（机械工程专业论文）盲孔法测量j55钢套管坯焊接残余应力分布.pdf

中文摘要 论文题目：盲孔法测量j 5 5 钢套管坯焊接残余应力分布 专业：机械工程 硕士生： 指导教师： 摘 本文论述了焊接残余应力的产生原因 要 介绍了残余应力的测试方法及其特点和发展 方向，并重点阐述了盲孔法测试残余应力的基本原理、测试步骤以及影响测试精度的因 素等。采用盲孔法和计算机数据采集技术对宝鸡石油钢管厂生产的三种规格管径、三种 热处理状态，共六根套管坯的残余应力进行了测试，研究了其分布规律，并结合套管坯 的生产制造过程，定性的分析讨论了产生原因。 结果表明，焊接套管坯上周向残余应力值总是高于轴向；焊缝区是高应力区，其最 大值也可达到或超过套管坯材料屈服极限。热处理后套管坯上残余应力的整体水平比热 处理前的要均衡，但焊缝区的残余应力出现了比热处理前还要大的现象。时效处理对减 小和改善金属材料套管坯上的残余应力分布有非常明显的效果。焊接套管坯的成型过程 是残余应力的主要来源。 关键词： 套管坯盲孔法焊接残余应力 测试 论文类型：应用基础 ( 本文得到宝鸡石油钢管厂科学研究资金的资助) 萎茎塑茎 s u b j e c t ：r e s i d u a ls t r e s s e sm e a s u r e m e n ta n da n a l y s i s o fj 5 5e r wb yb l i n d _ h o l e m e t h o d m a j o r ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g n a m e ：z h a n g k a n l i n ( s i g n a t u r e ) j l i 盥些8f ! i ! 塑鲨 i n s t r u c t o r ：x i nx ix i a n ( s i g n a t u r e ) x 苗l iz 醵巫。 a b s 。l 。r a c ，l 。 t h i sa r t i c l ed i s c u s st h er e a s o nm i l c hp r o d u c et h ew e l d i n gr e s i d u a ls t r e s s e s ，i n t r o d u c et h e w a yo fm e a s u r i n gr e s i d u a ls t r e s s e s ，i ta l s oc o n c e r na b o u tt h ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h ed i r e c t i o no f d e v e l o p i n g i nt h ea r t i c l e ，i tf o c u so nt h ep r i n c i p l eo fm e a s u r i n g r e s i d u a ls t r e s s e sb yb l i n d h o l e m e t h o d ，a sw e l la sd i s c u s s i n gt h ef a c t o rw h i c hi n f l u e n c et h em e a s u r i n gp r e c i s i o n i tt e s t t h e o b j e c ti n c l u d et h r e es p e c i f i c a t i o nt h r e es t a t et o t a l s i xp i e c e so fp i p e s ，a c c o r d i n gt ot h et a s k d e m a n d s ，b ym e a n so fb l i n d - h o l e m e t h