一種高鋼級大口徑螺旋埋弧焊管殘餘應力預測及驗證方法與流程
2023-10-09 01:52:09 2
本發明屬於測試技術領域，涉及一種對高鋼級大口徑螺旋焊管殘餘應力水平及分布進行測試和驗證的方法，適用於鋼級≥X70，直徑≥900㎜，成型焊接方式為：螺旋埋弧焊。
背景技術：
為了降低成本、提高輸送效率，管道建設迅速向長距離、高輸送壓力以及複雜地域發展。高鋼級、大口徑輸送用焊管已成為當今油氣輸送管道的發展方向。螺旋埋弧焊管是由熱軋板卷在成型機組中連續成型焊接而成，其成型工藝與直縫埋弧焊管不同，焊縫形式也不同。由於成型過程中成型輥下壓方向與板材遞送方向不一致，成型輥的調整可能造成其受力不同，而且螺旋埋弧焊管在製造過程中，無冷擴徑工序，所以螺旋埋弧焊管的殘餘應力狀態更加複雜。內部存在較大的殘餘拉應力是限制螺旋焊管使用的主要原因之一，亦是螺旋埋弧焊管的薄弱環節之一，而且隨著焊管鋼級的提高和壁厚的增大，這一問題將更加突出。
殘餘應力會對焊管制造質量和使用性能產生影響，是產生管體應力腐蝕和各種焊接裂紋的主要力學因素之一；在服役條件下，尤其是低溫及動載荷條件下，會不同程度地降低焊管的承載能力和使用壽命；此外還會影響焊管的尺寸穩定性。而且隨著鋼級的提高、壁厚的增大，在成型過程中通過調整成型參數對殘餘應力進行控制的難度也會增大。因此，預測和測試高鋼級大口徑螺旋焊管殘餘應力，分析其產生的工藝因素，進而在制管過程中對高鋼級大口徑螺旋埋弧焊管的殘餘應力進行控制，具有非常重要的意義，可提高螺旋焊管質量、擴大其使用範圍，降低管道工程建設的成本。
切環試驗法簡便易行，在高鋼級大口徑螺旋埋弧焊管的生產中應用較廣。該方法的基本原理是通過沿焊管軸向將管線切開，這樣切口兩邊往往會發生相應的位置變化，從而將管線中所儲存的殘餘應力釋放出來。根據切口兩邊所發生的位置變化(位移)，按照一定程序就可以推算出殘餘應力。
根據文獻調研分析，國內外一直沒有較為成熟的焊管殘餘應力計算公式，通常僅用切環試驗作為生產中監控殘餘應力的方法，用切口張開間距作為衡量殘餘應力的指標。專利ZL2007101181324「螺旋縫埋弧焊管的殘餘應力計算方法」雖然提出了螺旋縫埋弧焊管中殘餘應力的評價計算方法，但由於高鋼級大口徑螺旋埋弧焊管切環後所出現的現象較為複雜，仍需要對螺旋縫埋弧焊管中殘餘應力的評價計算方法進行完善。並且，對於所提出的方法還應採用一種方法進行試驗驗證，以驗證該方法的正確性。
技術實現要素：
為解決現有技術中存在的上述缺陷，本發明的目的在於提供一種針對高鋼級大口徑螺旋埋弧焊管切環試驗後所表現出的複雜現象，提出其殘餘應力的評價計算方法，以便對螺旋焊管的殘餘應力進行評價和控制，提高螺旋焊管的質量，擴大其使用範圍，降低管道工程建設的成本。針對本發明提出的高鋼級大口徑螺旋焊管殘餘應力預測公式，提出了一種在切環試驗時對其進行驗證的用應變片法，以驗證該預測方法的正確性及可行性。
本發明是通過下述技術方案來實現的。
一種高鋼級大口徑螺旋埋弧焊管殘餘應力預測及驗證方法，包括下述步驟：
(1)採用切環試驗對高鋼級大口徑螺旋埋弧焊管的殘餘應力進行預測：
1)採用切環試驗將螺旋縫埋弧焊管沿軸向切開，管段切口兩側沿軸向會發生錯動Δz、沿著周向張開ΔL，並且兩邊所在圓周也會發生Δr的徑向錯位；
