董志強(qiáng) 畢宗岳 李 超 張建勛

1. 西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710049;2. 寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司鋼管研究院, 陜西 寶雞 721008

0 前言

在考慮更低的輸送成本和更高的輸送效率情況下,大口徑、高鋼級(jí)(X 70及以上鋼級(jí))已成為油氣輸送管的主要發(fā)展方向[1]。管道的制造過(guò)程中經(jīng)歷塑性成型,成型后管道不可避免地存在殘余應(yīng)力,殘余應(yīng)力對(duì)焊管的疲勞、腐蝕、穩(wěn)定性以及承壓能力均有顯著影響。螺旋焊管的殘余應(yīng)力分布規(guī)律遠(yuǎn)比直縫焊管的殘余應(yīng)力分布規(guī)律復(fù)雜,并且與管道尺寸和成型工藝密切相關(guān)。研究螺旋焊管的殘余應(yīng)力對(duì)提高管道的制造質(zhì)量,保證管道的安全運(yùn)行十分必要。

管道應(yīng)力測(cè)試的常用方法有盲孔法、X射線衍射法、切環(huán)法等,但管道內(nèi)部及厚度方向的應(yīng)力難以測(cè)試[2],近年來(lái)，有限元分析技術(shù)已大量應(yīng)用于管道應(yīng)力的研究中[3-4],在螺旋焊管殘余應(yīng)力研究方面,由于螺旋焊管的制造過(guò)程是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程,經(jīng)過(guò)銑邊、螺旋成型后進(jìn)行焊接,銑邊的應(yīng)力會(huì)疊加到螺旋焊管成型過(guò)程中,焊接是在成型模具的約束下進(jìn)行的,成型模具松開(kāi)管道會(huì)產(chǎn)生較大的回彈變形,而焊后管道應(yīng)力會(huì)重新分布,因此螺旋焊管成型后的應(yīng)力難以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試,對(duì)螺旋焊管的應(yīng)力測(cè)試及有限元研究多集中在焊接工藝后[5-7],但低應(yīng)力成型是精確控制管形的關(guān)鍵[8],而且成型的合縫質(zhì)量以及應(yīng)力會(huì)直接對(duì)焊接過(guò)程質(zhì)量產(chǎn)生較大影響,成型合縫控制不好會(huì)產(chǎn)生氣孔、夾渣、焊偏等焊接缺陷[9],成型應(yīng)力達(dá)到某一程度時(shí),就會(huì)將應(yīng)力傳遞到焊縫熔池中,影響焊縫結(jié)晶的穩(wěn)定形成,降低焊縫的力學(xué)性能[10],降低焊接質(zhì)量,甚至降低焊接速度[11],制造完成后的螺旋焊管在遠(yuǎn)離焊縫位置的應(yīng)力也主要是成型應(yīng)力。李宏等人[12]對(duì)螺旋焊管的成型過(guò)程進(jìn)行了有限元計(jì)算,計(jì)算結(jié)果表明成型內(nèi)輥下壓量對(duì)殘余應(yīng)力的影響遠(yuǎn)大于板寬對(duì)殘余應(yīng)力的影響。Yu Jianrong等人[13]用Abaqus軟件模擬了螺旋焊管的成型以及隨后的焊接過(guò)程,展示了從成型過(guò)程到焊接過(guò)程計(jì)算的關(guān)鍵步驟。李霄等人[14]利用Abaqus軟件對(duì)螺旋焊管成型過(guò)程進(jìn)行了仿真,研究結(jié)果表明當(dāng)成型輥下壓量為7 mm時(shí),成型后的螺旋焊管管徑符合要求。從以上研究可知成型內(nèi)輥下壓量對(duì)成型后螺旋焊管的管徑大小和成型應(yīng)力都有很大影響,成型出符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的螺旋焊管,需要合適的下壓量。

本文建立了與實(shí)際成型器基本一致的三維有限元模型,通過(guò)設(shè)置合理的有限元計(jì)算參數(shù),對(duì)螺旋焊管成型中應(yīng)力演變過(guò)程以及成型后應(yīng)力分布進(jìn)行計(jì)算,對(duì)比成型后焊管管徑與理論計(jì)算管徑,在此基礎(chǔ)上研究了不同鋼級(jí)、不同壁厚螺旋焊管的合適成型內(nèi)輥下壓量以及成型后應(yīng)力分布。研究成果，可為制造低殘余應(yīng)力、高質(zhì)量的螺旋焊管提供參考。