o da n dc o l l e c t i n gd a t ab yc o m p u t e gs t u d yt h e d i s t r i b u t i o nr e g u l a r i t yo fr e s i d u a ls t r e s s e sa l o n gp i p e s e c t i o n a lp l a n e ，a n dm a k eq u a l i t a t i v e a n a l y s i sa n dd i s c u s sa b o u tt h ec a u s eo ff o r m a t i o no f r e s i d u a ls t r e s s e sa c c o r d i n gt ot h ep r o c e s s o fc a s i n gp i p ep r o d u c t i o n t h es t u d ys h o w st h a tr a d i a lr e s i d u a ls t r e s s e sv a l u eo ft u b eb l a n ki sa l w a y sh i g h e rt h a n a x i a l s t u b eb l a n kw e l ds e a n la r e ae x i s tl a r g er e s i d u a ls t r e s s e s ，t h em a i nm a x i m u ms t r e s s e s v a l u ec a na m o u n tt oa n ds u r p a s st h ey i e l dl i m i tv a l u eo ft h i sm a t e r i a l a f t e rt h e r m a lt r e a t l n e u t r e s i d u a ls t r e s s e s + o v e r a l ll e v e lb e c o m em o r eb a l a n c et h a nb e f o r e ，b u ti nw e l ds e a ma r e a ， r e s i d u a ls i r e s s e sa r el a r g et h a nb e f o r et h e r m a lt r e a t m e n t s e a s o n e dt r e a t m e n tc a no b v i o u s l y d i m i n i s ha n di m p r o v er e s i d u a ls t r e s s e sd i s t r i b f i t i o no ft u b eb l m a k b yc o n s i d e r i n gt h ep r o c e s s o fp r o d u c t i o n ，i tc a nb eo b t a i n e dt h a tt h ep r o c e s so fs h a p i n gi st h em a i ns o u r c eo fr e s i d u a l s 1 x e s s e s k e y w o r d s ：c a s i n gp i p e ；b l i n d - h o l em e t h o d ；w e l d i n g r e s i d u a ls t r e s s e s ；t e s t t h e s i st y p e ：a p p l i e db a s i s ( t h ep a p e ri ss u p p o r t e db ys c i e n c er e s e a r c hf o u n d a t i o no ft h