王佳,王斌,馬紅霞

(1.渤海裝備華油鋼管有限公司,河北 滄州 062658;2.華油一機(jī)(河北)鉆井裝備有限公司,河北 滄州 062658;3.達(dá)力普石油專用管有限公司,河北 滄州 061000)

成型過(guò)程對(duì)焊管殘余應(yīng)力的影響分析

王佳1,王斌2,馬紅霞3

(1.渤海裝備華油鋼管有限公司,河北 滄州 062658;2.華油一機(jī)(河北)鉆井裝備有限公司,河北 滄州 062658;3.達(dá)力普石油專用管有限公司,河北 滄州 061000)

現(xiàn)如今,輸送管在工程中的應(yīng)用率不斷提高,并逐漸向大口徑方向發(fā)展,螺旋焊管焊接的過(guò)程中應(yīng)合理控制殘余應(yīng)力,全面提升焊接質(zhì)量,提供消除殘余應(yīng)力的理論依據(jù).本文首先針對(duì)渤海裝備華油鋼管有限公司螺旋焊管進(jìn)行成型介紹,然后分析了焊管殘余應(yīng)力控制技術(shù),最后探究了成型過(guò)程對(duì)焊管殘余應(yīng)力的影響.

成型;焊管;殘余應(yīng)力;影響分析

隨著螺旋焊管焊接活動(dòng)的不斷增多,在了解殘余應(yīng)力分布的基礎(chǔ)上,探究在成型過(guò)程中對(duì)殘余應(yīng)力的影響,不僅能夠促進(jìn)螺旋焊管順利完成焊接活動(dòng),而且還能掌握殘余應(yīng)力分布規(guī)律,這對(duì)成型方式探究、影響效果分析具有重要的意義.

1 螺旋焊管的成型

螺旋焊管廣泛應(yīng)用于流體輸送領(lǐng)域,成型方式主要有兩種,第一種即輥?zhàn)油饪厥?如圖1),第二種即內(nèi)控式,這兩種方式相對(duì)比而言,前者應(yīng)用率較高.由于成型過(guò)程相對(duì)復(fù)雜,并且成型時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),實(shí)際生產(chǎn)期間應(yīng)保持特定角度完成傳遞活動(dòng),成型期間設(shè)置在固定位置的成型輥共有八組,通常稱為0、1、2、3、5、6、7、8號(hào)輥,其中2號(hào)輥為內(nèi)輥,其余為外輥.同時(shí),合理設(shè)置輥型參數(shù),通過(guò)輸送帶緩慢傳遞.螺旋鋼管實(shí)際焊接的過(guò)程中,為了實(shí)現(xiàn)科學(xué)的焊接效果,應(yīng)掌握合理的焊接順序,并做好內(nèi)外焊工作,確保焊縫質(zhì)量,最終實(shí)現(xiàn)連續(xù)焊接效果.工程實(shí)際制造期間,應(yīng)堅(jiān)持同步焊接原則,即焊接工作同步于成型工作,板料應(yīng)充分發(fā)揮輔助作用,確保殘余應(yīng)力全面分布,與此同時(shí),針對(duì)性研究焊接工作,全面掌握成型期間應(yīng)力分布效果,這對(duì)成型工藝有效應(yīng)用、螺旋焊管無(wú)缺陷焊接有重要作用.

固定規(guī)格的螺旋焊管成型時(shí)參照的公式分別為:

其中,上述公式中B、a、S、Dπ分別代表板寬(mm)、螺旋角(°)、螺距(mm)、管子周長(zhǎng)(mm).

