董志強 畢宗岳 李 超 張建勛

1. 西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室, 陜西 西安 710049;2. 寶雞石油鋼管有限責任公司鋼管研究院, 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(X 70及以上鋼級)已成為油氣輸送管的主要發(fā)展方向[1]。管道的制造過程中經(jīng)歷塑性成型,成型后管道不可避免地存在殘余應力,殘余應力對焊管的疲勞、腐蝕、穩(wěn)定性以及承壓能力均有顯著影響。螺旋焊管的殘余應力分布規(guī)律遠比直縫焊管的殘余應力分布規(guī)律復雜,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力對提高管道的制造質(zhì)量,保證管道的安全運行十分必要。

管道應力測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)部及厚度方向的應力難以測試[2],近年來，有限元分析技術(shù)已大量應用于管道應力的研究中[3-4],在螺旋焊管殘余應力研究方面,由于螺旋焊管的制造過程是一個連續(xù)的過程,經(jīng)過銑邊、螺旋成型后進行焊接,銑邊的應力會疊加到螺旋焊管成型過程中,焊接是在成型模具的約束下進行的,成型模具松開管道會產(chǎn)生較大的回彈變形,而焊后管道應力會重新分布,因此螺旋焊管成型后的應力難以進行實驗測試,對螺旋焊管的應力測試及有限元研究多集中在焊接工藝后[5-7],但低應力成型是精確控制管形的關(guān)鍵[8],而且成型的合縫質(zhì)量以及應力會直接對焊接過程質(zhì)量產(chǎn)生較大影響,成型合縫控制不好會產(chǎn)生氣孔、夾渣、焊偏等焊接缺陷[9],成型應力達到某一程度時,就會將應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離焊縫位置的應力也主要是成型應力。李宏等人[12]對螺旋焊管的成型過程進行了有限元計算,計算結(jié)果表明成型內(nèi)輥下壓量對殘余應力的影響遠大于板寬對殘余應力的影響。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程,展示了從成型過程到焊接過程計算的關(guān)鍵步驟。李霄等人[14]利用Abaqus軟件對螺旋焊管成型過程進行了仿真,研究結(jié)果表明當成型輥下壓量為7 mm時,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)輥下壓量對成型后螺旋焊管的管徑大小和成型應力都有很大影響,成型出符合標準規(guī)定的螺旋焊管,需要合適的下壓量。

本文建立了與實際成型器基本一致的三維有限元模型,通過設置合理的有限元計算參數(shù),對螺旋焊管成型中應力演變過程以及成型后應力分布進行計算,對比成型后焊管管徑與理論計算管徑,在此基礎上研究了不同鋼級、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力分布。研究成果，可為制造低殘余應力、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。板料由遞送輥的動力遞送至三組成型輥中,經(jīng)過三輥彎板后,再經(jīng)過五組外控輥的定徑作用而成型為所要管徑的管子,通過調(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,板長為7 000 mm,板寬為1 449 mm,成型角為63°,經(jīng)式(1)計算成型后焊管直徑應為1 016 mm,板料的兩條長邊分別為自由邊和遞送邊,輥輪直徑為200 mm,每個輥組由20個小輥輪組成。建立1個垂直的擋板用以限制板料在水平方向的運動,在板料的上下表面分別加兩個壓平板,用以限制板料在垂直于板面方向的上下運動,壓板和擋板保證了成型板在成型過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、壓板以及輥輪都設置為剛體。由于螺旋焊管的成型屬于彈塑性大變形問題,同時因為金屬材料在塑性變形過程中存在加工硬化現(xiàn)象,所以在定義板料塑性時采用彈塑性硬化模型。依據(jù)管線鋼管規(guī)范API Spec 5 L對X 70、X 80以及X 90焊管的性能要求,確定不同鋼級管道的應力應變關(guān)系見表1[15-17],不同鋼級管道的組織不同,在彈塑性計算中表現(xiàn)為拉伸性能不同。板料的單元類型為8節(jié)點減縮積分單元C3D8R,厚度方向劃分了4層單元,一共劃分了996 262個單元,節(jié)點數(shù)為1 240 721個,見圖2。經(jīng)過對比劃分更細密網(wǎng)格的模型計算結(jié)果以及提取偽應變能與動能的比值表明這個網(wǎng)格劃分方案可以保證結(jié)果準確及提高計算效率。

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

表1 不同鋼級管道成型板應力應變關(guān)系表

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

應變不同鋼級管道成型板應力/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輥,依靠與板料表面的摩擦來轉(zhuǎn)動,板料和輥輪之間屬于滾動摩擦,摩擦系數(shù)為0.1[18-19]。螺旋焊管的成型過程可以作為準靜態(tài)過程處理,所以整個計算采用ABAQUS的顯式動力學模塊ABAQUS/Explicit進行。

