非生产因素对埋弧焊管椭圆度的影响

针对油气输送管线用埋弧焊管生产和使用过程中经常发生椭圆度超标的问题，简要分析了生产因素对钢管椭圆度的影响，着重从非生产因素方面分析了影响钢管椭圆度的主要因素。分析结果认为，钢管椭圆度校正过程、钢管吊运、堆放、环境温度、防腐过程以及测量人员和器具误差等都会影响钢管的椭圆度。最后，从生产过程和第三方检测的角度，提出了钢管椭圆度的控制措施和建议。

在油气长输管线施工中，钢管椭圆度直接影响管端对口的错边量。椭圆度超标容易造成裂纹、残余应力等焊接缺陷，从而影响钢管对接环焊缝的质量。为了满足管端对接的要求，施工人员常常会对钢管管端椭圆度逐根测量，以便进行“级配”处理，这严重影响了施工进度。此外，在深海管线建设中，施工条件对管端椭圆度的要求更高，而管体的椭圆度还会对管道受外压时的抗坍塌能力产生影响。

影响螺旋埋弧焊管椭圆度的生产因素包括：卷制过程中成型角的微调、成型缝隙的内紧外松、钢带强度的不均匀以及钢带对头焊缝的影响等。而直缝埋弧焊管椭圆度则与成型方式（UO或JCO等）、成型步数（JCO）、钢板力学性能均匀性、扩径率、轴向重叠量以及扩径头与管壁的摩擦等有关。

除了生产因素，还有多种非生产因素也会影响钢管的椭圆度。钢管从投料、生产、检验到施工现场的使用过程中，管端椭圆度修复性整圆过程、钢管倒运过程中的吊装和运输方式、钢管在工厂和施工现场的堆放层高和支撑方式、防腐等后续处理工序的温度以及测量人员和仪器的误差等，均有可能影响钢管管端椭圆度。这些非生产因素对钢管椭圆度的影响在直缝埋弧焊管中表现尤为突出，而在进行产品质量分析时容易被忽略。笔者根据对埋弧焊管管端椭圆度的跟踪测量结果，分析了非生产因素在钢管制造和使用各环节对钢管椭圆度的影响，提出了改善和控制措施。

1椭圆度影响因素分析

在钢管生产过程中，影响钢管椭圆度的非生产因素包括钢管吊运、管端椭圆度校正、人员和设备的测量误差等；钢管检验合格后，库房和施工现场的堆放情况、防腐过程、长途运输的保护以及防腐或环境温度变化等也会对钢管椭圆度造成影响。

1.1管端椭圆度校正过程的影响

1.1.1管端椭圆度的校正

在直缝埋弧焊管的生产过程中，不论何种成型方式，都需要经过全长扩径工序。全长扩径工序一方面可以消除或降低成型和焊接过程中形成的残余应力；另一方面可以提高钢管的直径、椭圆度等尺寸精度和钢管整体强度。大多数钢管经全长扩径后，管体和管端尺寸能够满足订货技术条件的要求。但由于一些原因，如钢管碰撞、吊运等造成管端椭圆度超标，就需要采用局部整圆方式对管端椭圆度进行校正。

与螺旋埋弧焊管管端扩径设备不同，直缝埋弧焊管的管端整圆有以下3种形式：模具内撑式、模具外抱式和千斤顶方式。在国内，钢管生产厂家一般采用液压千斤顶或机械千斤顶对管端椭圆度进行校正，如图1所示。

椭圆度校正过程是：根据对钢管初始椭圆度的测量结果，找出管端截面形状的短轴和长轴。将专用千斤顶设备置于钢管内壁，沿截面短轴方向加载，保持一定时间，同时对钢管管端外壁进行敲击促进应力重新分布。钢管管端椭圆度校正方法如图2所示。

1.1.2影响校正后管端椭圆度的因素

类似于焊管的全长扩径，椭圆度校正的管端变形过程也可以分为3个阶段：弹性变形、塑性变形和弹性回复。影响校正后管端椭圆度的因素主要有：管端初始椭圆度误差、加载压力和行程、静置时间等。

（1）管端初始椭圆度

管端初始椭圆度误差的大小将影响校正设备的行程和施加的压力。初始椭圆度越差，校正后回弹的趋势越大，对于外界环境因素的变化（如温度、撞击、震动等）越敏感。

（2）加载压力和行程

加载压力和行程直接影响管端椭圆度校正的效果。管端椭圆度校正的受力和变形过程如图3所示。开始时，管端截面是一个椭圆，千斤顶与短轴两端A，B点接触。开始加载后和A，B两点处曲率变大，C和D两点处曲率变小，短轴AB拉长，长轴CD缩短。继续加载后，短轴变成长轴，长轴变成短轴，管壁产生塑性变形。卸载后，管壁回弹，椭圆度误差缩小。

校正所需的加载压力和行程的大小与钢管的直径、壁厚、材质、初始椭圆度大小等有关。

（3）静置时间

一般认为，当钢管管端椭圆度经过校正后，由于弹性回复有一定滞后，静置一段时间后椭圆度会产生变化。通过跟踪测量发现，在校正后静置2 h，椭圆度就有所变化。对X70级准914 mm×17.5 mm直缝埋弧焊管（JCOE）管端椭圆度进行校正，并检测静置时间对管端椭圆度的影响，结果见表1。对净置时间超过2 h的钢管再次跟踪测量，结果表明这时的椭圆度变化量很小。

