螺旋縫埋弧焊管剩磁改進(jìn)措施

劉洪飛，杜一峰

（遼陽石油鋼管制造有限公司，遼寧遼陽111000）

螺旋縫埋弧焊管剩磁改進(jìn)措施

劉洪飛，杜一峰

（遼陽石油鋼管制造有限公司，遼寧遼陽111000）

通過檢測螺旋縫埋弧焊管生產(chǎn)過程中的剩磁，分析了管坯帶磁的狀況，計(jì)算了螺旋縫埋弧焊管的磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度和磁通量，提出了降低管端磁性的措施。分析認(rèn)為：將電源負(fù)極連接到距焊點(diǎn)近的管體外壁上，可縮短管體電流路徑長度，有效降低管端磁性。

螺旋縫埋弧焊管；磁化現(xiàn)象；安培環(huán)路；磁感應(yīng)強(qiáng)度；磁通量；去磁；改進(jìn)措施

鋼管帶磁有許多危害。在管道施工中，鋼管與鋼管焊接時(shí)磁性對焊接產(chǎn)生干擾，焊接電弧偏吹，焊絲（或焊條）接觸焊縫時(shí)熔化的鋼水產(chǎn)生飛濺，焊縫金屬無法填充，很難形成焊道，易形成氣孔、裂紋［1-2］等缺陷。在生產(chǎn)車間，由于生產(chǎn)出的螺旋縫埋弧焊管帶磁，將磁性傳遞到設(shè)備上，直接或間接使設(shè)備受到損壞。例如：成型器中的軸承輥帶磁，帶鋼經(jīng)卷曲后，掉下來的氧化鐵粉末吸入到從軸承輥中，使軸承無法潤滑，氧化鐵粉末掩住軸承中的滾針，最終使軸承無法轉(zhuǎn)動，降低了其使用壽命；在距離帶磁鋼管近處，無防護(hù)的計(jì)算機(jī)，有時(shí)會“死機(jī)”，屏幕有干擾波紋等；在鋼管進(jìn)行X光工業(yè)電視探傷［3-5］時(shí)，X射線照射焊縫，從顯示屏上看焊道是彎曲的，不能描繪出焊道的真實(shí)情況。

GB/T 9711—2011《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》［6］和API Spec 5L—2013《管線鋼管規(guī)范》第45版［7］標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，出廠鋼管每一端沿周向大約相距90°測量4個(gè)讀數(shù)，用霍爾效應(yīng)高斯計(jì)測量，4個(gè)讀數(shù)平均值≤3.0 mT，任一讀數(shù)不應(yīng)超過3.5 mT。多數(shù)制管廠生產(chǎn)的焊管帶磁，只是多少不同，各制管企業(yè)的技術(shù)人員采取了一些去磁措施（如：在生產(chǎn)線上加裝線圈，鋼管通過時(shí)穿過帶電線圈，帶電線圈對鋼管產(chǎn)生電磁感應(yīng)去磁），雖然去除了一部分磁，但還有剩磁；因此，有必要采取改進(jìn)措施，達(dá)到去磁的目的。

1 生產(chǎn)過程中磁的檢測

螺旋縫埋弧焊管帶磁，從焊管生產(chǎn)制造工序上查找磁源，生產(chǎn)工序有20多個(gè)，從原料到制成半成品再到成品入庫的生產(chǎn)工藝全過程查起。

使用便捷式HM-800高斯計(jì)測磁，其選用測量范圍為0.010～2.000 mT，準(zhǔn)確值為±2.0%Rdg+2字，手動量程。L245M鋼級Φ508 mm×7.1 mm螺旋縫埋弧焊管各工序在制品的磁感應(yīng)強(qiáng)度見表1。

表1 L245M鋼級Φ508 mm×7.1 mm螺旋縫埋弧焊管各工序在制品的磁感應(yīng)強(qiáng)度mT

從表1可以看出：工序1～3無磁性；工序4帶鋼經(jīng)過成型滾壓形成螺旋筒狀，內(nèi)、外壁縫焊接，產(chǎn)生較大的磁性，管端磁性最大值6.0 mT；工序5經(jīng)過感應(yīng)線圈去磁，磁感應(yīng)強(qiáng)度降低到2.0 mT；工序6～12經(jīng)過去磁，經(jīng)檢測鋼管磁感應(yīng)強(qiáng)度沒有較大變化。可見，工序4的磁感應(yīng)強(qiáng)度超出了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求（∧3.0 mT），需去磁。