1 有限元模型

本文模擬的螺旋焊管采用外控式成型方式,成型的有限元模型見(jiàn)圖1,成型器的主要結(jié)構(gòu)由三組成型輥(成型內(nèi)輥組以及成型外輥組)以及五組外控輥組成。板料由遞送輥的動(dòng)力遞送至三組成型輥中,經(jīng)過(guò)三輥彎板后,再經(jīng)過(guò)五組外控輥的定徑作用而成型為所要管徑的管子,通過(guò)調(diào)整成型內(nèi)輥下壓量以及成型輥輪的傾角可以成型不同管徑的螺旋焊管。圖1中成型板板厚為14.6 mm,板長(zhǎng)為7 000 mm,板寬為1 449 mm,成型角為63°,經(jīng)式(1)計(jì)算成型后焊管直徑應(yīng)為1 016 mm,板料的兩條長(zhǎng)邊分別為自由邊和遞送邊,輥輪直徑為200 mm,每個(gè)輥組由20個(gè)小輥輪組成。建立1個(gè)垂直的擋板用以限制板料在水平方向的運(yùn)動(dòng),在板料的上下表面分別加兩個(gè)壓平板,用以限制板料在垂直于板面方向的上下運(yùn)動(dòng),壓板和擋板保證了成型板在成型過(guò)程中沿遞送方向前移。

cosα=B/πD

(1)

式中:α為成型角,°;B為板寬,mm;D為焊管直徑,mm。

本文研究的成型板材料有X 70、X 80以及X 90管線鋼,密度7.85 g/cm3,彈性模量206 GPa,泊松比0.3,擋板、壓板以及輥輪都設(shè)置為剛體。由于螺旋焊管的成型屬于彈塑性大變形問(wèn)題,同時(shí)因?yàn)榻饘俨牧显谒苄宰冃芜^(guò)程中存在加工硬化現(xiàn)象,所以在定義板料塑性時(shí)采用彈塑性硬化模型。依據(jù)管線鋼管規(guī)范API Spec 5 L對(duì)X 70、X 80以及X 90焊管的性能要求,確定不同鋼級(jí)管道的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系見(jiàn)表1[15-17],不同鋼級(jí)管道的組織不同,在彈塑性計(jì)算中表現(xiàn)為拉伸性能不同。板料的單元類型為8節(jié)點(diǎn)減縮積分單元C3D8R,厚度方向劃分了4層單元,一共劃分了996 262個(gè)單元,節(jié)點(diǎn)數(shù)為1 240 721個(gè),見(jiàn)圖2。經(jīng)過(guò)對(duì)比劃分更細(xì)密網(wǎng)格的模型計(jì)算結(jié)果以及提取偽應(yīng)變能與動(dòng)能的比值表明這個(gè)網(wǎng)格劃分方案可以保證結(jié)果準(zhǔn)確及提高計(jì)算效率。

圖1 有限元模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of finite element model

表1 不同鋼級(jí)管道成型板應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表

Tab.1 Stress-strain relationship of forming plate for different grades of steel pipelines

應(yīng)變不同鋼級(jí)管道成型板應(yīng)力/MPaX 70X 80X 900.0004855556250.0024975676620.0055105807000.0606107008050.100637725—0.140665——

圖2 成型板網(wǎng)格劃分圖Fig.2 Mesh of the forming plate

成型輥和外控輥都是被動(dòng)輥,依靠與板料表面的摩擦來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng),板料和輥輪之間屬于滾動(dòng)摩擦,摩擦系數(shù)為0.1[18-19]。螺旋焊管的成型過(guò)程可以作為準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程處理,所以整個(gè)計(jì)算采用ABAQUS的顯式動(dòng)力學(xué)模塊ABAQUS/Explicit進(jìn)行。

