CN117212564A - 变壁厚钢管、加工方法及油气管线连接系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及油气管道技术领域，尤其涉及一种变壁厚钢管、加工方法及油气管线连接系统，旨在解决不等壁厚钢管的连接应力集中大、影响油气管道连接质量的问题。本发明提供的变壁厚钢管，用于连接壁厚不同的第一钢管和第二钢管，变壁厚钢管的外圆直径恒定且与第一钢管和第二钢管的外圆直径相等；变壁厚钢管的内圆直径由一端到另一端逐渐增大；变壁厚钢管两端的内圆直径分别与第一钢管和第二钢管的内圆直径相等。变壁厚钢管的外圆与第一钢管和第二钢管的外圆直径相等，并且两端的内圆分别与第一钢管和第二钢管的内圆直径，消除了壁厚差，从而避免了应力集中，提高了油气管道环焊缝的连接质量。
Description
技术领域
本发明涉及油气管道技术领域，尤其涉及一种变壁厚钢管、加工方法及油气管线连接系统。
背景技术
弯管是压力管道中重要的元件之一，通常处于管路改向处，往往成为管系中的高应力部位，其承受的载荷非常复杂，且刚度低于与之相连的直管，容易以变形形式吸收热胀冷缩的力和力矩。除此之外，由于管系自重、装配过程中产生的偏差以及支撑管系的地基沉降不均等原因，都可能使管道承受弯矩、扭矩、轴向力等外载作用。弯管与直管的连接大多采用焊接方式，焊接过程易产生裂纹、未焊透、未熔合、气孔及夹渣等超标缺陷，造成安全隐患。热煨弯管由于固有的结构减薄，因此油气管线弯管的壁厚大于直管壁厚，造成弯管与直管连接面是不等壁厚连接，容易产生应力集中，是压力管道监督检验、定期检验最重要关注的部位。由于不同地质情况所需的管道壁厚不同，在一类、二类、三类地区分界连接的直管与直管同样存在不等壁厚的连接。
现有的不等壁厚连接方式主要分为有以下几种：
一是等外径连接，即管道的外径相同、内径不同，这种连接方式焊后不便于进入系统内部进修焊缝保持圆滑过渡修磨，会造成管道内壁存在壁厚急剧过渡区产生较大应力集中，严重影响管道系统对于吸收热胀冷缩变形、沉降形式变形等产生的力和力矩，造成安全隐患。
二是等内径连接，即管道的内径相同、外径不同，这种连接方式焊后操作人员可在外部对成形焊缝进修焊缝保持圆滑过渡修磨，这种方式产生的应力集中较等外径连接有所降低，但仍不能消除不等壁厚焊接造成的结构应力。
三是对厚壁管端内圆镗孔后实现焊接处等外径等壁厚连接，将原处于环焊缝位置的不等壁厚焊接，使壁厚变化移动到厚壁管上，并未完全消除结构应力集中，同时需增加相应的镗孔设备用于加工。
随着油气管道建设高速发展，油气管道的安全、平稳运行愈加重要。近些年不乏因环焊缝失效事故造成了重大损失。根据对近年油气管道环焊缝失效事故的统计，超过半数的环焊缝失效发生在不等壁厚钢管对接的环焊缝上。即不等壁厚钢管的连接存在应力集中大，影响油气管道连接质量的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种变壁厚钢管、加工方法及油气管线连接系统，以解决不等壁厚钢管的连接应力集中大、影响油气管道连接质量的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案在于：
一种变壁厚钢管，用于连接壁厚不同的第一钢管和第二钢管，变壁厚钢管的外圆直径恒定且与第一钢管和第二钢管的外圆直径相等；变壁厚钢管的内圆直径由一端到另一端逐渐增大；变壁厚钢管两端的内圆直径分别与第一钢管和第二钢管的内圆直径相等。