2 計算結(jié)果與討論

2.1 成型后內(nèi)外表面應力分布

采用三維有限元數(shù)值模型,通過調(diào)整成型內(nèi)輥下壓量,成功模擬卷出了螺旋焊，管見圖3。由于本文研究的不同鋼級的管道尺寸及成型模具相同,成型后表面應力有相似的分布規(guī)律,因此這里選取X 80螺旋焊管作為代表進行高鋼級管道成型后內(nèi)外表面應力分布分析。對卷出的螺旋焊管進行分析,焊管外表面與外控輥都相切,整個焊管的圓度較好,成型后焊管管徑與理論計算管徑一致,成型后內(nèi)外表面最大Mises等效應力在 200 MPa 左右。成型過程最大的應力出現(xiàn)在成型內(nèi)輥下方位置,最大Mises等效應力在600 MPa左右,超過了板材的屈服強度,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等效應力云圖Fig.3 Mises equivalent stress nephogram ofthe formed spiral pipeline

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

2.2 成型過程應力演變

為了研究螺旋焊管成型過程應力的演變過程,在螺旋焊管內(nèi)表面、中間以及外表面各選取1個單元,單元應力隨時間變化曲線見圖5。從圖5可看到，板料在經(jīng)過3個成型輥的彎曲變形之后,在3個成型輥中板料的Mises等效應力最大,內(nèi)表面應力超過板材屈服強度,而外表面及板厚中間部位最大Mises等效應力比板材最大屈服強度低,板料穿過成型輥后,應力值開始迅速減小,內(nèi)外表面應力減小幅度較大,中間部位略有減小,到外控輥時遠遠小于板材屈服強度,并且Mises等效應力在經(jīng)過其余外控輥時,板料應力值變化很小,說明螺旋焊管成型時的彈塑性變形主要發(fā)生在三輥彎板區(qū)域的,板料在成型過程中的最大Mises等效應力出現(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)過成型輥后板料發(fā)生回彈,成型應力減小。

a)內(nèi)表面a)Inner surface

b)外表面b)Outer surface

圖5 應力隨時間變化曲線圖Fig.5 The curve of stresses-time

2.3 不同鋼級螺旋焊管成型內(nèi)輥下壓量及應力分析

本文對不同鋼級同一尺寸螺旋焊管的合適成型內(nèi)輥下壓量進行了研究,在此基礎上研究了成型后螺旋焊管的環(huán)向應力分布。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為不同鋼級螺旋焊管成型后環(huán)向應力分布,從前面的研究結(jié)果可知,螺旋焊管外表面基本呈拉應力分布,而螺旋焊管外表面不直接面臨較強腐蝕性的石油天然氣,管道內(nèi)表面為壓應力,因此這里不直接研究焊管內(nèi)外表面應力,而取焊管遞送邊厚度方向應力作為研究對象。從圖7-a)可知,不同鋼級螺旋焊管成型后外表面遞送邊的應力隨鋼級增加而增加,外表面環(huán)向應力呈拉應力分布,內(nèi)表面環(huán)向應力呈壓應力分布,不同鋼級螺旋焊管厚度方向中間部位的環(huán)向應力都接近0 MPa。從圖7-b)可知, X 70 和X 80管道軸向應力在厚度方向基本一樣,X 90 管道軸向應力比X 70和X 80大,和環(huán)向應力一樣,外表面軸向應力呈拉應力分布,內(nèi)表面軸向應力呈壓應力分布,不同鋼級螺旋焊管厚度方向中間部位的軸向應力都接近0 MPa。

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

2.4 板厚對螺旋焊管成型內(nèi)輥下壓量及應力分析

實際生產(chǎn)中，根據(jù)運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有一定差別,因此有必要研究成型板板厚對成型參數(shù)及成型應力的影響。本文研究了14.6、18.4、21.4 mm的X 80螺旋焊管的成型過程,結(jié)果見圖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減小。從圖9-a)可看出，遞送邊的環(huán)向應力隨板厚增加而減小,不同厚度管道環(huán)向應力在中間層最小接近0；從圖9-b)可看出，遞送邊的軸向應力在厚度方向分布基本一樣。

a)環(huán)向應力a)Hoop stress

b)軸向應力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)向應力a)Hoop stress

b)軸向應力b)Axial stress

3 結(jié)論

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

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

3)相同管徑的螺旋焊管,隨著鋼級提高,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)向應力都隨著鋼級的升高而增大,X 70和X 80螺旋焊管軸向應力基本一樣,都明顯比X 90螺旋焊管軸向應力小。

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)向應力隨厚度增加而減小,軸向應力隨成型板板厚變化較小。