eb a o j io i ls t e e l p i p ef a c t o r y ) 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确 的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：整塑) 丝 日期：7 刮一r - ，p 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学 位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、公开 阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名：缢! l 主 导师签名 日期：丝堕= 二毋 日期：丝乏墨! z 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景 随着我国石油： 业的发展，对于油井套管的需求量越来越大，使作为油井套管用的 高频直缝焊管( e l e c t r i cr e s i s t a n c ew e i d i n g ) 得到了极大的发展“1 。油井套管一般有无缝 套管和有缝套管( 焊接套管) 两种类型，其中焊接套管以其具有生产成本低的优势而越 来越引起人们的关注。在国外，焊接套管在油r = 1 上己得到广泛应用；在国内，宝鸡石油 钢管厂率先从国外引进焊接套管生产线，填补了我国焊接套管研制、丌发和生产的空白， 并且己在油田现场得到应用。为了进一步扩大其在现场应用的份额，就必须最大限度地 改善和提高焊接套管的质量。焊接套管的质量包括成型焊接质量和加工质量两方面，特 别是在焊接套管丝扣的加工过程中，由于受多种因素的影响致使丝扣的加工质量不易保 证，严重影响焊接套管的实际推广应用。焊接套管坯的制造过程实质上是一种连续的钢 板成型焊接过程，在焊接套管坯的加工过程中会在其内部产生很复杂的残余应力，其大 小和分布对焊接套管的表观质量、承载能力以及使用性能和使用寿命均有着重大影响。 由于受焊接套管坯成型过程和焊接热过程的双重作用，焊接套管坯上存在的较大残余应 力可能是套管丝扣加工质量不高的主要原因之一，最大限度地降低残余应力的幅值和改 善残余应力在焊接套管坯上的分布状态是广大焊接套管设计者、制造者和使用者最为关 注的问题之一。为此，分析、研究和改善焊接套管坯残余应力的分布状态不仅具有一定 的理论意义，同时对于提高焊接套管的质量有着重要的现实意义。但由于焊接套管坯残 余应力的形成和演变过程比较复杂，影响因素颇多，时至今日在理论计算上仍存在着较 大困难。采用试验手段测定其残余应力的大小和分布仍然是目前研究残余应力和验证理 论及其计算结果的有效方法之一”1 。 本文采用工程上通用的测量残余应力盲孔法，配合计算机数掘采集技术，对焊接套 管坯的残余应力分布状态进行了测量，分析了残余应力的分布规律，并在测试分析的基 础上，提出了降低残余应力的途径。 1 2 焊接残余应力及测试方法 残余应力就是当产生应力的因素不复存在时，存在于构件内部且在整个构件内部保 持平衡的应力。外力或温度变化而引起的不均匀塑性变形是产生残余应力的主要原因。 构件在制造过程中( 如铸造、锻压、焊接、热处理等) 都将引起残余应力，在使用过程 中，构件承受载荷所引起的工作应力与其内部的残余应力相叠加，将导致构件产生二次 变形和残余应力的重新分布，从而影响构件的刚性和尺寸的稳定性。在工作温度、工作 介质及残余应力的共同作用下，构件的抗疲劳强度、抗脆断能力、抗应力腐蚀开裂及高 温蠕变丌裂能力都将大大下降。如何测量残余应力的大小，描述其分布规律，已经引起 西安4 i 油人学硕十学位论文 广大科技工作者的广泛关注“。 1 2 1 焊接残余应力 焊接构件由焊接而产生的内应力称之为焊接应力，按作用时间可分为焊接瞬时应力 和焊接残余应力。”。