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(中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安 710077)

0 引 言

2000年以來(lái)，隨著我國(guó)油氣管道建設(shè)的迅猛發(fā)展，高壓大口徑長(zhǎng)距離輸送成為我國(guó)管道輸送的發(fā)展趨勢(shì)，這使得高鋼級(jí)大口徑焊管的需求量不斷增長(zhǎng)。目前，高鋼級(jí)大口徑焊管主要有螺旋縫埋弧焊管(SAWH焊管)和直縫埋弧焊管(SAWL焊管)等2種。SAWH焊管成型過(guò)程是板料彎曲的過(guò)程，經(jīng)歷了預(yù)彎、輥彎、定徑等3個(gè)階段；該成型過(guò)程是一個(gè)連續(xù)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，在該過(guò)程中鋼帶與焊管的軸向有一定角度，使得焊管內(nèi)部存在軸向應(yīng)力和周向應(yīng)力。SAWL焊管按成型方式可分為UOE和JCOE等2種焊管：UOE焊管成型時(shí)鋼板依次經(jīng)歷U成型、O成型，以及焊接后的冷擴(kuò)徑(Expanding，E)等工序；JCOE焊管采用一種漸進(jìn)式多步模壓成型技術(shù)，即依次經(jīng)歷J成型、C成型、O成型，該過(guò)程由數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，保證沿長(zhǎng)度方向的各部位變形均勻，成型后同樣有冷擴(kuò)徑工序(E)，焊管受膨脹頭的作用發(fā)生塑性變形。焊管中的殘余應(yīng)力是在制管和焊接過(guò)程中形成的。

殘余應(yīng)力會(huì)對(duì)焊管的承載能力、疲勞強(qiáng)度和腐蝕行為產(chǎn)生影響，從而影響管道的運(yùn)行安全。目前，殘余應(yīng)力的測(cè)試方法較多，有切環(huán)法[1-2]、切塊法[3]、盲孔法[4-6]、磁性法[4]、中子衍射法[7]、X射線法[8]、數(shù)值模擬[9]、解析分析[10-11]等。其中，適用于焊管的殘余應(yīng)力測(cè)試方法主要有切環(huán)法和盲孔法。切環(huán)法是焊管生產(chǎn)中常用的殘余應(yīng)力測(cè)試方法，其優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)便、直觀、便于比較、便于在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行質(zhì)量控制，缺點(diǎn)是測(cè)試結(jié)果為變形量(位移量)，需進(jìn)行換算，且其為破壞性試驗(yàn)，會(huì)造成一定的材料損耗。盲孔法在工程和試驗(yàn)研究中應(yīng)用較廣，其優(yōu)點(diǎn)是理論基礎(chǔ)扎實(shí)、操作較為簡(jiǎn)單、測(cè)量數(shù)據(jù)可靠、重復(fù)性好，缺點(diǎn)是其測(cè)量結(jié)果僅反映表層幾個(gè)毫米深度范圍的殘余應(yīng)力。

目前，國(guó)內(nèi)強(qiáng)度級(jí)別最高、口徑最大、運(yùn)行壓力最高的“西氣東輸”二線工程使用的鋼管為規(guī)格φ1 219 mm的X80鋼級(jí)SAWL焊管和最大壁厚18.4 mm的X80鋼級(jí)SAWH焊管。該管線一干八支，總長(zhǎng)度超過(guò)9 000 km，設(shè)計(jì)輸氣能力為每年300億m3，總投資1 422億元，是目前世界上最大的管道工程項(xiàng)目。增加鋼管壁厚是進(jìn)一步增大管線輸送壓力、提高輸送效率的行之有效的一種方法，為此有關(guān)管廠進(jìn)行了規(guī)格φ1 219 mm×22.0 mm的X80鋼級(jí)SAWH焊管的試制工作。

為了進(jìn)一步掌握壁厚達(dá)22.0 mm的X80鋼級(jí)埋弧焊管的殘余應(yīng)力水平及分布規(guī)律，進(jìn)而采取措施對(duì)其進(jìn)行性能調(diào)控，作者采用盲孔法和切環(huán)法對(duì)規(guī)格φ1 219 mm×22.0 mm的X80鋼級(jí)SAWH焊管和SAWL焊管(包括UOE焊管和JCOE焊管)的殘余應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)試和對(duì)比，并對(duì)SAWH焊管殘余應(yīng)力的測(cè)試結(jié)果及產(chǎn)生原因進(jìn)行了初步探討，對(duì)其殘余應(yīng)力的控制提出了建議，以期為該焊管的批量生產(chǎn)提供借鑒。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為X80鋼級(jí)焊管，包括SAWH焊管、UOE焊管和JCOE焊管等3種管型，規(guī)格均為φ1 219 mm×22.0 mm。