2)設鋼管的原始直徑為D，管壁厚度為h，則沿軸向切開後，在圓柱坐標系下各方向的應變進行分析；
3)管段經切環試驗切開後發生三個方向形狀變化所對應的原始狀態應力分布；用彈性力學的疊加原理給出了管段切開後複雜變形情況的宏觀應力分布，其中軸向錯位和周向張開體現了管段內宏觀應力的部分，徑向錯位反映出管段內應力分布的不均勻性；切環試驗中高鋼級大口徑螺旋埋弧焊管殘餘應力τ*殘的預測公式如下：
式中：E為彈性模量，MPa；h為壁厚，mm；D為鋼管外徑，mm；ΔL為管段周向張開量，mm；Δz為管段軸向錯位，mm；Δr為管段徑向錯位，mm；
(2)採用應變片法對高鋼級大口徑螺旋埋弧焊管殘餘應力預測公式進行驗證：
1)對進行切環試驗的螺旋縫埋焊管管段，在管壁外表面沿圓周等間距貼上若干個應變片，然後進行切環試驗，將管段沿軸向切開，測試記錄管段沿軸向切開前後應變片上的讀數變化；
2)由應變片所測得的應變值可以計算出相應的殘餘應力；
3)根據各點應變片測得的應變值計算出相應的各點的殘餘應力τ'max，然後將各點的殘餘應力τ'max取平均值，得到將與基於切環試驗的高鋼級大口徑螺旋埋弧焊管的殘餘應力預測值τ*殘進行比較，若各點的殘餘應力平均值與殘餘應力預測值τ*殘的差值在20％以內，則高鋼級大口徑螺旋埋弧焊管殘餘應力的預測公式準確可行。
進一步，所述步驟(2)-1)中，在管壁外表面沿圓周等間距貼上若干個應變片測試記錄管段沿軸向切開前後應變片上的讀數變化。
進一步，所述步驟(2)-2)中，由應變片所測得的應變值計算出相應的殘餘應力，通過下述方法得到：
計算時，取0°方向與周向平行，90°方向沿管道軸向；則主應力為：
式中，σ1為最大主應力，MPa；σ2為最小主應力，MPa；
ε0°為焊管0°方向的應變，με；ε90°為焊管90°方向的應變，με；ε45°為即與焊管周向成45°方向的應變，με；ν為泊松比；E為彈性模量；
相應的最大剪應力為，
最大主應力與0°方向的夾角2φ：
<![CDATA[ t g 2 φ = 2 45 - 0 - 90 0 - 90 - - - ( 5 ) . ]]>
進一步，所述0°方向即與焊管周向平行的方向。
進一步，所述90°方向即沿焊管軸向的方向。
本發明針對高鋼級大口徑螺旋埋弧焊管殘餘應力預測及驗證，提出了一種基於切環試驗的方法的殘餘應力預測計算方法以及基於應變片法的驗證方法，可產生如下效果：
(1)本發明提出的高鋼級大口徑螺旋埋弧焊管殘餘應力評價計算方法可用於對其殘餘應力進行評價和控制，從而提高高鋼級大口徑螺旋焊管的質量，擴大其使用範圍，降低管道工程建設的成本。
(2)本發明提出的對高鋼級大口徑螺旋焊管殘餘應力預測公式進行驗證的方法可用於對本發明提出的高鋼級大口徑螺旋焊管殘餘應力預測公式進行驗證，以證實其正確性和可行性；也可在進行切環試驗時同時使用，以實現對高鋼級大口徑螺旋焊管殘餘應力的預測和測試。
附圖說明
圖1(a)、(b)為切環法沿軸向切割後的焊管外觀示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對發明作進一步的詳細說明，但並不作為對發明做任何限制的依據。
本發明一種高鋼級大口徑螺旋埋弧焊管殘餘應力預測及驗證方法，包括下述步驟：
(1)採用切環試驗對高鋼級大口徑螺旋埋弧焊管的殘餘應力進行預測：