焊接后残留在焊件内的焊接应力称之为焊接残余应力。焊接残 余应力是由于焊接加热产生不均匀温度场引起的。焊接时的温度变化很大，在焊缝区最 高温度可高达材料的沸点，而离开热源温度急剧下降直至室温。 在焊接过程中，焊接区以远远高于周围区域的温度被急剧加热，如图1 一】，并被局 部熔化。在加热过程中，焊接区受热膨胀，热膨胀受到周围较冷区域的拘束，使焊接区 形成了塑性的热压缩：冷却过程中，焊接区的冷却收缩受到周围区域的拘束，最终，焊 接区呈现拉伸残余应力，相邻区域则呈现压缩残余应力。冷却过程中的显微组织转变( 如 由v 奥氏体n 铁素体转变) 会引起体积的增加，如果这种情况发生在较低的温度，而此 时材料的屈服极限足够高，则会导致焊接区的残余拉应力降低，甚至产生压缩残余应力， 而周围区域呈现拉伸残余应力。 j 结铡s t 3 7 ，7 f l o i t l h i 淤! a 。：18 7 j s 。y = 2 l n m , 曼勿篪麟一 j 0 。p 严隧戮 ，一z u 一一一一 一 乓 7 ：。、 图卜1 无限板上匀速直线运动的焊接热源周围的温度场等温线，垂直于板平面的线热源 模型，在移动的x y 坐标阴影区的屈服应力可以忽略不计，虚线表示局部最高温度点的位置”。 关于残余应力的性质可以用以下经验法则判别：焊件最后冷却的区域以热应力为 主时，呈现拉应力：而以相变应力为主时，呈现压应力。当焊件进步加工或服役运行 中产生的应力与焊接残余应力叠加，在非周期性( 静态或动态) 或周期性载荷作用下， 只要局部或整体屈服时，焊接残余应力都将会发生变化。 在均质材料构件各部位同时升温或冷却的情况下，即假定构件上任何时刻各部位均 无温差，则不会产生热应力和相变应力。在接近或超过再结晶温度( 大约为以热力学温 度k 度量的熔点的一半) 保温时，由于屈服极限和弹性模量的下降及应力的松弛和蠕变， 原有残余应力可大j 幅度降低。此后，构件如能均匀缓慢地冷却，则可达到降低或消除残 余应力的目的。再结晶对材料的某些力学性能有部分有利影响，也有部分不利的影响。 第一章绪论 对非均匀材质( 例如焊接不同类型材料时) ，即使缓慢加热和冷却，也会产生残余应力。 焊接应力按其发生源可以分为以下三种： ( 1 ) 直接应力这是进行不均匀加热和冷却的结果，它取决于加热和冷却时的温度梯 度，是形成焊接残余应力的主要原因。 ( 2 ) 间接应力 这是由焊前加工状况所造成的应力。构件若经历过扎制或拉拔时，都 会使之产生此类残余应力。这种残余应力在某些场合下会叠) j n 至j j 焊接残余应力上去，而 在焊后的变形过程中，往往也具有附加性的影响。另外，焊件受外界约束产生的附加应 力也属于此类应力。 ( 3 ) 组织应力这是组织变化而产生的应力，也就是相变造成的比容变化而产生的应 力。它虽然因含碳量和材料其它成分不同而异，但一般情况下，这种影响必须要加以考 虑的是发生相变的温度和平均冷却速度。 焊接残余应力一般主要由直接应力所造成。在加热过程中，一般在物体内，如果其 各部分呈不均匀的温度状态时，各部分的热膨胀量就不同，由于彼此之间相互制约就会 产生热应力。假定这种热应力超过了材料此时温度下的屈服应力，就会发生塑性变形： 塑性变形的发生，又使热应力的状态发生变化。在冷却过程中，如果各部分的温度降低 不一样，热应力也会发生变化。从加热开始到冷却终了，焊接残余应力是作为热应力的 最终状态出现的，能给予这种残余应力决定性影响的是各部分的温度梯度。 1 2 2 残余应力的测量 残余应力的测量技术始于2 0 世纪3 0 年代，至今已经发展形成数十种测量方法。大 致可分为三大类”“”“3 ，即应力释放测量法、物性法和应力叠加法。应力释放法包括： 盲孔法、套孔法、切槽法、切条法、逐层剥离法、套取芯法、内孔直接贴片法、r i n 切 割法、单相金属塞杆法、云纹干涉法、光弹或脆性漆。物性法包括：硬度法、腐蚀法、 x 射线法、磁性法、超声波法。应力叠加法主要是冲击压痕法。 