2 計(jì)算結(jié)果與討論

2.1 成型后內(nèi)外表面應(yīng)力分布

采用三維有限元數(shù)值模型,通過(guò)調(diào)整成型內(nèi)輥下壓量,成功模擬卷出了螺旋焊，管見(jiàn)圖3。由于本文研究的不同鋼級(jí)的管道尺寸及成型模具相同,成型后表面應(yīng)力有相似的分布規(guī)律,因此這里選取X 80螺旋焊管作為代表進(jìn)行高鋼級(jí)管道成型后內(nèi)外表面應(yīng)力分布分析。對(duì)卷出的螺旋焊管進(jìn)行分析,焊管外表面與外控輥都相切,整個(gè)焊管的圓度較好,成型后焊管管徑與理論計(jì)算管徑一致,成型后內(nèi)外表面最大Mises等效應(yīng)力在 200 MPa 左右。成型過(guò)程最大的應(yīng)力出現(xiàn)在成型內(nèi)輥下方位置,最大Mises等效應(yīng)力在600 MPa左右,超過(guò)了板材的屈服強(qiáng)度,因此板材在成型內(nèi)輥下方產(chǎn)生了塑性變形。

圖3 成型后螺旋焊管Mises等效應(yīng)力云圖Fig.3 Mises equivalent stress nephogram ofthe formed spiral pipeline

為了解應(yīng)力在管體的分布規(guī)律,在鋼管的內(nèi)外表面各定義一條路徑,起點(diǎn)是自由邊,終點(diǎn)是遞送邊,定義的路徑及沿定義路徑的應(yīng)力分布見(jiàn)圖4,除了自由邊附近的環(huán)向應(yīng)力,軸向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力在內(nèi)表面基本呈壓應(yīng)力分布；除了自由邊附近的環(huán)向應(yīng)力,軸向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力在外表面基本呈拉應(yīng)力分布,這是由于板材在成型過(guò)程中內(nèi)表面受壓,而外表面受拉。從圖4可看出，應(yīng)力在成型后管體的分布不均勻,有較大波動(dòng),這是由于成型輥組各個(gè)輥輪之間有間隙,因此板材有的部位受到輥輪擠壓,而有的部位沒(méi)有。軸向應(yīng)力在遞送邊和自由邊都很小,內(nèi)表面自由邊有較大的拉環(huán)向應(yīng)力,外表面遞送邊有較大的拉環(huán)向應(yīng)力。徑向應(yīng)力在內(nèi)外表面都很小,接近0 MPa。

2.2 成型過(guò)程應(yīng)力演變

為了研究螺旋焊管成型過(guò)程應(yīng)力的演變過(guò)程,在螺旋焊管內(nèi)表面、中間以及外表面各選取1個(gè)單元,單元應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖5。從圖5可看到，板料在經(jīng)過(guò)3個(gè)成型輥的彎曲變形之后,在3個(gè)成型輥中板料的Mises等效應(yīng)力最大,內(nèi)表面應(yīng)力超過(guò)板材屈服強(qiáng)度,而外表面及板厚中間部位最大Mises等效應(yīng)力比板材最大屈服強(qiáng)度低,板料穿過(guò)成型輥后,應(yīng)力值開(kāi)始迅速減小,內(nèi)外表面應(yīng)力減小幅度較大,中間部位略有減小,到外控輥時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于板材屈服強(qiáng)度,并且Mises等效應(yīng)力在經(jīng)過(guò)其余外控輥時(shí),板料應(yīng)力值變化很小,說(shuō)明螺旋焊管成型時(shí)的彈塑性變形主要發(fā)生在三輥彎板區(qū)域的,板料在成型過(guò)程中的最大Mises等效應(yīng)力出現(xiàn)在成型內(nèi)輥正下方,板料的塑性彎曲變形主要發(fā)生在成型輥之間,經(jīng)過(guò)成型輥后板料發(fā)生回彈,成型應(yīng)力減小。

a)內(nèi)表面a)Inner surface

b)外表面b)Outer surface

圖5 應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線圖Fig.5 The curve of stresses-time