进一步的，变壁厚钢管由变壁厚钢板加工成型，变壁厚钢板的厚度由一端到另一端逐渐增大。
本发明的另一方面，提供了一种变壁厚钢管的加工方法，用于加工上述的变壁厚钢管，包括如下步骤：轧制变壁厚钢板；在变壁厚钢板上加工焊接坡口；变壁厚钢板预弯边；JCOE变压下成型；钢管内外焊接；钢管机械动态定径；钢管无损检测。
进一步的，轧制变壁厚钢板步骤中，采用变压下率方式轧制：即将钢板沿轧制方向等分成n份，对每一份均看作常规轧制，轧制每一份钢板时前滑值f和压下率均不相同；
前滑公式为
其中hi为每份轧制时轧制出口厚度，ri为压下率，i＝1，2…n。
进一步的，上坡轧制时，下坡轧制时，/>
其中为楔形倾角，指轧件开始轧入轧辊时轧件和轧辊最先接触的点和轧辊中心的连线与轧辊中心线所构成的圆心角；h为前端入口处厚度；xi为每份轧制时轧制出口到前端入口处的距离。
进一步的，ri＝(Hi－hi)/Hi；
Hi为每段轧制开始前的钢板厚度，Hi在变壁厚轧制的第一道次变壁厚时为恒定值，从变壁厚的第二道次开始为一上道次轧制结束时的实测值。
进一步的，JCOE变压下成型步骤中，采用动态成型方式将变壁厚钢板折弯成钢管，根据不同厚度变形延展差异调整压下量，控制成形完毕后钢管的周长。
进一步的，钢管机械动态定径步骤中，采用动态扩径方式，通过分段加工获得变壁厚钢管：即将钢管等分成长度相等的多段，对每一段分别扩径，每段扩径的直径变化量逐渐减小。
进一步的，钢管无损检测步骤中，变壁厚钢管采用在最大壁厚处φ1.6mm的竖通孔一次波二次波和最小壁厚处φ1.6mm的竖通孔一次波二次波来制作DAC曲线，通过DAC曲线对检测结果进行评判。
本发明的第三方面，提供了一种油气管线连接系统，包括上述的变壁厚钢管，还包括连接于变壁厚钢管两端的第一钢管和第二钢管；第一钢管、第二钢管和变壁厚钢管外径相同；第一钢管与变壁厚钢管小内径一端的内径相同；第二钢管与变壁厚钢管大内径一端的内径相同；钢管与第一钢管、第二钢管焊接连接。
综合上述技术方案，本发明所能实现的技术效果在于：
本发明提供的变壁厚钢管用于连接壁厚不同的第一钢管和第二钢管，变壁厚钢管的外圆直径恒定且与第一钢管和第二钢管的外圆直径相等；变壁厚钢管的内圆直径由一端到另一端逐渐增大；变壁厚钢管两端的内圆直径分别与第一钢管和第二钢管的内圆直径相等。
由于本发明提供的变壁厚钢管的外圆与第一钢管和第二钢管的外圆直径相等，并且两端的内圆分别与被连接的第一钢管和第二钢管的内圆直径相等，同时变壁厚钢管的内圆直径由一端到另一端逐渐增大，消除了壁厚差，从而避免了自身的应力集中以及连接处的焊接应力集中，提高了油气管道环焊缝的连接质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的油气管线连接系统的示意图；
图2为本发明实施例提供的油气管线连接系统的示意图；
图3为变壁厚钢板的主视图；
图4为不等壁厚钢管等外径连接的示意图；
图5为变不等壁厚钢管等内径连接的示意图；
图6为不等壁厚钢管连接镗孔前示意图；
图7为不等壁厚钢管连接镗孔后示意图；
图8为常规轧制起始位置示意图；
图9为常规轧制示意图；
图10为上坡变壁厚轧制的示意图；
图11为下坡变壁厚轧制的示意图；
图12为上坡轧制示意图；
