钢带与螺旋焊管

焊管出现于十九世纪初期，但由于缺乏原料钢板，限制了其发展。1883年无缝管出现后，焊管一度落后于无缝管。二十世纪中叶，成卷钢带的大量供应、焊接技术的迅速提高，焊管生产又得到较快的发展。1960年以前焊接钢管几乎都是纵缝（直缝）焊接法来制造的，采用钢板下料，板厂按管子的长度及设备选定，在三辊筒卷板机或压力机中弯曲成型，然后焊接。对于大直径钢管，往往由好几块钢板来拼接，因此会有好几条纵缝。管子直径不同，就需要多种尺寸规格的钢板和模具；同时纵焊缝有使管子弯曲的性能，所以管子不是很直的。1958年，联邦德国、英国、瑞士等国研制成中空的成型机，可以进行内外缝双面焊接，之后各国才大量生产双面焊螺旋焊钢管[1]。我国第一条螺旋缝埋弧焊管始建于1959年，设备从苏联引进。发展到现在，大直径螺旋埋弧焊钢管越来越多的应用在油气管道（西气东输、中亚、中俄天然气管道采用φ1422×21.4mmX80钢级螺旋管）、热力管道、输水管道工程中，本文仅从水利管道工程应用的角度，对钢带和螺旋焊管的结构参数、力学性能简单介绍。1

钢带[2]根据钢材的交货状态，有钢板和钢带之分，目前国标常用的热轧钢板和钢带的标准如表1所示。螺旋焊管卷制通常由轧制宽度不小于600mm成卷交货的宽钢带。表1

常用的热轧钢板和钢带标准一览表1.1宽钢带的公称尺寸公称厚度：≤25.4mm，在此范围内按0.1mm倍数的任何尺寸；公称宽度：600~2200mm，在此范围内按10mm倍数的任何尺寸。1.2

钢带的厚度允许偏差钢带的厚度偏差按照厚度精度来区分的，有：普通精度（PT.A）、较高精度（PT.B）。规范按照最小屈服强度Re＜360MPa和Re≥360MPa分别给出了厚度允许偏差值，如图1、图2所示：图1

Re＜360Mpa钢带的厚度允许偏差图2

Re≥360Mpa钢带的厚度允许偏差1.3

钢管厚度偏差的误区在水利管道工程设计中，设计者往往就弯曲度、不圆度、液压试验等技术指标参照相关国家标准，如：《低压流体输送用焊接钢管》，且常在设计说明中注明“执行《低压流体输送用焊接钢管》GB/T3091-2015的要求”。其实对于钢管的壁厚，这样要求是有误区的。对于由钢带成型的螺旋管，如果不限制钢带的厚度偏差（PT.A、PT.B），施工单位往往按照上述标准中的壁厚偏差10%（t=4mm~16mm）采购钢带。我国的大多数管道标准最先是从油气、化工行业发展起来的，其结构计算与水利和市政行业管道不同，以石化行业起草的国家标准《管道工程用无缝及焊接钢管尺寸选用规定》GB/T28708-2012为例，其A.3要求：钢管壁厚计算公式如下：公式中的12.5%为钢管壁厚负偏差，即壁厚计算的时候就考虑了钢管壁厚的负偏查了；而且还要考虑刚度要求，给出了径厚比的最大值。而水利、市政管道工程的结构计算中，有土压力、车辆荷载（堆积荷载）、内压荷载、温度荷载等等，一般要求在计算厚度的基础上增加2mm的构造厚度才得到的管道设计厚度（壁厚），如结构计算值为15.8mm，取15.8+2=17.8mm，选18mm。如果被施工单位吃掉10%的偏差：18-1.8=16.2mm，再扣除2mm的构造厚度，仅剩14.2mm，这样就满足不了结构计算的要求。因此建议在设计说明书对螺旋钢管的厚度按照钢带的等级注明厚度偏差。2

螺旋焊管螺旋焊接工艺将成品板带卷曲螺旋焊接成为管材，生产前调整机组螺旋角与螺距，由固定尺寸板带生产多规格管材，具有柔性生产、适用性强、操作便捷和成本低的优点，可生产超大直径薄壁金属管，如图2所示[3]。图3

螺旋焊管生产线图先进的生产机组，一般具有坡口加工能力，先对钢带的头部和尾部进行坡口加工，形成V形或Y形坡口，正面进行埋弧自动焊接，背面再用埋弧焊自动焊盖面[4]。2.1

螺旋焊管的几何特性螺旋焊管技术中，成型角是一个重要的参数，它是指螺旋焊管生产中钢带中心线与成型焊接后的螺旋管轴线之间的夹角，用α（α＜90°）表示，如图4所示[5]。为了理解成型角，可以将管子沿轴线剪开后展开，假设焊管中径为D、钢带宽度为B、管节长度为L、焊缝长度为l，如图5所示。图4

螺旋焊管成型示意图图5

螺旋焊管轴向剪开展开示意图1）钢带宽度B（图5中OA长度）、焊管直径D与成型角α之间的关系在Rt△ABO中，有2）焊缝长度l与焊管长度L之间的关系在Rt△CAB中，有∴