1)採用切環試驗將螺旋縫埋弧焊管沿軸向切開，管段切口兩側沿軸向會發生錯動Δz、沿著周向張開ΔL，並且兩邊所在圓周也會發生Δr的徑向錯位；
2)設鋼管的原始直徑為D，管壁厚度為h，則沿軸向切開後，在圓柱坐標系下各方向的應變進行分析；
3)管段經切環試驗切開後發生三個方向形狀變化所對應的原始狀態應力分布；用彈性力學的疊加原理給出了管段切開後複雜變形情況的宏觀應力分布，其中軸向錯位和周向張開體現了管段內宏觀應力的部分，徑向錯位反映出管段內應力分布的不均勻性；切環試驗中高鋼級大口徑螺旋埋弧焊管殘餘應力τ*殘的預測公式如下：
式中：E為彈性模量，MPa；h為壁厚，mm；D為鋼管外徑，mm；ΔL為管段周向張開量，mm；Δz為管段軸向錯位，mm；Δr為管段徑向錯位，mm；
(2)採用應變片法對高鋼級大口徑螺旋埋弧焊管殘餘應力預測公式進行驗證：
1)對進行切環試驗的螺旋縫埋焊管管段，在管壁外表面沿圓周等間距貼上若干個應變片，然後進行切環試驗，將管段沿軸向切開，測試記錄管段沿軸向切開前後應變片上的讀數變化；
2)由應變片所測得的應變值可以計算出相應的殘餘應力；
計算時，取0°方向與周向平行，90°方向沿管道軸向；則主應力為：
式中，σ1為最大主應力，MPa；σ2為最小主應力，MPa；
ε0°為焊管0°方向(即與焊管周向平行的方向)的應變，με；ε90°為焊管90°方向(即沿焊管軸向的方向)的應變，με；ε45°為即與焊管周向成45°方向的應變，με；ν為泊松比；E為彈性模量；
相應的最大剪應力為，
最大主應力與0°方向的夾角2φ：
<![CDATA[ t g 2 φ = 2 45 - 0 - 90 0 - 90 - - - ( 5 ) . ]]>
3)根據各點應變片測得的應變值計算出相應的各點的殘餘應力τ'max，然後將各點的殘餘應力τ'max取平均值，得到將與基於切環試驗的高鋼級大口徑螺旋埋弧焊管的殘餘應力預測值τ*殘進行比較，若各點的殘餘應力平均值與殘餘應力預測值τ*殘的差值在20％以內，則高鋼級大口徑螺旋埋弧焊管殘餘應力的預測公式準確可行。切環法沿軸向切割後的焊管外觀見圖1(a)、(b)。
下面給出具體實施例對本發明進行進一步詳細說明。
對於X80 1219mm×18.4mm螺旋埋弧焊管，切取長度為200mm管段進行切環試驗，切口周向張開量為50mm，軸向錯開量為0mm徑向錯開量為10mm，則採用本發明提出的高鋼級大口徑螺旋埋弧焊管殘餘應力預測方法，該焊管的殘餘應力為57.4MPa。
對於上述X 80 1219mm×18.4mm螺旋埋弧焊管長度為200mm的管段，在管壁外測沿圓周均勻的貼上8個應變片，然後將管段沿軸向切開，並測試管段沿軸向切開前後應變片上的讀數變化以及管段切開後的周向張開量、切口兩側沿軸向的位移量和沿徑向的錯位量。表1為按本發明提出的切環試驗殘餘應力預測公式給出的殘餘應力值與應變片法測試結果的對比。可見，管段各點的殘餘應力平均值與殘餘應力預測值τ*殘的差值約為17％。
表1本發明提出的切環試驗殘餘應力預測公式給出的殘餘應力值與應變片法測試結果對比
本發明並不局限於上述實施例，在本發明公開的技術方案的基礎上，本領域的技術人員根據所公開的技術內容，不需要創造性的勞動就可以對其中的一些技術特徵作出一些替換和變形，這些替換和變形均在本發明的保護範圍內。