2 管坯帶磁分析

電和磁在一定的條件下相互轉(zhuǎn)換，磁介質(zhì)在電場或磁場作用下產(chǎn)生磁。磁化材料中碳、硅、鎳等元素組成了磁化介質(zhì)［8］。螺旋縫埋弧焊管是具有磁化性能的材料，磁介質(zhì)磁性主要來源于電子自旋磁矩，在沒有磁場作用下，小范圍自發(fā)形成一個(gè)個(gè)磁疇，磁性相互抵消；在磁場作用下，磁疇中的磁力矩方向改變?yōu)橐粋€(gè)方向，介質(zhì)內(nèi)部形成了N、S極磁力矩［9］。螺旋縫埋弧焊管內(nèi)、外焊電流路徑如圖1所示，成型輥導(dǎo)電形成安培環(huán)路如圖2所示，焊接電源負(fù)極（DC-、AC-）接在成型器底盤上。從圖2可以看出，焊接電流通過焊絲接觸管坯焊縫形成熱能，熔化焊縫，母材焊絲形成熔池，管坯在成型器中轉(zhuǎn)動，電流通過1～7號成型輥，輥中包裹著管坯，輥面向里轉(zhuǎn)動，帶動軸承滾針轉(zhuǎn)動。成型輥與軸承內(nèi)、外套有潤滑脂潤滑，潤滑脂既不是絕緣介質(zhì)，也不是導(dǎo)電介質(zhì)，在光滑軸承內(nèi)套與外套的滾針之間形成薄厚不均的潤滑膜，軸承在滾動中受帶鋼的壓力，電流穿過潤滑膜，每個(gè)成型輥就等于一個(gè)感應(yīng)環(huán)，每組成型輥成為感應(yīng)線圈，包圍著管坯，形成了環(huán)形線圈組，管坯從環(huán)形導(dǎo)電體通過，回到成型底盤的電源負(fù)極（DC-、AC-）形成閉合回路。焊接電流經(jīng)過的長度是焊點(diǎn)途經(jīng)成型輥到達(dá)底盤的長度（接電源銅導(dǎo)線忽略不計(jì)）。鋼管通過成型器7組微型輥形成環(huán)形電流，構(gòu)成安培環(huán)路［10］，加劇鋼管的磁化，大的電流通過管體改變了磁疇中的電子自旋磁矩的方向，使鋼管帶磁，這是螺旋縫焊管帶磁的原因。鋼管表面不帶磁，管端帶磁。

圖1 螺旋縫埋弧焊管內(nèi)、外電流路徑示意

圖2 成型輥導(dǎo)電形成安培環(huán)路示意

大多數(shù)螺旋縫焊管制造廠家把焊機(jī)電源負(fù)極（DC-、AC-）接在成型器盤上，其作用是用成型輥、焊墊輥及導(dǎo)向輥等輥組接觸板面或管體導(dǎo)電。這種方法不可取，因?yàn)楫?dāng)電通過成型輥、焊墊輥及導(dǎo)架輥會產(chǎn)生磁性，阻礙電流的通過，輥面接觸管體面積經(jīng)常發(fā)生瞬時(shí)變化，影響電源回路導(dǎo)電的穩(wěn)定性，同時(shí)影響焊道的形狀，降低了電能的利用效率。

3 焊管磁感應(yīng)強(qiáng)度

電流通過磁介質(zhì)時(shí)，會產(chǎn)生磁感應(yīng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流密度、磁介質(zhì)體積及磁介質(zhì)導(dǎo)磁率有關(guān)；磁感應(yīng)強(qiáng)度既有方向，也有大小，是一個(gè)矢量。內(nèi)焊電流In、外焊電流Iw傳導(dǎo)到管體上，再從管體上經(jīng)成型輥、焊墊輥、導(dǎo)架輥等傳導(dǎo)到成型器底盤上的電源負(fù)極，構(gòu)成閉合回路，形成安培環(huán)路。