按照ASTM E837-13a，采用MTS3000-Restan應(yīng)力檢測(cè)儀，應(yīng)用盲孔法進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試。測(cè)試管段采用火焰切割的方法從焊管上截取，長(zhǎng)度為2.5～3.0 m。分別在該管段焊管內(nèi)外表面，沿周向均勻取8個(gè)點(diǎn)(見(jiàn)圖1)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試點(diǎn)1距離焊縫的弧長(zhǎng)約為200 mm。鉆孔直徑為1.2 mm，孔深為2.0 mm。

圖1 盲孔法測(cè)殘余應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)的分布Fig.1 Testing point distribution for residual stress bycentre-hole drillong method

切環(huán)法測(cè)試殘余應(yīng)力的基本原理是當(dāng)沿焊管軸向?qū)⑵淝虚_(kāi)后，切口兩邊會(huì)因殘余應(yīng)力的釋放而發(fā)生位移(如圖2所示)，根據(jù)此位移可以得到相應(yīng)的應(yīng)變，進(jìn)而推算出殘余應(yīng)力[1]。殘余應(yīng)力的計(jì)算公式為

(1)

圖3 盲孔法測(cè)得不同焊管內(nèi)外表面的周向和軸向殘余應(yīng)力沿管體(測(cè)試點(diǎn)位置見(jiàn)圖1)的分布Fig.3 Distribution along pipe body for circumference (a, c) and axis (b, d) residual stresses on outer (a, b) and internal (c, d) surfaces ofdifferent welded pipes by centre-hole drilling method (test poit positions shown in Fig.1)

采用火焰切割法沿軸向截取寬度分別為100，200，300，400 mm的管段，在距焊縫100 mm處將管段切開(kāi)，采用鋼板尺分別測(cè)量各管段的周向張開(kāi)量、軸向錯(cuò)位和徑向錯(cuò)位，代入式(1)計(jì)算得到殘余應(yīng)力。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 切環(huán)法測(cè)得的殘余應(yīng)力

由表1可知：切環(huán)試驗(yàn)后，SAWH焊管的周向張開(kāi)量為正值，即表現(xiàn)為張開(kāi)型，軸向和徑向亦發(fā)生了一定的變形，殘余應(yīng)力較大。UOE焊管和JCOE焊管僅在周向發(fā)生變形，均為張開(kāi)型，無(wú)軸向及徑向變形；UOE焊管的周向張開(kāi)量最小，殘余應(yīng)力水平總體最低，JCOE焊管的周向張開(kāi)量比UOE焊管的大，殘余應(yīng)力水平相對(duì)較高。JCOE焊管的周向張開(kāi)量與SAWH焊管的相差較小，但殘余應(yīng)力相差很大，可見(jiàn)軸向錯(cuò)位和徑向錯(cuò)位對(duì)殘余應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果影響較大。管段寬度對(duì)測(cè)試結(jié)果影響較小。

表1 不同焊管的殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果(切環(huán)法)Table 1 Testing results for residual stress of differentwelded pipes (cut-ring method)

2.2 盲孔法測(cè)得的殘余應(yīng)力及其分布

由圖3和表2可以看出：SAWH焊管外表面不同測(cè)試點(diǎn)處的周向和軸向殘余應(yīng)力均為拉應(yīng)力，大部分測(cè)試點(diǎn)處的殘余應(yīng)力絕對(duì)值均高于UOE焊管和JCOE焊管的，其平均值遠(yuǎn)大于UOE焊管和JCOE焊管的；UOE焊管和JCOE焊管外表面絕大部分測(cè)試點(diǎn)處的周向和軸向殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，JCOE焊管外表面的周向殘余應(yīng)力平均值高于UOE焊管的，其軸向殘余應(yīng)力平均值與UOE焊管的相當(dāng)；SAWH焊管內(nèi)表面的周向和軸向殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力，平均殘余應(yīng)力的絕對(duì)值高于UOE焊管和JCOE焊管的；JCOE焊管內(nèi)表面不同測(cè)試點(diǎn)處的周向殘余應(yīng)力基本上為壓應(yīng)力，UOE焊管內(nèi)表面周向殘余應(yīng)力沿管體周向呈現(xiàn)出拉、壓變化的趨勢(shì)，平均周向殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力，且JCOE焊管的平均周向殘余壓應(yīng)力高于UOE焊管的；JCOE焊管內(nèi)表面不同測(cè)試點(diǎn)處的軸向殘余應(yīng)力沿管體周向呈拉、壓變化的趨勢(shì)，平均軸向殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，UOE焊管內(nèi)表面軸向殘余應(yīng)力基本上為拉應(yīng)力，平均軸向殘余應(yīng)力仍為拉應(yīng)力。

