螺旋钢管带压开孔应力分析

螺旋钢管是以带钢卷板为原材料，经常温挤压成型，以自动双丝双面埋弧焊工艺焊接而成的螺旋缝钢管。螺旋钢管将带钢送入焊管机组，经多道轧辊滚压，带钢逐渐卷起，形成有开口间隙的圆形管坯，调整挤压辊的压下量，使焊缝间隙控制在1~3mm，并使焊口两端齐平。

在螺旋钢管道上进行带压开孔作业时，应当认真分析螺旋钢管的制造以及分类等知识，才能够在其材质上进行制定正确的带压开孔流程及相应的作业方法，下面简要介绍一下螺旋 钢管的分类:

其中承压流体输送用螺旋焊缝高频焊钢管SY5038-2000，用高频搭接焊法焊接，用于低压流体输送，使用螺旋焊缝高频焊钢管。其标准分为：

1.SY/T5037-2008是部标，普通流体输送管道用螺旋缝埋弧焊钢管

2.GB/T9711.1-2008国标，石油天然气工业输送钢管交货技术条件GB/T9711.2B级钢管较为严格。

3.API-5L美国石油协会 管线钢管，其中分为PSL1和PSL2两个级别。

4.SY/T5040-2008桩用螺旋钢管 是以热轧钢带卷作管坯，采用双面埋弧焊接或高频焊接。

螺旋埋弧焊接钢管在石油化工、热力管网及城市给排水工程等领域有广泛的应用，尤其在长距离输送石油、天然气管道中更是普遍采用。油田、气田管网采用螺旋焊钢管，具有很高的安全性、耐用性及经济合理性。

由于螺旋焊钢管的管径一般不受板材宽度的限制，可由多种不同规格板宽的卷板制造，而不需要宽板幅的钢板，这样给板材制造、运输带来方便，所使用的热轧卷板比平板钢成本较低。

螺旋钢管道带压开孔时，螺旋钢管存在的一个问题就是焊后钢管产生弹复，有着向外伸展的内应力，相当于钢管预先承受一个周向拉应力，该应力公产生应力腐蚀、降低钢管的承压能力。因此，在螺旋钢管带压开孔前认真观察管道螺旋方向、管道厚度及焊缝间距离是影响我们对管道实施带压开孔方案调整的重要因素。如何在带压开孔作业中有效地消除螺旋钢管在制造中产生的周向拉应力，在带压开孔过程中采用何种方法控制管道壁周向开口量变形是需要解决的实际问题。

通过对目前国内在役的及普遍采用的螺旋钢管成型方法进行分析，可有效地评估需要进行带压开孔作业的螺旋钢管弹复量的影响，并有效地消除内应力。

螺旋埋弧焊接钢管内应力的产生，这要从钢管成形生产开始分析。螺旋钢管采用连续成型、焊接的方法制造，目前普遍采用内承式和外抱式两种成型方法，成形方法如下面所示：

成型辊与内承辊（或外抱辊）组成一个成型器，钢板沿图中箭头所示方向进入成型器中，一边成型一边焊接。通过调整成型器可以获得不同规格尺寸的钢管。为防止过量弯曲，三个成型辊与钢板接触汇款后的高度一般不能相差太大，厂家都采用不足量成型，钢管曲率半径是依靠内承辊（或外抱辊）所形成的曲率半径保证，在内承辊（或外抱辊）中钢板实际上是弹性和塑性混合变形。焊接后的螺旋钢管沿母线方向剖开后，必然存在着一定周向开口量，即钢管存在一定的弹复量，钢管存在着内应力。由于内应力的存在，钢管外部是拉应力。

因此，在管道带压开孔过程中，带压开孔机的中心定位钻头钻透管道壁后，其应力有所变化，即中心孔洞变形向内挤压，但由于中心定位钻头在中心孔内旋转和切削，这种应力对中心定位钻的影响逐渐消失。

当带压开孔套刀对主管道开始切削时，管道壁最高两处被层层切削后，逐渐实现破壁并形成弧形开口。而随着套刀的逐渐深入，带压开孔套刀的切削点从原来的两个演变成四个切削点。此时，液压泵站的输出功率受切削点增加的影响，旋转力稍有下降（电动开孔机有较大影响，动力下降明显）。此时，应适当加大泵站功率输出，保证足够的切削角速度（电动开孔机只能降低进给，延长一倍的开孔时间来弥补功率不足）。此时，若使用铸造方法制造的带压开孔机，此阶段在管道压力及力矩增加的情况下，容易在铸造部件的疏松、裂纹等缺陷处炸裂，造成带压开孔套刀掉齿及管道带压开孔泄漏事故。因此，严禁使用铸造阀门材料或使用铸造方法制造的带压开孔设备，避免产生重大的责任事故和不可挽回的损失。

随着带压开孔套刀的不断切削和进刀总成的作用下，管道壁的切口越来越大。螺旋钢管的管道壁在制造时所受到的应力逐渐释放，并由于钢管弹复量的影响，管道壁逐渐伸展并向带压开孔套刀内部伸展和延伸。

这些微量的延伸在管道破壁时并不明显，但随着管道壁的开口越来越大的影响，这些应力集中起来的微量延伸就造成了对带压开孔刀内壁的压力。

F=2F1+4F2+4F3+4FN

M=M-M1=EI*(1/R+1/R1+1/RN)

其中F为带压开孔套刀应力总和，M是指螺旋钢管开口量总位移。

下一章节将详细讲解螺旋钢管应力与开口量以及半径、厚度等关系，并提出解决方案。关注百家号，有问题可以互相交流。