图13为下坡轧制示意图；
图14为扩径示意图。
图标：100-第一钢管；200-第二钢管。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
现有的油气管道在连接时由于不同地质情况所需的管道壁厚不同以及弯管的壁厚大于直管壁厚导致管道连接处应力集中大、影响油气管道连接质量的问题。
有鉴于此，本发明提供了一种变壁厚钢管，用于连接壁厚不同的第一钢管100和第二钢管200。变壁厚钢管的外圆直径恒定且与第一钢管100和第二钢管200的外圆直径相等；变壁厚钢管的内圆直径由一端到另一端逐渐增大；变壁厚钢管两端的内圆直径分别与第一钢管100和第二钢管200的内圆直径相等。
由于本发明提供的变壁厚钢管的外圆与第一钢管100和第二钢管200的外圆直径相等，并且两端的内圆分别与被连接的第一钢管100和第二钢管200的内圆直径相等，同时变壁厚钢管的内圆直径由一端到另一端逐渐增大，消除了壁厚差，从而避免了自身的应力集中以及连接处的焊接应力集中，提高了油气管道环焊缝的连接质量。
以下结合图1-图7对本实施例提供的变壁厚钢管的结构和形状进行详细说明：
如图4、图5所示，常规不等壁厚钢管连接时，焊接处易产生应力集中，影响管道系统吸收热胀冷缩变形、沉降形式变形等产生的力和力矩的能力，不利于环焊缝的质量。如图6所示，为不等壁厚钢管等外径连接时焊接后的状态，当对内孔镗孔后，得到如图7所示的结构，此时不等壁厚位于壁厚较大的钢管一侧，焊接处为等壁厚连接，消除了焊接处的应力集中，但壁厚较大的钢管处仍存在应力集中。
如图3所示，有变壁厚钢板加工成型得到变壁厚钢管，用于如图1、图2所示的连接，将第一钢管100和第二钢管200连接成管线，使得管线壁厚均匀过渡，避免应力集中，有效保护了环焊缝，提高了连接质量。
实施例二
以下结合图8-图13对变壁厚钢管的加工方法进行详细说明：
变壁厚钢管的加工包括如下步骤:
S100-轧制变壁厚钢板:
采用变压下率方式轧制：即将钢板沿轧制方向等分成n份，对每一份均看作常规轧制，轧制每一份钢板时前滑值f和压下率均不相同；
前滑公式为
其中hi为每份轧制时轧制出口厚度，ri为压下率，i＝1，2…n。
上坡轧制时，下坡轧制时，/>
其中为楔形倾角，指轧件开始轧入轧辊时轧件和轧辊最先接触的点和轧辊中心的连线与轧辊中心线所构成的圆心角；h为前端入口处厚度；xi为每份轧制时轧制出口到前端入口处的距离。
压下率ri＝(Hi－hi)/Hi；
Hi为每段轧制开始前的钢板厚度，Hi在变壁厚轧制的第一道次变壁厚时为恒定值，从变壁厚的第二道次开始为一上道次轧制结束时的实测值。
具体而言，结合图8、图9、图10、图11及表1，变壁厚轧制的前滑公式推导过程如下：
表1普通轧制和变厚度轧制咬入角和咬入条件
水平轧入力Tx(摩擦力T的水平分力)和水平推出力Px(轧辊压力P的水平分力)为：
楔形倾角是指轧件开始轧入轧辊时轧件和轧辊最先接触的点和轧辊中心的连线与轧辊中心线所构成的圆心角。
咬入角α是指轧件开始轧入轧辊时，轧件和轧辊最先接触的点和轧辊中心的连线与轧辊中心线所构成的圆心角，此时摩擦角β＝α。摩擦角β为摩擦力T与轧制力P的合力与轧制力P的夹角，轧制过程建成后，咬入条件为β≥α/2。
常规轧制过程的前滑值为：
f＝[h+D(1－cosγ)]cosγ/h-1 (3)