假設(shè)管體內(nèi)某一點(diǎn)為r，其中R2∧r∧R1，r處磁場強(qiáng)度為：

式中H——磁場強(qiáng)度，A/m；

μ——磁導(dǎo)率，H/m；

R1——鋼管內(nèi)半徑，m；

R2——鋼管外半徑，m。

根據(jù)磁感應(yīng)強(qiáng)度公式B=μH及公式（1），可求得磁感應(yīng)強(qiáng)度B：

從公式（2）可以看出：管端磁感應(yīng)強(qiáng)度與通過的電流強(qiáng)度及管徑r有關(guān)。

4 焊管磁場強(qiáng)度計(jì)算

生產(chǎn)L245M鋼級Φ508 mm×7.1 mm螺旋縫埋弧焊管，焊接速度V為1.7 m/min，內(nèi)焊電流In為750 A，內(nèi)焊電壓Un為30 V，外焊電流Iw為800 A，外焊電壓Uw為32 V，磁導(dǎo)率μ為12.57×10-7H/m，焊接電源負(fù)極接在成型器底盤上，成型輥導(dǎo)電。由公式（2）可計(jì)算出r為250 mm處的磁感應(yīng)強(qiáng)度B為5.75 mT。

計(jì)算出的理論值與實(shí)際測量值基本接近，根據(jù)工藝設(shè)計(jì)的焊接電流參數(shù)及工況條件可以預(yù)先計(jì)算出管端磁場感應(yīng)強(qiáng)度。

5 焊管磁通量與磁感應(yīng)強(qiáng)度

螺旋縫埋弧焊管磁感應(yīng)如圖3所示。在管壁上取單元體abcd，磁感應(yīng)強(qiáng)度穿過的橫截面積dS，距離管中心為r，單元體的磁通量［14］為：

對單元體積分得管端磁通量：

圖3 螺旋縫埋弧焊管磁感應(yīng)

從公式（3）～（4）可以看出，對于同一種材質(zhì)、同一種規(guī)格、同一端面位置的鋼管，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小有下列關(guān)系：B=f［Ф（L，I）］［15］。可見，減小焊接電流I，縮短電流通過管體的路徑L，會使磁通量Ф減少，從而減小鋼管磁感應(yīng)強(qiáng)度。在保證滿足焊接工藝要求的前提下，應(yīng)合理控制焊接電流，以便降低焊管的磁感應(yīng)強(qiáng)度。在焊接速度確定后，焊接電流一般不可改變，但電流經(jīng)過的路徑長度可以在一定的范圍內(nèi)縮短，從而減小磁感應(yīng)強(qiáng)度。

6 降低管端磁性措施

從工藝技術(shù)上減小鋼管的磁性是研究的目的，但不可能用振動的方法去磁，也不可能把整根鋼管加熱到臨界溫度居里點(diǎn)（770℃）以上進(jìn)行消磁。

6.1 用線圈去磁

鋼管去磁，普遍采用線圈去磁法，即在一個(gè)圓形框架上纏繞絕緣導(dǎo)線。根據(jù)鋼管的帶磁多少，確定線圈的匝數(shù)和電流強(qiáng)度，選擇合適的電源，線圈直徑大小根據(jù)去磁的鋼管粗細(xì)確定，導(dǎo)線截面大小根據(jù)電流大小確定，經(jīng)開關(guān)控制，鋼管經(jīng)過線圈時(shí)打開電源，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，改變管體的磁自旋磁矩的方向，去除一部分磁，而不是全部去磁，這樣可以滿足工程上的需要，即管端剩磁量Bs=Bc-Bq≤3.0 mT，達(dá)到去磁的目的。其中，Bc為管端測磁量，mT；Bq為去磁量，mT。

生產(chǎn)L245M鋼級Φ508 mm×7.1 mm螺旋縫埋弧焊管時(shí)，測得管端磁感應(yīng)強(qiáng)度為6.0 mT，用線圈去磁半徑R為0.6 m，電源最大電流200 A，最大電壓40 V，電流控制在60 A，鋼管通過100匝線圈行走速度為2 m/min。由螺線管磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算公式計(jì)算出去磁量：

式中I—導(dǎo)線電流，A

n—線圈匝數(shù)，圈。

由公式（5）可計(jì)算出管端剩磁量Bs=Bc-Bq=2.0 mT∧3.0 mT，滿足工程需要。但用感應(yīng)線圈去磁，要消耗一部分電能，增加了生產(chǎn)成本。

6.2 縮短電流路徑L，采用電源負(fù)極接管外壁

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際設(shè)計(jì)制作，負(fù)極要盡可能靠近焊點(diǎn)，縮短L，減少Ф，即降低了B。導(dǎo)電刷如圖4所示。導(dǎo)電刷結(jié)構(gòu)簡單，4個(gè)刷塊靠在管壁上，刷塊呈圓弧形狀按管外壁半徑制作，截面面積按不小于載流1.6倍計(jì)算，為了保持刷頭接觸管外壁，采用杠桿原理放大力的作用制作支架，支架下端用拉力彈簧鎖定，這樣就保證刷頭緊靠管壁，用銅護(hù)套線連接在電源負(fù)極上，形成閉合回路。

