邵春明，胡美娟，羅金恒，高繼江，張　杰

(1.中石油管道聯(lián)合有限公司西部分公司　新疆　烏魯木齊　830013；2.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　陜西　西安　710077)

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·試驗(yàn)研究·

管道熱開孔殘余應(yīng)力分析

邵春明1，胡美娟2，羅金恒2，高繼江1，張杰1

(1.中石油管道聯(lián)合有限公司西部分公司新疆烏魯木齊830013；2.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陜西西安710077)

摘要：采用小孔檢測(cè)法研究了在ERW電阻焊管直焊縫位置熱切割直徑為Φ26 mm和Φ50 mm的小孔，在焊縫附近位置開Φ26 mm小孔后管道上殘余應(yīng)力的分布情況。試驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)比ERW電阻焊管原始?xì)堄鄳?yīng)力分布曲線可知，熱開孔后，開孔邊緣應(yīng)力急劇上升，出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域。研究的三種情況下，在焊縫附近區(qū)域開孔對(duì)焊管原始?xì)堄鄳?yīng)力幅值影響最大，軸向和環(huán)向殘余應(yīng)力最大值分別約為母材的66%和72%。在直焊縫位置開Φ50 mm孔應(yīng)力集中區(qū)域最寬，最大距離距開孔中心約76 mm。

關(guān)鍵詞：ERW電阻焊管；熱開孔；小孔檢測(cè)法；殘余應(yīng)力

0引言

站場(chǎng)與閥室是石油天然氣儲(chǔ)存與運(yùn)輸過(guò)程中必不可少的組成部分。為了滿足閥門、儀表和法蘭等的安裝需要，站場(chǎng)和閥室設(shè)計(jì)中經(jīng)常會(huì)遇到在主管道上開孔的情況。特別是在初期國(guó)內(nèi)管道建設(shè)施工規(guī)范還不完善的條件下，現(xiàn)場(chǎng)管道多采用熱切割的開孔方式。這就可能導(dǎo)致開孔部位局部存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中，管道結(jié)構(gòu)不連續(xù)，進(jìn)而影響管道結(jié)構(gòu)的承載能力[1-3]。

目前對(duì)于管道開孔的研究主要集中于三通連接的開孔設(shè)計(jì)和應(yīng)力分析，對(duì)于用于閥門、儀表連接的小尺寸開孔對(duì)管道殘余應(yīng)力的研究幾乎沒有相關(guān)報(bào)道[4-6]。本文采用小孔檢測(cè)方法，針對(duì)西氣東輸二線站場(chǎng)/閥室中常用的ERW電阻焊管，分析研究了不同位置，不同大小熱開孔對(duì)于管道原始?xì)堄鄳?yīng)力影響程度，研究結(jié)果為正確設(shè)計(jì)、指導(dǎo)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行開孔、焊接具有重要的理論指導(dǎo)作用。

1試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1試驗(yàn)材料

目前，西氣東輸一線、二線站場(chǎng)/閥室內(nèi)管道常用的焊管類型為ERW電阻焊管，規(guī)格多為Φ406.4×12.5 mm和Φ457×14.2 mm，鋼級(jí) L415MB。本文的試驗(yàn)材料取自寶鋼生產(chǎn)的鋼級(jí)L415MB，Φ406.4×12.5 mm電阻焊管?；瘜W(xué)成分如表1所示，表中同時(shí)列出計(jì)算所得的CEⅡw、Ceq和Pcm值。材料的拉伸和沖擊性能見表2。

1.2試驗(yàn)方法

利用熱切割的方法分別在ERW電阻焊管焊縫位置開直徑為Φ26 mm和Φ50 mm的小孔，距離直焊縫13 mm位置開Φ26 mm左右小孔，具體如圖1所示。采用小孔檢測(cè)法分別對(duì)ERW電阻焊管原始?xì)堄鄳?yīng)力、以及開孔后的殘余應(yīng)力分布進(jìn)行測(cè)量。

表1　L415MB電阻焊管化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

Note:(1)CEⅡw=C+Mn/6+(Cu+Ni )/15 +(Cr + Mo +V)/5；

(2)Ceq=C+Mn/6+Si/24+Ni/15+Cr/5+Mo/4+Cu/13+P/2；

(3)Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+Ni/60+V/10+5B。

表2　L415MB電阻焊管力學(xué)性能

圖1　開孔和測(cè)點(diǎn)位置

殘余應(yīng)力測(cè)試采用BE120-2CA-K型應(yīng)變花和CM-1L-32型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀完成，盲孔鉆削在鉆床上進(jìn)行。從應(yīng)力測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)，各測(cè)點(diǎn)之間距離應(yīng)達(dá)到小孔直徑的6倍以上，即12 mm以上。測(cè)試過(guò)程中，結(jié)合管道的具體尺寸，對(duì)盲孔位置進(jìn)行了較合理的安排，保證測(cè)點(diǎn)與邊界保持15 mm以上，各測(cè)點(diǎn)之間保持12 mm以上。ERW電阻焊管上實(shí)際開孔位置、開孔尺寸和具體的殘余應(yīng)力測(cè)點(diǎn)位置如圖1所示。