其中D为轧辊直径；h为轧件的出口厚度；γ为中性角(1/2壁厚接触点与轧辊中心连线与轧辊垂直中心线所构成的圆心角)；
上坡轧制时的前滑公式：
下坡轧制过程的前滑公式：
在变壁厚钢板的实际轧制过程中，钢板出口距离楔形段起始点的水平距离x连续变化，前滑值f不再是定值，而是随着轧制的进行而不断变化。由于中性角γ难于确定，式(4)和(5)在工程中难于实际应用。
将西姆斯公式推导过程中得到的中性角计算公式代入式(3)，得到考虑全粘着条件下的前滑公式(4)，该公式在保证计算精度的前提下，简化计算过程得到下述工程应用公式：
r为轧制过程的相对压下率；R为轧辊半径。
变壁厚钢板一般为10mm以上的中厚钢板，轧件的温度高，轧件与轧辊的摩擦系数很大，为全粘着条件下轧制。将变壁厚钢板等分割n份，每一份均满足离散化处理后的前滑公式(7)：
上坡轧制时，变壁厚钢板的上坡轧制出口厚度 下坡轧制时，变壁厚钢板的下坡轧制出口厚度/>
h为前端入口处厚度；xi为每份轧制时轧制出口到前端入口处的距离。
压下率ri＝(Hi－hi)/Hi；
Hi为每段轧制开始前的钢板厚度，Hi在变壁厚轧制的第一道次变壁厚时为恒定值，从变壁厚的第二道次开始为一上道次轧制结束时的实测值，实际操作中通过激光实时检测Hi。
上坡轧制和下坡轧制的分段示意如图12、图13所示。
S200-在变壁厚钢板上加工焊接坡口:对钢板边缘进行铣削加工得到焊接坡口。
S300-变壁厚钢板预弯边:将变壁厚钢板的两边分别进行弯曲，使钢板边缘的曲率与成型后钢管的曲率相同，保证钢管的圆度。
S400-JCOE变压下成型:采用动态成型方式将变壁厚钢板折弯成钢管，根据不同厚度变形延展差异调整压下量，使不同壁厚的钢板受力趋于一致，从而控制成形完毕后钢管的周长，将周长差异控制在5mm以内。
S500-钢管内外焊接:根据厚度变化固定1-3丝焊接线能量确保填满的情况下，根据壁厚变化调整四丝熔覆率即电流在10％以内动态变化，控制焊缝余高变化在2mm以内。
S600-钢管机械动态定径:采用动态扩径方式，通过分段加工获得变壁厚钢管：即将钢管等分成长度相等的多段，对每一段分别扩径，由大内径一端向小内径一端扩径，每段扩径的直径变化量逐渐减小以实现内径的逐渐变化，从而保证直径偏差控制在1mm以内。如图14所示，为钢管扩径的示意图，通过对扩径模具直径的控制以实现对变壁厚钢管内外直径的控制，尤其是对内径的控制。
S700-钢管无损检测：
变壁厚钢管的超声波检测采用在最大壁厚处φ1.6mm的竖通孔一次波二次波和最小壁厚处φ1.6mm的竖通孔一次波二次波来制作DAC曲线，通过DAC曲线对检测结果进行评判；射线检测采用双胶片拍片技术，即在暗袋里安装两张感光度不一样的胶片，其中感光度较大的胶片适用于透照厚度较大部位的观察评定，感光度较小的胶片适用于透照厚度较小部位的观察评定。
实施例三
本实施例提供了一种油气管线连接系统，包括上述的变壁厚钢管，还包括连接于变壁厚钢管两端的第一钢管100和第二钢管200；第一钢管100、第二钢管200和变壁厚钢管外径相同；第一钢管100与变壁厚钢管小内径一端的内径相同；第二钢管200与变壁厚钢管大内径一端的内径相同；钢管与第一钢管100、第二钢管200焊接连接。