因此，也宜理解图4中的焊出速度vc和焊接速度vh之间的关系为：由上式可知，成型角越小，劳动生产率越高，经济性越好；但成型角过小调型后钢管圆度差，成型质量差，同时增加焊缝的法向应力。一般认为钢带的宽度与外径之比为1.2~2.2，在这种情况下成型角α∈[45°42'，65°36']；也有认为成型角合适的角度为[40°，66°]。在相同管径下，螺旋焊管焊缝长度和管子长度（直缝焊管焊缝长度）之比与螺旋焊管的成型角有密切的关系，如表2所示。表2

不同成型角焊管焊缝长度比值也有螺旋焊管标准对成型角有一定的要求，如:●《低压流体输送管道用螺旋缝焊管》SY/T5037-2018（12年修订时新增条目）第条：用于制造螺旋缝钢管的钢带宽度不应小于钢管公称外径的0.8倍，且不应大于钢管公称外径的3倍。按此要求，其成型角为：●《输送瓦斯用钢管》MT/T1775-2019第条表1中对螺旋节距有≤130mm的要求。2.2内压作用下螺旋焊管的受力分析如果管子壁厚相对于管子直径很小时，可推导出径向应力和轴向应力的计算公式。假设：管子仅受内压为P，直径为D，壁厚为t，则环向应力αH和轴向应力αZ分别为：取单位立方体，其焊缝斜截面的受力状态如图6所示。由内力平衡条件可知：图6

螺旋焊斜截面折算应力示意图焊缝斜截面的折算应力σfZH为：带入可得：如图7所示，焊缝斜截面的正应力和剪应力分别为：图6

螺旋焊斜截面正应力和剪应力示意图1）对于两端开口的空心圆管，轴向应力αZ=0，则焊缝斜截面的正应力与管子的正应力（直缝的正应力）的比值为：2）对于两端封闭的圆管，螺旋焊缝斜截面的正应力、折算应力与直焊缝的环向应力的比值分别为：在成型角40°~66°之间，垂直于焊缝的应力与环向应力之比在0.80~0.58之间，这一点是螺旋焊管与直缝焊管相比较的一个显著优点。由此可知：①螺旋焊管发生爆破时，由于焊缝所受正应力与合成应力较小，爆破口一般不会源于螺旋焊缝处，其安全性比直缝焊管高；②当螺旋焊缝附近存在与之平行的缺陷时，由于螺旋焊缝受力小，其扩展的危险性不如直焊缝大；③由于径向应力是存在于钢管上的最大应力，所以焊缝处于垂直应力这一方向时承受着最大的荷载，即直缝承受的荷载最大，环缝承受的荷载最小，螺旋缝介于二者之间。2.3顶管作用下螺旋焊管的受力分析顶管顶进施工时，管子不承受环向荷载，环向应力为αH=0，暂不考虑其他荷载，如图7所示。图7

顶进施工时斜截面应力示意图则斜截面的正应力和剪应力分别为：一般受剪应力控制的母材，当螺旋成型角α=45°时，剪应力破坏会与母材的吕德斯（Lüders）线重合。根据上述分析可知，顶进施工时，直缝管、螺旋管与管子的母材内力一致。由此可知，由于焊缝是等强连接的，顶直缝管和顶螺旋管的区别是不大的。3

螺旋焊管与直缝管静压爆破强度的比较[6]管道在输送流体（油、气、水）时主要承受动压，而钢管在厂内检验时则承受静压。日本高压力技术协会和新日铁曾合作进行了焊管的静压爆破试验。其结果如图7所示。表3

螺旋焊管与直缝焊管爆破比较表螺旋焊管在爆破时，母材处发生的变形最大，裂源在该处沿轴方向扩展，在螺旋焊缝前停止。直缝管爆破时，裂缝在纵缝临近处。裂纹与焊缝平行扩展，最后裂端转变成直角方向而止裂。日本焊接协会、螺旋管协会也进行了二者的对比试验。验证了二者的屈服应力与爆破应力实测值和理论值基本吻合，偏差相近。但无论屈服应力还是爆破应力，螺旋焊管均低于直缝焊管。爆破试验还显示出螺旋焊管爆破口的环向变形率明显大于直缝管。由此可证实，螺旋焊管的塑性变形能力优于直缝管，爆破口一般只局限在一个螺距内，这是螺旋焊缝对裂口的扩展起了有力的约束作用所致。4

螺旋焊管的焊缝对输送介质流动特性的影响德国Saligitter公司进行了试验，使用直径为φ508mm的直缝焊管和螺旋焊管，结果表明，螺旋焊管和直缝焊管的摩阻系数相差不大，但比光滑管略大，如图8所示。图8

焊管与光滑管的阻力系数对比图参考文献：[1]马璋.国内外螺旋电焊钢管发展概况[J].鞍钢革新,1972(06):30-56.[2]GB/T709-2019.[S].北京：中国国家标准化管理委员会,2019.[3]吉鹏亮.金属管材柔性成型工艺与实验研究[D].燕山大学,2022.[4]雷浩,胡德虎,高鹏等.大直径厚壁螺旋焊管生产用钢带对接焊工艺[J].焊管,2021,44(07):54-58.DOI:10