螺旋焊管剩磁机理及剩磁综合控制措施

本文分析了螺旋埋弧焊管磁化的原理、剩磁对螺旋埋弧焊管检测及施工的影响；提出了减小、消除螺旋埋弧焊管剩磁的主要措施，分析对比了焊管现场消磁作业的几种方法，提出了优化的剩磁综合控制及消磁技术方案。

在螺旋埋弧焊管生产过程中，由于母材(热轧钢带卷)为铁磁性材料(热轧管线钢属于低合金钢)、焊接过程产生强磁场等原因，容易在钢管上产生磁场强度较高的剩磁(可高达100Gs以上)，实际生产中，如果消磁效果不理想，即易造成产品剩磁缺陷,这不仅会影响X射线检测(磁干扰导致图像扭曲)，而且由于剩磁主要集中于管端，导致在钢管的对接施工环形焊接作业中，很容易产生“磁偏吹”现象，造成电弧相对焊缝发生偏移，影响整个管线安装焊接质量。本文着重探讨螺旋埋弧焊管生产过程中剩磁产生原因，以及减小、消除螺旋埋弧焊管剩磁的主要措施，分析、比较、汇总焊管现场施工中减小剩磁影响的各种焊接作业方法。

1剩磁的产生及影响

1.1剩磁的产生

从磁性角度出发，材料分为铁磁物质与非铁磁物质；铁磁物质在外磁场作用下，其磁畴、磁炬会从各个不同的方向转到磁场方向或接近磁场方向，从而在磁场方向形成合量，对外显示出磁性；铁磁物质的另一特征是磁滞，即磁化场作用停止后，铁磁物质仍保留磁化状态。

图1为铁磁物质的磁感应强度B与磁化场强度H之间的关系曲线。坐标原点0表示磁化之前物质处于磁中性状态，即B=H=0,当磁场H从零开始增加时，磁感应强度B随之缓慢上升，如线段0a所示，继之B随H迅速增长，如ab所示，其后B的增长又趋缓慢，并当H增至Hs时B达到饱和值Bs，0abs称为起始磁化曲线。图1表明当磁场从Hs逐渐减小到零，磁感应强度B并不延起始磁化曲线恢复到“0”点，而是沿另一条新的曲线SR下降，这种现象称为磁滞，磁滞的显著特征是当H=0时B不为零，而保留剩磁Br。当磁场反向从0逐渐变至-Hc时，磁感应强度B消失，说明要消除剩磁必须施加反向磁场，Hc称为矫顽力，它的大小反映铁磁材料保持剩磁状态的能力，线段RC称为退磁曲线。

当初始状态为H=B=0的铁磁材料在交变磁场由弱到强依次进行磁化，可以得到面积由小到大向外扩张的一族磁滞回线，如图2所示，这些磁滞回线顶点的连线称为材料的基本磁化曲线。相反，H和B由某一数值逐渐减弱到零的过程称为消磁曲线，如图3所示。

1.2螺旋埋弧焊管的磁化

工程材料按磁性材料分类，可分为顺磁材料、抗磁材料、铁磁材料。铁磁材料内部每个分子因分子电流运动形成一个分子磁矩，由于其内部分子均匀地不规则分布对外宏观不显示出磁性特性，但在外界因素(磁场或外力)作用下内部分子呈规律排列，对外宏观呈现出磁性，这种现象称为磁化。

在螺旋埋弧焊管生产过程中，在焊接时由于采用较大的直流电流(使用DC1500型焊机时，可高达1350A),有条件形成强磁场。螺旋埋弧焊管用管线钢添加了镍等合金元素，是一种典型的铁磁物质；故所焊接的钢管将不同程度被磁化。

剩磁可以用高斯计来测量，生产过程控制不当或运输存放过程影响；剩磁可能达100Gs以上，而由于40Gs以上就对焊接产生影响。GB 9711-2011《石油天然气工业管线输送用钢管》标准规定：“钢管每一端沿周向大约相距90度测量4个读数。当用霍尔效应高斯计测量时，4个读数的平均值应当≤3.0mT(30Gs)，且任一读数不应超过3.5mT(35Gs)，或者当采用其他类型仪器测量时，测量值应不超过上述值的等效值。”