圖4 導(dǎo)電刷示意

實(shí)踐證明：這種接法改變了鋼管的帶磁現(xiàn)象；經(jīng)過測試，鋼管帶磁量大大減少，僅有0～0.2 mT帶磁量，原有焊墊輥、成型輥吸入氧化鐵粉末現(xiàn)象消除，成型輥壽命提高，降低了生產(chǎn)成本。

7 結(jié)論

經(jīng)過以上分析可知，將電源負(fù)極接在成型器底盤上，成型輥?zhàn)鳛閷?dǎo)回路電極，增加了電流在管體上流經(jīng)路徑的長度，使成型輥成為類似螺旋線管電磁感應(yīng)線圈包圍著管坯，改變了磁自旋磁矩的方向，使管體產(chǎn)生磁性。要降低磁性，就要縮短管體上電流路徑長度。實(shí)踐證明，采取距離焊點(diǎn)近處管體外壁直接連接電源負(fù)極的做法，達(dá)到了縮短管體上電流路徑長度、有效地降低鋼管磁性的目的。

［1］陳楠，李建一，王海生，等.高強(qiáng)度小徑壁比SAWH鋼管結(jié)晶裂紋分析及控制措施［J］.鋼管，2014，43（2）：41-44.

［2］郭月珍，郭攀崗，田鵬，等.小管徑螺旋埋弧焊管應(yīng)力裂紋分析及防止措施初探［J］.鋼管，2001，30（1）：31-33.

［3］李少云，胡慶仰，韓寶成，等.鋼管焊縫100%檢測的X射線工業(yè)電視檢測方法［J］.鋼管，2011，40（4）：60-62.

［4］漆曙蓉，李佩娟，李少云，等.焊接鋼管X射線探臂升降調(diào)整裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)［J］.鋼管，2013，42（2）：67-69.

［5］白清春.X射線工業(yè)電視在焊管檢測中的應(yīng)用［C］//2007湖北·武漢NDT學(xué)術(shù)年會論文集，2007.

［6］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. GB/T 9711—2011石油天然氣工業(yè)管線輸送用鋼管［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

［7］API標(biāo)準(zhǔn)翻譯出版委員會.API Spec 5L—2013管線鋼管規(guī)范［S］.45版.北京：石油工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化研究所，2013：102-103.

［8］趙凱華，陳熙謀.電磁學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，1985：35-154.

［9］王薔，李國定，龔克.電磁場理論基礎(chǔ)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2001：98-165.

［10］夏明耀，王均宏.電磁場理論基礎(chǔ)與計(jì)算方法要論［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2013：47-86.

［11］馮慈璋，馬西奎.電磁場［M］.北京：高等教育出版社，1979：121-137.

［12］王澤忠.工程電磁場［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2011：56-89.

［13］周民強(qiáng).數(shù)學(xué)分析［M］.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2014：23-40.

［14］馮慈璋，馬西奎.工程電磁場導(dǎo)論［M］.北京：高等教育出版社，2000：57-98.

［15］同濟(jì)大學(xué)數(shù)學(xué)系.高等數(shù)學(xué)（下）［M］.6版.北京：高等教育出版社，2007：124-145.

Measures for Improving Residual Magnetism of SAWH Tube

LIU Hongfei，DU Yifeng
（Liaoyang Petroleum Steel Pipe Manufacture Co.，Ltd.，Liaoyang 111000，China）

The conditions of the magnetism-bearing blank tube are analyzed by means of measuring the residual magnetism of the SAWH tube as remaining during the operation process.Accordingly magnetic induction，magnetic field strength and magnetic flux of the tube are calculated，based on which measures to reduce tube end magnetism are proposed.The analysis result leads to such a conclusion that connecting the cathode to the pipe outer surface area that is close to the weld point can shorten the current path length，and thus obviously reduce the tube end magnetism.

SAWH tube；magnetization；Ampere circuit；magnetic induction；magnetic flux；demagnetization；improvement measures

TG441

B

1001-2311（2016）04-0062-04

2015-12-31）

劉洪飛（1956-），男，高級工程師，主要從事螺旋縫焊管生產(chǎn)工藝及設(shè)備管理工作。