随着科学技术和现代工业的发展，科学工作者在努力探索残余应力测试的新方法。 ( 1 ) 超声波法是基于声弹性理论基础，即超声波在材料内部传播时，利用应力引起 的声双折射效应对应力进行测量”。超声波法可适用的利料比较多，可快速、准确的检 测到试件表面和内部的残余应力。但由于声波波长太氏，应力引起的波速变化微小，测 量的波速为平均速度，且受材料的形状及组织结构影响大，其检测精度较低，只能测试 高值残余应力和均匀的应力场。 ( 2 ) 扫拙电子声显微镜技术( s e a m ) 是在扫描电子显微镜的基础上发展起来的一 种基于热声效应的无损检测技术“0 1 。当扫拙电子显微镜的探测电子束对试件进行扫描成 像时，入射电子会把入射的能量部分转化为热能，从而使试件表面及亚表面层的温度升 高，通过对扫描电子束的强度进行调制，从而使试件表面及亚表面周期性加热激发声波 ( 电子声信号) 。检测不同位置的声信号的振幅和相位，可分析试件在不同深度的结构、 西安石油大学硕+ 学位论文 性质和参量，实现分层成像。 ( 3 ) t e r s a 热评估残余应力测定方法 t e r s a 热评估残余应力测定方法( t h e r m a le v a l u a t i o nf o rr e s i d u a ls t r e s sa n a l y s i s ) ， 是基于应力场将引起物体比热发生变化的原理而形成”“。 图】一2 为m o u n t a i n 所作的标准试样的热平衡温度髓应力状态而变化的试验结果。 图中b 段为试样热平衡无应力：帙态，大约平衡加热1 5 分钟后剥试样施加压力，则温度 下降至c 点，稳定一定时问后，撤去压应力回复到了零应力状态，则温度又丌始回升至 d 点，稳定一定时问后再对试样施加拉应力，则温度又继续上9 t 一至e 点，撤去拉应力 蜊 霸 l |恤，什h 1 d厂i 一 b i ，1 一 ，f “ j 1i- 、喜川 g 时廊 图卜2 热交换平衡时不同应力状态下的温度曲线1 回复到零应力状态，则温度有j t - ；台t 降至f 点。可见，随着应力由负到正的变化，在一 定尺寸、形状的物体中注入相同能量所引起的温升将逐渐增大。也就是说，拉应力将使 物体比热降低，压应力将使物体比热升高。 在图1 2 中，还可以发现，在g 点出现一个低谷，而在h 点出现一个波峰，这是 由于热惯性及能量的吸收、释放所致，这种热惯性现象只能保持瞬间，因为能量很快通 过传导、对流、辐射而散发掉。 ( 4 ) 硬度残余应力测定法 硬度法是基于应力将改变物体硬度的原理而形成，是在固定载荷下建立的残余应力 图卜3 圆筒洛氏硬度与切向应力的关系曲线” 状态与压痕直径的关系”。j f r a l n e l 通过试验得到残余应力一洛氏硬度关系曲线，如图 i - 3 ，表明拉应力使硬度下降，压应力使硬度升高，既残余应力与洛氏硬度近似呈反比关 系。 硬度残余应力测量法破坏性小，测量迅速、方便，但其测量精度很大程度上依赖于 第一章绪论 压痕直径的测量，而且该方法没有包括塑性变形历史列硬度的影响因素，材料的不均匀 性、工件的表面状态等都对测量结果有很大的影i 】虮该方法在理论上也缺乏严密的科学 论证，难以建立力学数学模型。因此，在硬度法的基础上又发展出了压痕法。 ( 5 ) 压痕法测量残余应力”“ 如图1 4 所示，在工件待测点中心放置直径d 的轴承钢球，通过冲击或静压的方法 施加一定的冲击功w 和静压力p ，使其在工件表面产生直径d 的球冠形压痕，在压痕周 围产生一定的叠加应力并形成一定的应变，该应变值由压痕周围的应变花测得。测点的 残余应力将影响所产生的应变，并且当试验条件一定时，测点的应变增量与残余应力间 存在良好的线形关系。因此，对某一给定材料，可以在一定的试验条件下作压痕标定试 验，得到材料的应力一应变增量曲线，根据标定试验得到的应力一应变增量曲线，就可求 出工件中的残余应力值。 