1.2吊运方式的影响

国内钢管企业在钢管生产过程中，一般采取吊钩进行钢管的倒运，吊运方式如图4所示。

由图4可以看出，吊钩与钢管管端接触面积很小，钢管在自重作用下，有可能对管端椭圆度造成影响，尤其对于大直径薄壁钢管的影响更为明显。

1.3堆放和运输的影响

在钢管制造标准中，专门规定了水路、陆路运输的最大堆放层数，如标准API SPEC 5L1和API SPEC 5LW等。而有些工厂或者施工现场因场地限制，经常会超过规定层数堆放钢管，如准914mm×17.5mm钢管，标准要求堆放层数应为5层，而实际堆放层数有时会达到6层或更多。在钢管堆放期内，即使堆放层数符合标准要求，但如果堆放时间过长，也会对底层钢管的椭圆度产生影响。对堆放5层、放置3个月的L450级准914 mm×12.7 mm螺旋埋弧焊管的底层钢管进行测量，结果见表2。由表2可见，被测钢管开垛前后的椭圆度均有所变化。

此外，管垛底部支撑物的形式、数量等也会影响钢管椭圆度。

还有一个经常被忽视的现象，即在钢管堆垛时或运输时，将短尺钢管放在底层，由于短尺钢管管端承受上层钢管的重力很大，从而严重影响了短尺钢管的椭圆度。

1.4温度的影响

影响钢管椭圆度的外界条件主要是温度和剧烈撞击，其中温度的影响较大。在钢管制成成品后，温度的变化主要来自天气和防腐层涂敷过程的中频加热。

天气温度变化在南方较明显，昼夜温差最高达到20℃，从施工现场实测结果看，早上和中午管端椭圆度的实测结果最大相差3 mm。

在常规的3PE或FBE涂覆时，要对管体进行中频加热，温度为200～250℃，以使环氧粉末熔化。在对钢管管端椭圆度进行校正时，管端局部存在残余应力。加热过程会造成应力的释放，使得管端椭圆度有向原始状态回归的趋势。分别对X70级准914 mm×22.2 mm直缝埋弧焊管（JCOE）防腐前后的管端椭圆度进行跟踪测量，结果见表3。

1.5测量人员和器具的误差影响

钢管椭圆度的测量有多种方法，制管企业常借助杆规、游标卡尺（包括一些改装的测量工具）、内（外）径卡钳以及直尺等工具进行测量，除此之外，还会用一些非接触测量法（光电、电磁、X射线等方式）进行测量。钢管椭圆度常用测量工具如图5所示。

国内大直径钢管椭圆度的测量较多采用杆规或内径游标卡尺测量，测量点采用“米”字分布，测量4次内径数值，测点沿圆周均匀分布。取其中的最大值和最小值之差作为管端椭圆度的数值。钢管管端椭圆度测量方法如图6所示。实际上，仅测量四个位置很难找到真正的最大值和最小值，无非是从生产效率和测量准确度的折中考虑。从实际情况看，这种测量方法上的误差尚可接受。

另外，对于同一个位置，不同的人测量结果也可能会有所不同。这是由于测量时，要手动寻找直径的最大值，从而造成人为误差。此外，工具的精度、间隙和人员读数等也可能造成椭圆度测量产生偏差。例如，采用直尺测量时，管端的切斜和直尺的精度都会影响椭圆度测量的准确度。

2改善和控制措施

钢管椭圆度问题经常会引起现场施工方和制管厂的质量纠纷。从质量控制的角度，可以采取以下措施降低钢管椭圆度的误差：

（1）校正时，根据初始椭圆度大小，充分考虑反弹问题，在校正时给弹性回复留出一定的裕量，即采用“矫枉过正”的方法。经过校正的钢管椭圆度应以至少静置2 h后的测量数据为准，同时加强跟踪抽查。

（2）钢管吊装时，采用专用真空吸盘式吊具代替吊钩，避免对管端尺寸的影响。真空吸盘式吊具如图7所示。

（3）堆放层数严格计算，避免变形。对于短尺管，在堆放和运输时尽量放在顶层，并随时检查库房堆放的情况。另外一种有效的方法是将钢管按照椭圆度测量结果做标记，保证长轴垂直于地面放置，使得钢管在堆放过程中依靠钢管自重对椭圆度进行“自校正”。

（4）使用合适的测量工具，如杆规，而不使用卡钳、直尺等精度较低的测量器具。测量点数应尽量多，以便尽量逼近管端实际轮廓。

（5）防腐后对椭圆度进行抽查。

3结语

从焊管的生产到现场使用，影响钢管椭圆度的因素较为复杂。而现场对口施工及环焊缝质量又对钢管椭圆度要求较高。因此，在椭圆度的控制方面，首先要从成型、焊接、定径等生产环节进行控制，同时，也不能忽视一些非生产因素对钢管椭圆度的影响。可以考虑从管端椭圆度校正、吊装、堆放、测量方法以及加大出厂抽检比例等方面加强控制，尽量防止因钢管椭圆度问题引发产品质量问题及质量纠纷。