1.2.1直的通电电缆形成的磁场

在螺旋埋弧焊管成型焊接过程中,焊机输出接地线、焊机输出接工件线可分别看成一根直的通电电缆。根据电磁学原理，在它们周围P点产生磁感应强度如图4所示。

当r>R时，Bp=μ0 I/2πr

式中：J-电流面密度；Bp-P点的磁感应强度；

μ0-真空磁导率；I-通电电流。

方向：沿J×r方向；

从公式中可以得出一根通电导线周围的P点产生的环形磁感应强度Bp与电流I成正比，与导线中心距离r成反比。可见焊接电流越大，离焊机输出线越近，它们产生的磁感应强度B越大，磁场强度H就越大，钢管就越容易被磁化。

1.2.2环形线圈形成的磁场

在螺旋埋弧焊管成型焊接过程中，焊机、焊机输出接地线、焊机输出接工件线、钢管几者形成一个通电闭合线路。在焊接时，它可以看做一根环形通电线圈，这个通电闭合线路会产生一个磁场，根据电磁学原理它在P点产生的磁感应强度如图5所示。

Bp=μ0 R2 I/2(R 2+χ2)3/2

式中：J-电流面密度；Bp-P点的磁感应强度；μ0-真空磁导率。

方向：沿轴线，与电流流向成右手螺旋关系可见焊机、焊机输出接地线、焊机输出接工件线、钢管几者形成闭合通电线圈半径R越小，离线圈中心距离χ越小，磁感应强度B越大，从而磁场强度H越大，钢管被磁化越厉害，剩磁产生就越高。

1.3剩磁的分布状态及强度

根据磁场的分布规律，螺旋埋弧焊管剩磁分布如图6所示。

磁力线是闭合曲线在磁体外部由N极到S极，在磁体内部由S极到N极；磁力线上任意一点切线的方向就是磁场的方向；磁力线越密，磁场强度越大。钢管两端分别为N极与S极，两端特别是坡口钝边处的磁场最强。

1.4剩磁的不利影响

1.4.1对X射线工业电视成像的影响

X射线不带电，所以剩磁对X射线检测没有影响；但是，螺旋埋弧焊管生产中均采用X射线工业电视在线检测，而剩磁对其图像增强器内电子运动轨迹必然产生影响，使其发生偏移导致钢管两端出现图像扭曲现象，如图7所示，形成管端检测盲区。特别是在生产大壁厚钢管，采用较大焊接电流时剩磁干扰尤其严重，从而影响检测质量。

1.4.2对焊接施工的影响

(1)对电弧和熔池的影响：焊接电弧是一种持续的电弧放电现象，是等离子体。一般情况下，在各种电弧力的作用下，由焊机到母材焊接电弧呈圆锥状。但是在外加磁场作用下，电弧形态发生明显偏离，即会产生磁偏吹现象。由于电弧形态和金属运动状态的变化使焊接熔池形状改变。熔池中的液态金属在磁偏吹的作用下前端的沿一侧向后端移动，而后端的沿另一侧向前端移动；即产生熔池旋转。由于熔池前后的温度不同，使得焊缝两侧的受热不同，从而导致焊缝形状不同，且热影响区的组织和机械性能也不同；

(2)对焊缝组织和性能的影响：根据凝固理论，晶粒组织和尺寸受形核率和过冷度的影响。对于一定成分的合金，其固有的造成成分过冷的溶质富集层宽度由液相温度梯度和冷却速度两个因素决定，而磁场产生的偏吹及熔池旋转，使得焊道两侧的液相温度梯度和冷却速度不同，溶质分布、即异质形核粒子浓度不同，从而导致形核率不同、成分过冷度不同。