在压痕法中，残余应力与应变增量的线性关系与钢材材质、表面处理状态、钢球直 径、应变片尺寸、应变片与钢球中心距离r 、钢球上施加的冲击功或静压大小等因素有 关，一般可通过标定试验得到。 图1 - 4压痕法测残余应力示意图” 1 2 3 盲孔法测量残余应力 盲孔法是由i v l a t h e r j 在1 9 3 2 年提出的，后由s o e t e 发展完善而形成系统理论1 ”。该方法的基本思想是，在由一定初应力的构件表面钻一直径为2 r ( 2 m m 左右) 、深 度为h ( h 大于2 r ) 的盲孔，于是在盲孔附近表面由于释放部分应力而产生相应的位移和 应变。在实际测量时，首先在一定条件下作标定试验，得到初应力和释放应变的关系曲 线，将标定结果代入应力一应变通孔k i r c h 关系式，对k i r c h 公式进行修正，得到该待测 工件在同一条件下的a 、b 标定系数，然后将待测工件在同一条件下作盲孔试验，根据所 测得的释放应变，代入经过修正的的k i r c h 公式，即可得出工件中的残余应力值。 近年来，科学工作者对盲孔法作了大量的工作，从测量原理到实际操作中的各种工 艺因素、误差来源等进行了深入研究，使其同趋完善。目前，该方法已经成为工程上最 通用的残余应力测量方法，美国a s t m 协会已将其纳入标准“6 。 确安石油人学硕二i 学位论文 盲孔法是工程中最通用的一利，残余应力测定方法，但其测量精度受许多因素的影 响，这些因素主要包括基本力学模型、孔边塑性变形、钻削附加应变、操作工艺及设备 仪器带来的误差。操作工艺方面的因素包括孔位偏移、孔径和孔深误差、应变片粘贴质 量及灵敏度误差等”。 由于盲孔法的计算公式是根据通孑l 的简化力学模型而推导出来的，因此与实际情况 存在偏差。s c h a j e r 采用有限元法”，分别对不同尺寸、形状的盲孔周围的应力分布进 行计算，得出孔深孔径比及孔缘孔底形状对释放应力的影响，并得到与试验结果非常符 合的孔周释放应变与其初始应力之间的关系曲线( 误差在5 范围内) 。有限元数值分析 的方法避免了k i r c h 通孔所带来得误差，同时，可省去大量人工实验标定工作，其分析 结果很有实用意义。 由于在钻削盲i l 过程中，钻头使孔壁经历弹性变形、塑性变形和切断过程，因而在 孔壁周围由于局部塑性变形而产生附加应力场，使粘贴在该区域的应变片相应产生附加 应变。其大小受孔径、孔深、钻孔速度、钻头类型、钻刃锋利程度、应变片尺寸及其到 盲孔中心的距离等因素的影响。通过在无应力试件上按照实际测量时的工艺过程进行钻 削试验，测出的应变值即为切削附加应变l ，在实际测量过程中，从所测量的应变值中 扣除修f 值l ，既可使得切削应变得以消除“。 国外有些学者研究a 1 。o 小颗粒空气流高速冲击试件表面形成小盲孔的气流磨蚀法 ( a i r a b r a s i v e ) ”。该方法可以使切削附加应变控制在1 0 9 9 范围内，基本消除了 钻削盲孔过程所带来的误差，使得测量结果无须修正而得到较高的精度。而且该方法还 可根据喷嘴的形状及其旋转角度精度控制盲孔的形状尺寸。 当测量区域的残余应力值较高，特别是残余应力接近或达到材料的屈服极限时，在 工件上钻孔后，将在盲孔周围产生严重的应力集中现象，并同时产生一定量的塑性变形， 使贴在孔周围的应变片受到这种塑性变形的干扰，对测量结果造成很大的影响，甚至使 所测的残余应力值超过屈服应力很多，必须对其进行修正。修正方法”1 ”1 1 可分别采用 实验曲线修正法，a 、b 系数分级使用法及误差迭代法对孔边塑性变形所形成的误差进行 修正。 盲i l 法是工程上测试残余应力的一种较为成熟和可靠的方法，并以其测量破坏程度 最小，甚至随着孔径、孔深的减小，破坏性将降低到轻微损伤的程度的特点，在实际结 构残余应力大小和分布测试中得到了广泛应用。为了与现有的测试数据进行对比、分析， 本课题亦采用盲孔法对焊接套管坯的残余应力分布进行测量。 