2.3 不同鋼級(jí)螺旋焊管成型內(nèi)輥下壓量及應(yīng)力分析

本文對(duì)不同鋼級(jí)同一尺寸螺旋焊管的合適成型內(nèi)輥下壓量進(jìn)行了研究,在此基礎(chǔ)上研究了成型后螺旋焊管的環(huán)向應(yīng)力分布。圖6為X 70、X 80和X 90合適的成型內(nèi)輥下壓量,從圖6可看到，隨著鋼級(jí)的提高,合適的成型內(nèi)輥下壓量隨之增加,并且X 90與X 80,X 80與 X 70 合適的成型內(nèi)輥下壓量都相差1.3 mm。圖7為不同鋼級(jí)螺旋焊管成型后環(huán)向應(yīng)力分布,從前面的研究結(jié)果可知,螺旋焊管外表面基本呈拉應(yīng)力分布,而螺旋焊管外表面不直接面臨較強(qiáng)腐蝕性的石油天然氣,管道內(nèi)表面為壓應(yīng)力,因此這里不直接研究焊管內(nèi)外表面應(yīng)力,而取焊管遞送邊厚度方向應(yīng)力作為研究對(duì)象。從圖7-a)可知,不同鋼級(jí)螺旋焊管成型后外表面遞送邊的應(yīng)力隨鋼級(jí)增加而增加,外表面環(huán)向應(yīng)力呈拉應(yīng)力分布,內(nèi)表面環(huán)向應(yīng)力呈壓應(yīng)力分布,不同鋼級(jí)螺旋焊管厚度方向中間部位的環(huán)向應(yīng)力都接近0 MPa。從圖7-b)可知, X 70 和X 80管道軸向應(yīng)力在厚度方向基本一樣,X 90 管道軸向應(yīng)力比X 70和X 80大,和環(huán)向應(yīng)力一樣,外表面軸向應(yīng)力呈拉應(yīng)力分布,內(nèi)表面軸向應(yīng)力呈壓應(yīng)力分布,不同鋼級(jí)螺旋焊管厚度方向中間部位的軸向應(yīng)力都接近0 MPa。

圖6 不同鋼級(jí)焊管成型內(nèi)輥下壓量柱狀圖Fig.6 The press amount of inner roll for different grade pipelines

2.4 板厚對(duì)螺旋焊管成型內(nèi)輥下壓量及應(yīng)力分析

實(shí)際生產(chǎn)中，根據(jù)運(yùn)輸壓力不同制造不同壁厚螺旋焊管,同一批次的原材料板厚也會(huì)有一定差別,因此有必要研究成型板板厚對(duì)成型參數(shù)及成型應(yīng)力的影響。本文研究了14.6、18.4、21.4 mm的X 80螺旋焊管的成型過(guò)程,結(jié)果見(jiàn)圖8。從圖8可看出，隨著成型板板厚增加,合適的成型內(nèi)輥下壓量減小,這是由于板厚增加回彈量相應(yīng)減小。從圖9-a)可看出，遞送邊的環(huán)向應(yīng)力隨板厚增加而減小,不同厚度管道環(huán)向應(yīng)力在中間層最小接近0；從圖9-b)可看出，遞送邊的軸向應(yīng)力在厚度方向分布基本一樣。

a)環(huán)向應(yīng)力a)Hoop stress

b)軸向應(yīng)力b)Axial stress

圖8 不同厚度板材的合適成型內(nèi)輥下壓量柱狀圖Fig.8 The appropriate press amount of inner rollfor plates of different thickness

a)環(huán)向應(yīng)力a)Hoop stress

b)軸向應(yīng)力b)Axial stress

3 結(jié)論

1)螺旋焊管成型后應(yīng)力在管體分布不均勻。除了自由邊及附近環(huán)向應(yīng)力,成型后內(nèi)表面的軸向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力呈壓應(yīng)力分布,外表面的軸向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力呈拉應(yīng)力分布。

2)板料在彎曲成型過(guò)程中,處于三輥彎板區(qū)域的成型內(nèi)輥下方時(shí),成型應(yīng)力最大,經(jīng)過(guò)成型輥后板材發(fā)生回彈變形,應(yīng)力減小,在經(jīng)過(guò)外控輥時(shí),應(yīng)力不發(fā)生明顯變化。

3)相同管徑的螺旋焊管,隨著鋼級(jí)提高,合適的成型內(nèi)輥下壓量隨之增加。內(nèi)外表面遞送邊的環(huán)向應(yīng)力都隨著鋼級(jí)的升高而增大,X 70和X 80螺旋焊管軸向應(yīng)力基本一樣,都明顯比X 90螺旋焊管軸向應(yīng)力小。

4)隨著成型板板厚增加,合適的成型內(nèi)輥下壓量減小。遞送邊的環(huán)向應(yīng)力隨厚度增加而減小,軸向應(yīng)力隨成型板板厚變化較小。