圖1 輥?zhàn)油饪厥匠尚驮O(shè)備

2 焊管殘余應(yīng)力控制技術(shù)

焊接變形不同于焊接殘余應(yīng)力,二者間存在顯著的行為特征,焊接期間應(yīng)用夾緊操作的構(gòu)件能夠完成保持一定殘余應(yīng)力,如果構(gòu)件應(yīng)用期間的約束較少,那么焊接變形幾率相對(duì)較大.反之,殘余應(yīng)力相對(duì)較小.從中能夠看出,要想制造低變形值、低殘余應(yīng)力構(gòu)件,則這一過(guò)程十分困難.此外,殘余應(yīng)力受溫度影響顯著,并且材料質(zhì)量、焊接參數(shù)以及熱源等因素均會(huì)對(duì)焊接效果產(chǎn)生重要影響.實(shí)際焊接期間,殘余應(yīng)力分布值也會(huì)因此受到影響.其中,焊接參數(shù)被影響因素主要為焊接電流、電壓、速度等.一旦焊接溫度差過(guò)大,那么殘余應(yīng)力會(huì)相應(yīng)擴(kuò)大.反之,熱源值降低,則殘余應(yīng)力會(huì)隨之降低.殘余應(yīng)力除了受焊接溫度影響外,還受材料硬度影響顯著,進(jìn)而影響焊接變形程度,因此,實(shí)際焊接過(guò)程中,應(yīng)合理控制焊接溫度,避免殘余應(yīng)力在集中溫度影響下大范圍拓展,進(jìn)而間接影響焊接組織,導(dǎo)致組織發(fā)生不良變化.

表1 不同成型方式所產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)

由于控制殘余應(yīng)力的過(guò)程中需要解決材料損耗這一問(wèn)題,并且危險(xiǎn)部分主要存在于裂縫端部,同時(shí),這一部位即焊接應(yīng)力集中、變形部分集中的重要位置,要想降低局部損傷的發(fā)生幾率,應(yīng)進(jìn)行結(jié)晶退火處理.實(shí)際焊接期間,對(duì)于構(gòu)件內(nèi)部常見(jiàn)的殘余應(yīng)力問(wèn)題,應(yīng)適當(dāng)選用合理的控制技術(shù),并且還要保持規(guī)范的操作程序,合理設(shè)置焊接參數(shù),盡最大可能消除焊接期間產(chǎn)生的殘余應(yīng)力.消除焊接殘余應(yīng)力的有效措施主要包括兩方面,第一方面即焊前處理,第二方面即焊后處理,常用方法分別為力學(xué)形變法、蠕變形變法、溫差形變法.

3 成型過(guò)程對(duì)焊管殘余應(yīng)力的影響

本文所選焊管為1219mmX18.5mm,經(jīng)水壓試驗(yàn)后的兩種焊管形式,第一種形式即X80鋼級(jí)直縫焊管,第二種形式即螺旋焊管.其中,第二種類型焊管長(zhǎng)度為3105mm,殘余應(yīng)力實(shí)際測(cè)量方法為盲孔法,孔徑以及孔深分別為1.4mm,所應(yīng)用的測(cè)量?jī)x器為數(shù)字景臺(tái)應(yīng)變儀,型號(hào)為CM-1J-31,利用該儀器完成測(cè)點(diǎn)位置確定以及截面測(cè)試等工作.對(duì)此分析成型過(guò)程焊管內(nèi)外殘余影響效果.

3.1 來(lái)源于成型方式的影響

在掌握焊管內(nèi)外應(yīng)力分布情況的基礎(chǔ)上,并無(wú)焊縫問(wèn)題,差異性成型方式的殘余應(yīng)力值如表1所示.分析表1可知,不同成型方式所產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)不相一致,并且內(nèi)部應(yīng)力值和外部應(yīng)力值存在顯著差異,應(yīng)用數(shù)值模擬的方式分析焊管成型過(guò)程,即在18.5mm壁厚條件下,厚度方向應(yīng)力分布趨近線性,探究分析可知,根據(jù)實(shí)際需要合理設(shè)計(jì)、順序化調(diào)整螺旋焊管成型參數(shù),能夠大大降低殘余應(yīng)力.