使得焊缝两侧组织的大小形态不同，力学性能下降；

(3)对焊接缺陷的影响：磁偏吹使电弧燃烧不稳定，从而加在电弧上的作用力也不稳定；会造成咬边、未焊透、未熔合。磁偏吹也能破坏电弧周围的保护气氛，造成气孔。

2螺旋埋弧焊管生产过程剩磁控制措施

2.1剩磁减弱措施

根据节1.2的分析可以得出，在螺旋埋弧焊管生产过程中，焊机、焊机输出接线、钢管几者组成的闭合通电线圈形成的磁场和焊机输出通电线形成环形的磁场是焊管被磁化，产生剩磁的主要原因，可见焊机输出接地线和输出焊接线布线形式对钢管剩磁产生重要影响，因此解决螺旋埋弧焊管机组钢管剩磁应采取以下主要措施：

(1)焊机输出接地线和焊机输出焊接线的布线，避免形成环形通电线圈；

(2)焊机输出接地线和焊机输出焊接线尽可能远离钢板、钢带卷、成型器、钢管；

(3)焊机输出接地线和焊机输出焊接线尽可能一起布线，由于焊机输出接地线和焊机输出焊接线的电流相反，它们产生环形磁场可以相互抵消一部分，进一步减小钢管剩磁。

2.2剩磁消除措施

2.2.1消磁原理

根据剩磁产生的机理，采用高温或震动的方法破坏铁磁体的中磁畴有序排列即可对钢管进行消磁；但这两种方法都不便在钢管生产线上实施。根据1.2图3的原理将铁磁体置于幅值大于矫顽力Hc的交变衰减的磁场中，即可对钢管有效地消磁。在焊管实际生产中，通常在钢管传输辊道上安装一消磁线圈，只要钢管在传输过程中通过该线圈，即可达到消磁的目的。

2.2.2消磁装置

消磁使用装备由交流弧焊电源(一般用交流焊机)、消磁线圈、控制柜组成。

线圈以木制龙骨上缠绕25mm 2焊接电源线组成，线圈缠绕的匝数为20～30匝。

交流弧焊电源：额定电流为630A而实际使用时开在450A左右，并可进行调节。

2.2.3消磁装置的安装位置

剩磁影响管端加工、磁粉检测及X射线电视检测；所以，消磁装置一般安装在螺旋埋弧焊管流转线上管端加工(平头倒棱)前的位置。

2.2.4消磁效果

表1是实际生产中，使用在线消磁这一方法的实际效果取得的一组数据。此数据均为钢管通过消磁线圈一次后得到的数据，其中有两根钢管第一次通过后稍高一些，在第二次通过后磁性均降至30Gs以下。

2.3 X射线工业电视检测的磁校正

由1.4.1所述，剩磁对X射线工业电视检测的影响，可以采取磁校正的方法。该装置有磁校正线圈、交流调压器、转换开关和整流桥等构成，磁校正线圈置于图像增强器下端。此线圈产生一个与钢管剩磁相对立的磁场，从而实现校正的目的。当钢管达到检测位置时，接通线圈，此时才产生校正磁场，根据实际情况可通过微调交流调压器以使图像达到最佳效果，校正后的图像如图3所示。当检测到钢管的另一端时，通过转换开关换向，检测结束后再将转换开关回零，避免图像增强器长期处于校正磁场中。

3焊接施工现场减小剩磁影响的措施

3.1焊接施工现场减小剩磁影响的原理

根据磁场理论，一是方向相反的磁场将互相抵消；二是磁力线总是沿着磁阻最小的路径通过。两根钢管焊接施工时采取施加方向相反的外加磁场、对口间隙分段插入金属楔块、最好为高导磁材料如矽钢片等，将对口磁场强度降到35Gs以下，再采取分段短弧退焊的方法就能有效的减小剩磁对焊接质量的影响。

3.2焊接施工现场减小剩磁影响的施工方法

3.2.1管端缠绕焊接电缆线法

管线钢管安装焊接施工多使用直流焊接，可将焊接电缆绕在钢管上，在焊接时形成一通电线圈，即会有磁场产生，只要根据磁场法则，使得线圈的磁场方向与钢管剩磁的方向相反即可。图9管道焊接过程减小剩磁布线照片主机技术要求：

