大口径直缝焊接钢管管端直径超差的处理方法
针对大口径焊接钢管扩径后出现的管端直径超差偏大问题，介绍了直缝焊管管端缩径专用模具的设计和使用。

1 前言
为了方便管线施工现场的钢管管端对口组焊，直缝焊接钢管的管端直径尺寸公差一般比管体要求更加严格。

大口径直缝焊接钢管的生产过程要经过机械或水压
扩径等生产工序来保证尺寸精度和消除内应力，由于钢板机械性能的波动，对回弹等因素的影响估计不准确，常常会出现管端直径超差的问题。

尤其对水压扩径来说，管端扩径的封头圈直径选择不合适造成的。

生产过程中如果没有及时发现，就会造成一批钢管的管端直径超差偏大。

管端直径偏小的钢管可以对管端实施二次扩径以满足尺寸要求，而对于管端直径超差偏大的钢管则采取切除管端的办法来处理。

但是在海底管线钢管的生产中，钢管长度要求往往非常苛刻管端切除的钢管经常因达不到交货长度而造成批量钢管
无法交货；此外对于大口径厚壁钢管，超差批量大时，管端切除的部分管段也降低了交货结算重量，严重影响企业的经济效益。

因此需要探索采用压力加工缩径来修复管端直径超差偏大的钢管。

2 修复模具的设计
2.1 缩径位置的选择
直缝埋弧焊管的生产流程通常为：钢板UT检验→板边加工→预弯→钢管成形→预焊→内焊→外焊→无损检验→扩径→整圆→无损检验→最终检验→印标。

考虑到压力加工需要压力机，而除了钢管成形用压力机外（从工艺流程来说不适合用于修复管端），通常整个制管工艺流程中只有整圆工位有压力机，可以考虑在整圆工位修复管端。

因此管端扩径后如果检查发现管端，直径超差，为了不影响正常生产，钢管做标记后继续按照工艺流程前进，至整圆工位再处理。

因为管端直径超差偏大的量一般较小，可以考虑制作专用缩径模具，通过压力加工来恢复直径尺寸。

压力机选用整圆用的油压机。

对于水压扩径来说，管端超差偏大部分集中在管端100mm范围内。

模具分别如图1、图2所示，图中没有画出安装用的筋板和螺孔。

设计时主要是确定图1和图2中的尺寸R和模具宽度B。

2.2 模具圆弧半径的确定
缩径模具的圆弧半径尺寸R按照下式确定：
R=（1－k）D/2－△/2 （1）
式中，R是模具圆弧半径，mm；D是钢管公称外径，mm；△是钢管外径下偏差的绝对值，mm；k是考虑回弹时的系数，取0～0.001。

2.3 模具宽度的确定
确定模具图1和图2中的模具宽度尺寸B需要分析管端缩径时的钢管壁受力状态。

缩径模工作状态如图3所示。

从图3可见，为了避免缩径时上下模相碰造成设备损坏，上下模之间必须有一定间隙，这个间隙不能太小和不能太大，如果间隙太大，虽然可以避免上下模缩径时相碰，但对于X70以上钢级的薄壁钢管，缩径压缩时容易发生内凹现象。

上下模间隙通常可以取20mm左右，通过对称的加工上下模相对的表面来保证，即上下模相对表面各加工掉10mm左右。

内凹现象见图4所示。

取位于上下模之间的一部分钢管全壁厚微元体研究，因为上下模之间的管体包括对称的左右两部分，可以近似认为油压机施加的
压力由这两部分管体平均分担，即每一部分分担F/2。

当钢管刚刚开始发生塑性变形时，不考虑与管端相连接的管体的影响，则可以建立微元体的力平衡式为：F/2=σBt
则F=2σBt
又F=PπR0*R0
由式（2）和（3）可以知道：2σBt=PπR0*R0
求得模具宽度为：B=PπR0/2 2σt）（4）
式（4）中，F是整圆用油压机的压力；P为油压机液压系统压力，MPa；σ是材料的屈服强度，MPa；t是钢管壁厚，mm。

从式（4）可以看出，当钢管材料和壁厚确定后，模具宽度主要受液压系统所能承受的压力限制。

2.4 其它
（1）缩径模具的材料选择45钢等材料即可；
（2）圆弧R处工作面应光滑以免划伤钢管表面；
（3）另外圆弧R处两个侧面适当倒角；
（4）注意下模安装在压力机上后的圆弧R处的最低点应与输送辊道等高，即图2中的尺寸H的上尺寸界限实际高度不超过输送辊道的高度，以保证钢管在生产的正常传送。

实际设计时注意不同直径规格的钢管的H值不同。

3 应用实例
设计计算时为了保证模具使用的钢级和钢管壁厚规格尽量多，尽量选用较高的钢级和较厚的壁厚来计算。

以外径为762mm、壁厚为17.5mm、材质为X70的钢管为例计算。

假定其管端直径下偏差为-0.8mm，上偏差为2.4mm，利用式（1），取k=0，则模具半径尺寸为：
R=762/2－0.8/2=380.6mm
如果整圆用油压机允许的系统最大压力为20MPa，
取油压机的液压缸内径为300mm，材料X70的屈服强度
则取485MPa，利用式（4）计算得模具宽度：
B=PπR0/2σt =20×π×（300/2）/2×485×17.5）= 83mm。

由于实际钢板材料的屈服强度一般比公称屈服强度高，板厚有时也比钢管公称壁厚大，因此为了降低液压系统的工作压力，选择模具宽度值为70mm。

考虑到管端直径超差部分长度一般不超过100mm，因此70mm是可行的。

笔者实际设计并使用的缩径模具通常取70mm。

还有一个原因是当生产同一尺寸规格但是强度等级更高或壁厚更厚的钢管时，该模具仍然可以使用而不必重新设计生产新的模具，这样既降低了成本也不会影响钢管生产周期。

4 结论
按照上面的方法实际设计的系列缩径模具已经成功用在了大口径焊接钢管的管端直径超差的处理上，成功杜绝了以往的管端切除，节省了材料，增加了企业的经济效益。