通过变壁厚钢管的使用，消除了不同地区以及弯管与直管的不等壁厚连接，实现了无二次加工、无结构应力、无壁厚差连接，提高了环焊缝的可靠性，极大的提升了管道本质安全。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种变壁厚钢管，用于连接壁厚不同的第一钢管(100)和第二钢管(200)，其特征在于，所述变壁厚钢管的外圆直径恒定且与所述第一钢管(100)和所述第二钢管(200)的外圆直径相等；
所述变壁厚钢管的内圆直径由一端到另一端逐渐增大；
所述变壁厚钢管两端的内圆直径分别与所述第一钢管(100)和所述第二钢管(200)的内圆直径相等。
2.根据权利要求1所述的变壁厚钢管，其特征在于，由变壁厚钢板加工成型，所述变壁厚钢板的厚度由一端到另一端逐渐增大。
3.一种变壁厚钢管的加工方法，用于加工如权利要求2所述的变壁厚钢管，其特征在于,包括如下步骤：
轧制所述变壁厚钢板；
在所述变壁厚钢板上加工焊接坡口；
所述变壁厚钢板预弯边；
JCOE变压下成型；
钢管内外焊接；
钢管机械动态定径；
钢管无损检测。
4.根据权利要求3所述的变壁厚钢管的加工方法，其特征在于,所述轧制所述变壁厚钢板步骤中，采用变压下率方式轧制：即将钢板沿轧制方向等分成n份，对每一份均看作常规轧制，轧制每一份钢板时前滑值f和压下率均不相同；
前滑公式为
其中hi为每份轧制时轧制出口厚度，ri为压下率，i＝1，2…n。
5.根据权利要求4所述的变壁厚钢管的加工方法，其特征在于，
上坡轧制时，
下坡轧制时，
其中为楔形倾角，指轧件开始轧入轧辊时轧件和轧辊最先接触的点和轧辊中心的连线与轧辊中心线所构成的圆心角；
h为前端入口处厚度；
xi为每份轧制时轧制出口到前端入口处的距离。
6.根据权利要求5所述的变壁厚钢管的加工方法，其特征在于，ri＝(Hi－hi)/Hi；
Hi为每段轧制开始前的钢板厚度，Hi在变壁厚轧制的第一道次变壁厚时为恒定值，从变壁厚的第二道次开始为一上道次轧制结束时的实测值。
7.根据权利要求6所述的变壁厚钢管的加工方法，其特征在于，所述JCOE变压下成型步骤中，采用动态成型方式将所述变壁厚钢板折弯成钢管，根据不同厚度变形延展差异调整压下量，控制成形完毕后钢管的周长。
8.根据权利要求7所述的变壁厚钢管的加工方法，其特征在于，所述钢管机械动态定径步骤中，采用动态扩径方式，通过分段加工获得所述变壁厚钢管：即将钢管等分成长度相等的多段，对每一段分别扩径，每段扩径的直径变化量逐渐减小。
9.根据权利要求8所述的变壁厚钢管的加工方法，其特征在于，所述钢管无损检测步骤中，所述变壁厚钢管采用在最大壁厚处φ1.6mm的竖通孔一次波二次波和最小壁厚处φ1.6mm的竖通孔一次波二次波来制作DAC曲线，通过DAC曲线对检测结果进行评判。
10.一种油气管线连接系统，其特征在于，包括如权利要求1或2所述的变壁厚钢管，还包括连接于所述变壁厚钢管两端的第一钢管(100)和第二钢管(200)；
所述第一钢管(100)、所述第二钢管(200)和所述变壁厚钢管外径相同；
所述第一钢管(100)与所述变壁厚钢管小内径一端的内径相同；
所述第二钢管(200)与所述变壁厚钢管大内径一端的内径相同；
所述钢管与所述第一钢管(100)、所述第二钢管(200)焊接连接。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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