本文以实事求是的科学态度，采用小孔法( 又称为钻孔法或盲孔法) ，配合计算机试 验数据采集技术，对宝鸡石油钢管厂提供的宝钢j 5 5 焊接套管坯( 三种直径规格巾1 3 9 7 、 中3 3 9 7 和巾2 7 3 1 及三种处理状态) 和日本产j 5 5 焊接套管坯，进行了大量的、深入的、 系统的、全面的残余应力分布状态的分析研究工作，共测试了3 0 0 多个位置点，获得了 大量的、真实可靠的铡试数据。不仅具有一定的理论意义，而且对于焊接套管的实际生 6 第一章绪论 产制造及其推广应用也具有一定的指导意义和现实意义。 1 3 题目来源 本题目来源于宝鸡石油钢管厂。主要测试焊接套管坯( 三种直径规格0 1 3 9 7 、中 3 3 9 7 和巾2 7 3 1 及三种处理状态) 和日本产j 5 5 焊接套管坯的焊接残余应力分布特点， 描述残余应力分布规律，为提高焊接套管质量提供理论基础和实验数据。 1 4 研究内容、技术路线和创新点 采用小孔法( 又称为钻孔法或盲孔法) ，配合计算机试验数据采集技术，对宝钢j 5 5 焊接套管坯( 三种直径规格o1 3 9 7 、0 3 3 9 7 和0 2 7 3 1 及三种处理状态) 和日本产j 5 5 焊接套管坯，进行残余应力分布状态的分析研究。 1 4 1 主要研究内容 ( 1 ) 短期自然时效条件下套管坯残余应力分布状态测试 a 1 3 9 7 宝钢j 5 5 焊接套管七天自然时效条件下套管坯残余应力测试，采用盲孔 法，周向八点均布测试技术，测试一根。 b 中3 3 9 7 宝钢j 5 5 焊接套管七天自然时效条件下套管坯残余应力测试，采用盲孔 法，周向八点均布测试技术，测试一根。 c 两种规格样管残余应力在七天自然时效条件下沿样管径向和纵向残余应力分布的 计算。 ( 2 ) 长期自然时效条件下套管坯残余应力分布状态测试 a 1 3 9 7 宝钢j 5 5 焊接套管三十天自然时效条件下套管坯残余应力测试，采用盲 孔法，周向八点均布测试技术，测试一根。 b 巾3 3 9 7 宝钢j 5 5 焊接套管三十天自然时效条件下套管坯残余应力测试，采用盲 孔法，周向八点均布测试技术，测试一根。 c 两种规格样管残余应力在三十天自然时效条件下沿样管径向和纵向残余应力分 布的计算。 ( 3 ) 热处理时效条件下套管坯残余应力分布状态测试 a ( 9 2 7 3 1 ( 或由3 3 9 7 ) 宝钢j 5 5 焊接套管热处理时效条件下套管坯残余应力测试， 采用盲孔法，周向八点均布测试技术，热处理时效及现场未热处理管坯各测试一根，共 计二根。 b 所测规格样管残余应力在热处理时效条件下和未热处理条件下沿样管径向和纵 向残余应力分布的计算。 c 套管热处理装置及工装的研制、加工和调试。 ( 4 ) 进口套管坯残余应力分布状态测试 a 巾2 4 6 日本产j 5 5 焊接套管坯残余应力测试，采用盲孔法，周向八点均布测试技 术，测试一根。 b c 9 2 4 6 日本产j 5 5 焊接套管管坯沿样管径向和纵向残余应力分布的计算。 西安石油大学硕士学位论文 f 5 1 进口套管坯和国产套管坯残余应力分布状态的对比分析 a 国产套管坯短期时效条件下与进口套管坯残余应力分布状态对比分析。 b 国产套管坯长期时效条件下与进口套管坯残余应力分布状态对比分析。 c 国产套管坯热处理时效条件下与进口套管坯残余应力分布状态对比分析。 d 不同套管管坯规格的残余应力分布状态对比分析 1 , 4 2 技术路线 f 1 1 盲孔法测试残余应力应变释放系数a 、b 确定。 r 2 ) n 过短期、长期、热处理自然时效条件下焊接套管坯残余应力测试以及分布规律 描述，研究焊接套管残余应力的分布规律，探讨其影响因素。 f 3 1 通过对同本进口焊接套管坯残余应力的测试以及与国产焊接套管残余应力分布 状态的对比分析，探讨二者之间的差异。 1 4 3 创新点 f 1 、系统研究了不同规格焊接套管焊接残余应力的分布规律，通过对影响焊接套管焊 接残余应力的主要因素的研究，提出了提高焊接套管质量的途径。 