表2不同焊管內(nèi)外表面殘余應(yīng)力平均值(盲孔法)

Table2Averageresidualstressesonouterandinternalsurfacesofdifferentweldedpipes(centre-holedrillingmethod)

MPa

總體而言，盲孔法測(cè)得的SAWH焊管的殘余應(yīng)力水平高于UOE焊管和JCOE焊管的，且JCOE焊管的高于UOE焊管的，與切環(huán)法得到的結(jié)論相符。

2.3 SAWH焊管殘余應(yīng)力形成原因及控制建議

在SAWH焊管成型時(shí)，成型輥壓下量不足，板材變形不充分，應(yīng)變量偏低，導(dǎo)致成型后的半徑大于所要求的半徑，因此其內(nèi)表面受拉、外表面受壓。在采用工藝措施使半徑較大的圓弧變?yōu)榘霃捷^小的圓弧時(shí)，焊管外表面承受的應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力，內(nèi)表面的變?yōu)閴簯?yīng)力，且壓應(yīng)力較低，在厚度方向上總體呈拉伸狀態(tài)；此外，成型時(shí)不同部位板材受力不均勻。以上因素造成了較高的周向應(yīng)力及不均勻的徑向應(yīng)力，因此切環(huán)試驗(yàn)后管段的周向張開(kāi)量和徑向錯(cuò)位較大。盲孔法的測(cè)試結(jié)果亦說(shuō)明了這一點(diǎn)。

對(duì)于高壓大口徑油氣輸送管道，一般要求焊管的殘余應(yīng)力應(yīng)小于1/6σt0.5(σt0.5為管材屈服強(qiáng)度)，即93 MPa；“西氣東輸”二線工程對(duì)規(guī)格φ1 219 mm×18.4 mm的SAWH焊管殘余應(yīng)力的測(cè)試要求為“切口張開(kāi)間距不應(yīng)大于90 mm，同時(shí)應(yīng)測(cè)量軸向及徑向的錯(cuò)開(kāi)量，供參考”，其對(duì)應(yīng)的殘余應(yīng)力為83.9 MPa。因此，建議將用于高壓大口徑輸送管道的規(guī)格φ1 219 mm×22.0 mm的X80鋼級(jí)SAWH焊管殘余應(yīng)力的測(cè)試要求設(shè)定為“切口張開(kāi)間距不應(yīng)大于80 mm，同時(shí)應(yīng)測(cè)量軸向及徑向的錯(cuò)開(kāi)量，供參考”，其對(duì)應(yīng)的殘余應(yīng)力為85.6 MPa。由表1可知，SAWH焊管殘余應(yīng)力的平均值為148.7 MPa。因此，需要對(duì)該規(guī)格的X80鋼級(jí)SAWH焊管的殘余應(yīng)力進(jìn)行進(jìn)一步控制。在規(guī)格φ1 219 mm×22.0 mm的X80鋼級(jí)SAWH焊管的生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)適當(dāng)增加壓下量，同時(shí)在成型輥布置和調(diào)整時(shí)應(yīng)盡量使板材的不同部位受力均勻。

3 結(jié) 論

(1) 切環(huán)試驗(yàn)后，規(guī)格φ1 219 mm×22.0 mm的X80鋼級(jí)SAWH焊管的周向張開(kāi)量、軸向及徑向錯(cuò)位均較大，殘余應(yīng)力較高，平均殘余應(yīng)力為148.7 MPa；相同鋼級(jí)和規(guī)格的UOE焊管和JCOE焊管的周向張開(kāi)量較小，無(wú)軸向及徑向錯(cuò)位，殘余應(yīng)力較小，平均殘余應(yīng)力分別為37.0，69.3 MPa。

(2) 采用盲孔法，測(cè)得SAWH焊管外表面周向和軸向的平均殘余應(yīng)力分別為132.1，160.9 MPa，內(nèi)表面的分別為-218.0，-185.5 MPa，整體殘余應(yīng)力水平較UOE焊管和JCOE焊管的高。

(3) 建議將規(guī)格φ1 219 mm×22.0 mm的X80鋼級(jí)SAWH焊管殘余應(yīng)力的控制指標(biāo)定為“切口張開(kāi)間距不應(yīng)大于80 mm”。