2試驗(yàn)結(jié)果和分析

ERW電阻焊管焊接成型后，通過(guò)在線熱處理改善焊縫和熱影響區(qū)的組織和性能，這導(dǎo)致焊縫及其附近區(qū)域的殘余應(yīng)力分布較為均勻，且殘余應(yīng)力值低于管體區(qū)域。在焊縫位置和焊縫附近分別通過(guò)熱切割開Φ26 mm和Φ50 mm孔后ERW電阻焊管直焊縫上殘余應(yīng)力的分布曲線如圖2所示，焊管焊縫區(qū)域原始?xì)堄鄳?yīng)力以平均值的方式繪制在圖上。

圖2　開孔后距孔中軸線殘余應(yīng)力分布

由圖2可知，通過(guò)熱切割開孔冷卻后，開孔邊緣殘余應(yīng)力值迅速上升，環(huán)向殘余應(yīng)力的增加幅度相對(duì)大于軸向殘余應(yīng)力。隨著開孔直徑的增加，應(yīng)力的增加幅值減小，但應(yīng)力集中的影響范圍增大。當(dāng)在直焊縫中心開Φ26 mm孔后，如圖2(a)所示，焊縫線上軸向、環(huán)向殘余應(yīng)力的峰值相對(duì)于ERW電阻焊管原始狀態(tài)分別增加了2.6和3.6倍，約為母材屈服強(qiáng)度的56%。開孔后，軸向和環(huán)向應(yīng)力集中的影響范圍距離開孔中心分別為30 mm和26 mm。當(dāng)焊縫附近開Φ26 mm孔后，如圖2(b)所示，焊縫線上軸向、環(huán)向殘余應(yīng)力的峰值相對(duì)于ERW電阻焊管原始狀態(tài)分別增加了2.9和4.5倍，分別約為母材屈服強(qiáng)度的64%和72%。開孔后，軸向和環(huán)向應(yīng)力集中的影響范圍距離開孔中心分別為34 mm和28 mm。當(dāng)在焊縫中心開Φ50 mm孔后，如圖2(c)所示，焊縫線上軸向、環(huán)向殘余應(yīng)力的峰值相對(duì)于ERW電阻焊管原始狀態(tài)分別增加了2.2和2.7倍，分別約為母材屈服強(qiáng)度的48%和43%。開孔后，軸向和環(huán)向應(yīng)力集中的影響范圍距離開孔中心分別為76 mm和73 mm。綜上所述，熱切割開孔位置對(duì)ERW電阻直焊縫殘余應(yīng)力的影響較大，開孔位置緊切直焊縫后殘余應(yīng)力幅值增加最大。熱切割開孔大小對(duì)ERW電阻直焊縫應(yīng)力集中范圍影響較大，應(yīng)力集中程度隨著開孔直徑的增加而增加。

在焊縫中心和焊縫附近分別通過(guò)熱切割開Φ26 mm和Φ50 mm孔后距離ERW直焊縫不同距離殘余應(yīng)力的分布曲線如圖3所示。對(duì)比ERW電阻焊管原始狀態(tài)殘余應(yīng)力分布曲線圖3(a)，ERW電阻焊管上距焊縫不同距離殘余應(yīng)力分布較為均勻，熱切割開孔改變了其殘余應(yīng)力的原始分布狀態(tài)，同在直焊縫上基本一致，即開孔邊緣殘余應(yīng)力迅速上升，局部存在應(yīng)力集中區(qū)域。在直焊縫中心開Φ26 mm孔后，如圖3(b)所示，軸向、環(huán)向殘余應(yīng)力的峰值相對(duì)于ERW電阻焊管上的峰值殘余應(yīng)力分別增加了1.65和1.56倍，分別約為母材屈服強(qiáng)度的59%和54%。開孔后，軸向和環(huán)向應(yīng)力狀態(tài)改變范圍為距直焊縫43 mm內(nèi)。在焊縫附近開Φ26 mm孔后，如圖3(c)所示，軸向、環(huán)向殘余應(yīng)力的峰值相對(duì)于ERW電阻焊管上峰值殘余應(yīng)力分別增加了1.84和1.65 倍，分別約為母材屈服強(qiáng)度的66%和57%。開孔后，軸向和環(huán)向應(yīng)力狀態(tài)改變范圍約為距離直焊縫周圍44 mm。在焊縫中心開Φ50 mm孔后，如圖3(d)所示，軸向、環(huán)向殘余應(yīng)力的峰值相對(duì)于ERW電阻焊管上峰值殘余應(yīng)力分別增加了1.61和1.75 倍，分別約為母材屈服強(qiáng)度的60%和61%。開孔后，軸向和環(huán)向應(yīng)力狀態(tài)改變范圍約為距離直焊縫周圍55 mm。