3.2 焊管焊縫區(qū)的差異性影響

焊管X80鋼級(jí)直縫焊管(JCOE)和X80鋼級(jí)直縫焊管(UOE)分別為拉應(yīng)力和壓應(yīng)力,焊縫處的拉應(yīng)力值幾乎為零,焊縫兩側(cè)(8~9mm處)拉應(yīng)力值明顯分布.其中,螺旋焊管(HSAW)拉應(yīng)力值為304MPa,X80鋼級(jí)直縫焊管(UOE)拉應(yīng)力為105MPa,X80鋼級(jí)直縫焊管(JCOE)拉應(yīng)力為182MPa,常見(jiàn)于熱影響區(qū)外表面.對(duì)比分析其他位置的應(yīng)力情況可知,焊縫位置極易存在應(yīng)力集中現(xiàn)象.

3.3 來(lái)源于壓量影響

成型過(guò)程中的參數(shù)具體包括兩種,第一種即下壓量,第二種即成型角.適當(dāng)增加下壓量能夠獲得低應(yīng)力,與此同時(shí),還會(huì)導(dǎo)致板料出現(xiàn)形變現(xiàn)象,并且管坯也會(huì)相應(yīng)存在,管坯直徑大小不同于標(biāo)準(zhǔn)管徑,受摩擦力影響,直徑值會(huì)再次增大,常用標(biāo)準(zhǔn)管徑法來(lái)完成,研究學(xué)者對(duì)此常用兩種方法來(lái)分析,第一種方法即理論分析法,在此基礎(chǔ)上,應(yīng)用實(shí)測(cè)法予以分析.正常來(lái)講,合理控制壓量,妥善設(shè)置管徑數(shù)值,并在適當(dāng)位置增設(shè)中性層,同時(shí),附加壓力值于兩側(cè),確保合應(yīng)力值為零.適當(dāng)增大下壓量之后,圓弧直徑會(huì)相對(duì)降低,通過(guò)外力將其中調(diào)整為標(biāo)準(zhǔn)直徑,確保最終形成的拉應(yīng)力形成內(nèi)大外小的局面.適當(dāng)減小下壓量后,標(biāo)準(zhǔn)直徑值會(huì)小于管坯直徑,這時(shí)拉應(yīng)力形成內(nèi)小外大這一特點(diǎn).合理控制壓應(yīng)力,當(dāng)內(nèi)外表面壓應(yīng)力分別為拉應(yīng)力和低值壓應(yīng)力時(shí),那么軸向殘余應(yīng)力為23MPa,峰值拉應(yīng)力變?yōu)?04MPa;當(dāng)下壓量過(guò)大,此時(shí)焊管所承受的拉應(yīng)力分別為內(nèi)表面和外表面,數(shù)值分別為172MPa和4.5MPa,焊縫處內(nèi)表面軸向拉應(yīng)力為412MPa;當(dāng)下壓量過(guò)小時(shí),內(nèi)表面周向壓力為14MPa,外表面平均值為38MPa,焊縫處周向壓力值最高為425MPa.從上述不同下壓量數(shù)值變化可知,應(yīng)合理控制下壓量數(shù)值,避免下壓量數(shù)值大幅度波動(dòng),進(jìn)而能夠促進(jìn)螺旋焊管順利焊接.

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,成型過(guò)程焊管極易發(fā)生形變,同時(shí),還會(huì)不同程度的產(chǎn)生殘余應(yīng)力,這不僅會(huì)降低焊接質(zhì)量,而且還會(huì)降低焊接速度.針對(duì)成型過(guò)程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力方面的影響具體分析,能夠?yàn)槌尚瓦^(guò)程提供經(jīng)驗(yàn),還能大大降低殘余應(yīng)力的消極影響.此外,相關(guān)學(xué)者還應(yīng)對(duì)成型過(guò)程具體分析,這對(duì)螺旋焊接質(zhì)量提升、焊接效果優(yōu)化具有重要影響.

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