢管材料的强度和需要弯曲 的半径，认为螺旋缝埋弧焊生产线拆卷、校平、剪板对接的部位能满足钢管生产，而在 生产线的成型预弯装置、外控辊架、递送导向装置部位影响钢管的成型外观质量、成型 几何尺寸、焊缝质量。

在建工程和市场对直径 D1520mm 以上的螺旋缝埋弧钢管的需求较小，外控辊的结构尺寸是根据常用批量钢管的直径设计的，外控辊在成型中主要起控制成型钢管出成型辊时在生产线上向前推进时的各方向摆动从而保证钢管的间隙和对钢管的椭圆度的控制，根据钢管的直径通过研究采用对螺旋焊管生产线成型装置的外控辊机架结构进行扩展，采用计算机辅助设计根据钢管尺寸和外控架上的辊轮结构确定外控架的立柱高度和横梁的长度实现整个框架结构尺寸保证钢管的通过性，并经计算对相应部位加强。对控制辊的数量进行增加，有利于控制钢管的椭圆度，将成型外控轮辊装置数量由6个增加到8个，在成型外控装置钢管腰部两边位置，各增加 1 个可调节轮辊，更好的控制钢管在成型后的摆动，满足特大管径 D2640mm 直径的钢管生产。

图1-4 生产线的外控辊机架改造前结构示意图

图1-5 生产线的外控辊机架改造后结构示意图

4.5 螺旋缝埋弧焊管成型焊接采用双丝埋弧自动焊接技术研究及实施

螺旋缝埋弧焊管成型焊接采用双丝埋弧自动焊接技术，其主要工艺参数包括极性、 电流、电压、焊速以及焊丝直径、焊丝直径的间距和倾斜度等。焊接电流有交流和直流 两种，前丝采用φ4.0mm 焊丝，而后丝采用φ3.2mm。焊丝与焊剂的配合原则基本上与单丝焊时相同，但应注意的是选用焊剂也应适应于交流焊接，并适应于较高的焊接速度为宜。直接焊接时比交流焊接时电弧稳定。交流焊接时，由于极性交替变化，故无需选择极性， 直流焊接时，应根据工艺要求选择合适的极性。根据钢管生产日产量及焊缝的内外部质量， 焊接采用埋弧焊内外焊道同时进行。板厚内焊单丝埋弧焊、外焊双丝埋弧焊，可以保证焊缝内部质量、外观质量，提高焊接效率。双丝埋弧焊接具有以下优点(相对于单丝埋弧焊)：

(1)减少局部夹杂和焊缝气孔数量；

(2)提高焊缝中心区的韧性；

(3)可适应较大壁厚的钢管焊接。

针对大型管径螺旋缝埋弧焊接钢管的结构，采用沿焊接方向前后串列的双丝埋弧自 动焊，制定完善的焊接技术工艺，通过理论技术分析和生产技术实践验证，可以使每根 焊丝承担一个较单纯、特定的工艺要求，并根据各自特定的工艺要求，选择合理的焊接 参数， 达到高效率、高质量的目的；不仅从理论上论证了双丝埋弧焊是改善焊接方法的 有效措施，在实际生产成型制造过程中该工艺具有较大优越性，既满足质量要求又提高了生产效率，成型焊接效率及焊接质量有了很大提高。

图1-6 螺旋缝埋弧焊接钢管成型及焊接示意图

五、钢管成型工艺的实施效果

通过研究解决螺旋缝埋弧焊钢管生产线成型装置研究改造技术研究与应用科研课题组成员的共同努力，不断的总结改进成型工艺参数和管理，成功解决了特大直径螺旋缝埋弧焊钢管成型技术。经研究解决螺旋缝埋弧焊钢管生产线成型装置研究改造及工艺实施，其设备改造费用约 30 万元， 与购置大型生产线相比设备改造减少资金投入达 600 多万元， 并且制造的特大型螺旋埋弧焊钢管完全了满足保证了螺旋埋弧焊管的直径、周长、及椭圆度符合设计及质量规范要求、交货期，获得了监理和业主单位的肯定。

图1-7 螺旋缝埋弧焊钢管成型

六、主要技术经济指标

钢管出厂前进行单节进行几何尺寸、焊缝检测质量验收等。钢管制造具有质量要求 高、工期紧、生产强度大等特点。在钢管成型、 焊接等关键工序创新和制造设备引进、 改造等方面深入开展科学技术研究意义重大。通过我公司对螺旋缝埋弧焊钢管生产线设 备、水压试验设备、防腐设备的改造和工序工艺参数的优化，成功制造了直径 D2640 国内最大直径钢管，产品质量优良。

通过对螺旋焊管生产线成型机外控辊装置、带钢预弯、成型装置、带钢垂直导向装 置的改造，成功的解决了 D2640mm 现国内最大直径的钢管生产，制造成型的钢管周长误差≤±0.0035Di(Di 为管内径 mm)；在非受力的自然状态下，同一断面最大直径与最 小直径之差≤0.005  Di；弧长π Di/6 的弧形板量测于管内壁或外壁纵缝处形成的间隙，管端 200mm 处≤2mm、其它部位 ≤ 4mm，技术指标优于标准，焊缝间隙符合焊接要求，解决了钢管的“竹节” 外观缺陷。技术指标优于标准要求。其设备改造费用约 30 万元， 与购置大型生产线相比设备改造减少资金投入达 600 多万元，为实现特大直径螺旋缝埋弧焊接钢管制造提供了强有力的技术保障，创造产值达 2.6 亿多元。

七、结束语

该技术研究成果实现了直径（ D2640mm）超过现行国家标准及行业标准的型号规格，为国内最大的特大直径螺旋缝埋弧焊接钢管的制造成功，其为相应的规范修订提供工程应用实例，为在我国市政工程的自来水管网及类似的城市供水、石油天然气、水电站引水管道以及建筑和桥梁工程的桩基础等工程中使用的大直径螺旋缝钢管的制造提供经验，应用和市场前景广阔，具有指导和借鉴意义。

参考文献：

1、张伟 薛伟伟.水利水电工程压力钢管制作技术.东北水利水电. 2013

2、李英会.天湖水电站二期高水头压力钢管制安施工关键技术.陕西水利. 2020

3、中国水利水电第八工程局建筑工程施工管理一体化文件{2023}。

作者简介：

仇杰 ，1982年12月，男，汉族，湖南省宁乡市，大学本科，高级工程师，

研究方向：金属结构制造与安装