對(duì)比三種方式熱切割開孔后的殘余應(yīng)力可知，當(dāng)在焊縫中心開Φ26 mm孔時(shí)，殘余應(yīng)力的分布較為規(guī)律，即開孔邊緣殘余應(yīng)力急劇上升，隨著距離的增加，開孔的影響逐漸減小。當(dāng)焊縫附近開Φ26 mm孔對(duì)ERW電阻焊管原始?xì)堄鄳?yīng)力幅值的影響最大，不僅孔邊緣殘余應(yīng)力峰值大，而且在應(yīng)力集中區(qū)域殘余應(yīng)力的波動(dòng)幅度也較大。通過(guò)統(tǒng)計(jì)可知，ERW電阻焊管上整體殘余應(yīng)力值較小，軸向和環(huán)向殘余應(yīng)力最大值分別約為母材屈服強(qiáng)度的38%和29%。焊縫附近開孔后，ERW電阻焊管上，軸向和環(huán)向殘余應(yīng)力最大值約為母材的66%和72%，分別增大了1.7和2.4倍。這主要是因?yàn)榫o切直焊縫熱開孔時(shí)，ERW焊縫側(cè)的受熱時(shí)間較長(zhǎng)。當(dāng)在焊縫中心開Φ50 mm孔時(shí)，由于受熱區(qū)域更大，應(yīng)力集中程度相對(duì)減小，殘余應(yīng)力的幅值相對(duì)是三種情況最小的，但是應(yīng)力集中的區(qū)域較大，特別是在直焊縫上影響區(qū)域高達(dá)51 mm。

圖3　開孔后距離直焊縫不同距離殘余應(yīng)力

3結(jié)論

通過(guò)小孔檢測(cè)法，對(duì)站場(chǎng)管道常用L415MB，Φ406.4×12.5 mm電阻焊管上熱切割開孔后的殘余應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)論如下：

1)ERW電阻焊管熱切割開孔后，開孔邊緣應(yīng)力急劇上升，出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域。

2)在ERW電阻焊管焊縫中心分別開直徑為Φ26 mm和Φ50 mm的小孔，焊縫附近位置開Φ26 mm左右小孔三種情況下，焊縫附近開孔對(duì)焊管原始?xì)堄鄳?yīng)力幅值影響最大，軸向和環(huán)向殘余應(yīng)力最大值分別約為母材的66%和72%。在焊縫中心開孔應(yīng)力集中區(qū)域最寬，最大距離距開孔中心約76 mm。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 孫正國(guó).管道開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),1993,12(1): 23-26.

[2] 孔令勤，王賢虎，范麗華.對(duì)96版《鍋規(guī)》在受壓元件上開孔規(guī)定的分析[J].鍋爐制造，1999，21(1)：31-32+38.

[3] 馬愛梅，鹿曉陽(yáng).管道開孔接管和三通設(shè)計(jì)及應(yīng)力分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2007,(7):50-51.

[4] 胡長(zhǎng)慶，陳凌.管道開孔補(bǔ)強(qiáng)中應(yīng)注意的問(wèn)題[J].鋼鐵技術(shù),2008,(6): 43-47.

[5] 薛巖.非常態(tài)下大口徑開孔管道性能研究[D].山東：山東大學(xué),2005.

[6] 胡美娟，邵春明，李鶴，HFW焊管殘余應(yīng)力分析[J].焊管,2016，39(4)：45-48.

Residual Stresses on Pipe LineAfter Heat Drilling Hole

SHAO Chunming1,HU Meijuan2,LUO Jinheng,GAO Jujiang,ZHANG Jie

(1.PetroChina West Pipeline Company,Wulumuqi,Xinjiang 830013,China；2.CNPC Tubular Goods Research Institute,State Key Laboratory of Performance and Structural Safety for Petroleum Tubular Goods and Equipment Materials,Xi’an,Shaanxi 710077,China)

Abstract：The residual stress distributions on the electric resistance weld pipe after heat drilling holes were studied through hole-drilling technique,which include one Φ26mm hole and one Φ50mm hole at the weld center,and one Φ26mm hole adjacent to the weld center.The results illustrated that as compared to the original residual stresses on ERW pipe,the residual stresses at the holes edge after heat drilling hole increased sharply and formed stress concentration areas.Heat drilling hole of Φ26mm tangent to weld center had great influence on the amplitude of residual stresses.And the diameter of heat drilling hole also had great influence on the stress concentration area.The max axial and circumferential stress values were about 66% and 72% of base metal yield strength respectively.The distance was about 76mm away from the weld center under the case of heat drilling hole of Φ50mm at weld center.

Key words：electric resistance weld pipe;heat drilling hole;hole-drilling technique;residual stress

第一作者簡(jiǎn)介：邵春明，男，1970年生，高級(jí)工程師，1992年畢業(yè)于西安石油學(xué)院化工設(shè)備與機(jī)械專業(yè)，現(xiàn)就職中石油西部管道公司，從事石油天然氣儲(chǔ)運(yùn)研究工作。E-mail：kjshaocm@petrochina.com.cn

中圖法分類號(hào)：TG457.11

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2096-0077(2016)03-0049-04

(收稿日期：2016-02-15編輯：葛明君)