(1)电弧偏移的方向和焊把线螺旋缠绕的方向适用右手螺旋法则：用右手握住螺旋导线，四指所指为电流方向，大拇指所指为磁场的方向。必须按此法则缠绕，否则会适得其反；

(2)焊把线的缠绕匝数要合适，可确保退磁效果；

(3)焊把线缠绕的位置距离坡口边缘不能太远，否则会影响退磁效果；

(4)当环形焊缝焊接一定长度后，两根钢管内磁路已经接通，应适时退出线圈，否则会适得其反。

3.2.2管端放置磁铁抵消法

根据管口剩磁的磁场方向，反向放置2-4块永磁铁(1000GS左右的强磁铁)，调整其距管端的距离(5～10mm处效果最佳)，永磁铁的高磁场可把一个管口的磁极改变，使两个异极管口变成同极。用Gs计测量管口的磁场强度，当施焊段的磁场强度均在30Gs以下时即可焊接。

3.2.3钢管剩磁反向布置法(同极法)

根据磁场反向抵消原理，管线施工前，逐根测量每根钢管的剩磁磁场的大小和方向；布管过程中管端剩磁磁场由小到大，且每一对管口磁场方向相反的原则布置即可。具体做法为：在布管前，用高斯计测出每根钢管两端的磁极和强度(Gs)，用记号笔在钢管管端标记(例S-50或N-40)，如果第一根钢管与第二根钢管相邻的管端为N极，则以第二根钢管N极与之对接，第二根钢管S极对接第三根钢管S极，以此类推。如所测整批钢管剩磁强度比较集中，则不需考虑强度对应，如比较离散，则可采用“高N对高N，高S对高S，低N对低N，低S对低S”的排列法布管。

3.3几种现场消磁方法的优劣对比

缠线圈法的缺点是作业效率太低，往往焊接一个焊口需要十几分钟将焊接线缠上，并且缠绕方向出错的话会加重磁偏吹的情况，而且因为增加了焊接电源线的长度加大了电阻，但对厚壁钢管最为有效。

磁铁抵消法方便，且使用较为经济，操作熟练的话，需十几秒就能将管口剩磁抵消。然而磁铁消磁的影响范围较小且影响深度有限，所以对壁厚较厚的钢管消磁效果不好。

同极法对比国内外曾经使用过的消磁方法有其更为直接且安全的优势，但需要批量较大的钢管，提前测量磁场强度与方向并据此布管。

3.4优化的综合控制消磁技术方案

综上所述，几种消磁方法各有各自的优点和缺点，所以我们将剩磁钢管的处理分为以下几个步骤：

(1)对刚产出的钢管进行在线消磁，解决大部分钢管剩磁高的问题；

(2)对运到施工现场后磁力发生反弹的钢管将磁极标识清楚，然后按同极相对的原则布管，此法可解决大批量剩磁超标的钢管对接问题；

(3)对于已开始对口作业无法调头的钢管可使用磁铁局部影响的办法解决，此法用于解决小批量管壁较薄或已无法调头的钢管剩磁问题；

(4)对剩磁较大或者壁厚较厚的钢管，可使用管端缠绕线圈的方法操作来解决；

(5)根据施工现场的情况，还可在管口间隙分段插入高导磁材料，也可产生显著消磁效果。

4结束语

综上所述，在螺旋埋弧焊管生产过程中可以通过合理布线等措施大大减少钢管的剩磁，但不可能完全消除钢管本身因为焊接等原因产生的剩磁。故在钢管下线后，在钢管流转作业线上加消磁线圈进行通电消磁也可很大程度减少钢管的剩磁，使其符合出厂剩磁检验的要求。在管线安装焊接作业中，经过我们多次实践证实，只要按照本文所推荐的综合控制消磁技术方案，综合实施优化的消磁作业，就能有效、快速、简便地解决困扰钢管安装焊接的剩磁问题。