f 2 ) j l 直过与国外焊接套管焊接残余应力分布特点比较分析，对焊接套管国产化必将产 生积极影响。 第二章焊接套管坯应力分布状态的盲孔法测试 第二章焊接套管坯应力分布状态的盲孔法测试 2 1 盲孔法测量残余应力的基本原理及有关计算公式 结构内部的残余应力场一般属于二维或三维的应力场，当在该应力场任意位置钻一 个一定直径( 2 r ) 和深度( h ) 的盲孔时，除了该处的金属被切去外，其中的残余应力也 被释放，从而使得原有的残余应力失去平衡，这时盲孔周围必然产生与该释放应力相对 应的释放应变。通过测出这种释放应变大小，利用有关弹性理论计算公式。”就可以计算 出测点处原有的残余应力的大小和方向。 如果钻盲孔前将应变花粘贴在待测点周围，如图2 一l 所示，钻孔后应变花即可感受 到该处所释放的应变，通过数据转换，即可得到应变值e 1 、e 2 和e 3 ，利用下列计算公式 嘲脚蚴即可求出残余应力值( 仃1 、6 2 ) 及方位角( y ) 。 o 1 2 厂1 口 图2 1 应变花粘贴方位图 e 1 + e 3 l 3 盯严百十4 b c o s 7 ( 2 一1 ) 盯，：生笪一盟( 2 - 2 ) 4 爿4 b c o s y 、7 y ：矿王蛆( 2 - 3 ) s l s 3 式中：a 、b 为应变释放系数。 2 2 应变释放系数a 、b 的标定试验 由盲孔法计算残余应力的基本公式( 2 - 1 ) 、( 2 - 2 ) 可知，要计算某测点的应力值，必 须首先确定应变释放系数a 、b 的大小，而此时的应变释放系数a 、b 是在测点钻通孔后 得出的，当利用盲孔法测量焊接残余应力时，应变释放系数a 、b 不能直接使用，需要 进行标定试验以确定其具体数值。 2 2 1 试验材料及试件形状、尺寸 标定试验试板用材料为宝山钢铁公司生产的3 5 5 套管用钢，其化学成分和机械性能 为：c = 0 0 5 0 ；s i = 0 2 7 ；m n = 1 3 2 ；p = 0 0 1 8 ：s = 0 0 0 4 ：n b = 0 0 4 2 ；v = 0 0 3 0 ； 西安石油大学硕士学位论文 t i = o 0 2 2 ；横向：o ，= 5 5 6 8 m p a ：oh ：6 5 0 2 m p a ：纵向：o ，= 5 2 4 4 m p a ：oh - 6 2 7 4 m p a 。 标定试件的形状、尺寸如图2 所示。为了消除试件中原始残余应力的影响，试件加 工前，进行了6 5 0 。0 3 小时的去应力退火处理。 j ? i 一昌 一c u 一 厂 l 、 图2 - 2 标定试件形状、尺寸 2 2 2 试验方法、设备及仪器 根据盲孔法测量残余应力的基本原理和计算公式( 2 - 1 ) 、( 2 2 ) ，标定试验最好 应该在平面应力场中进行，但由于受设备条件的限制，本标定试验采用目前国内外研究 者通常采用的单向均匀加载的方法，在w e 一3 0 型液压万能材料试验机上进行。t j l 2 0 1 5 应变花粘贴在标定试样的中央( 8 1 为x 方向，编号0 0 0 ；8 2 为4 5 。方向，编号0 0 1 ；e 3 为y 方向，编号0 0 2 ) ，其余应变片为监视片，用以确定载荷的平稳程度和加载时载荷 与试件中心的同轴性，如图2 2 所示。此时，o 。= 0 1 _ o ，g y = g 2 ：0 ，3 r = 0 ，利用计算公式即 可求出应变释放系数a 、b 值： 爿= 警( 2 - 4 ) b = 警( 2 - 5 ) 式中：o 一标定试件所受载荷产生的平均应力，m p a ； 。，v _ 分别为x 、y 两个方向的释放应变。它们的计算公式为： ，= 占：一占： ( 2 6 ) 占，= 一 ( 2 7 ) 式中：占! 、占：为钻孔后的应变仪指示应变：、占；为在同一应力作用下钻孔前的 应变仪指示应变；6 2 用于计算主应力的方位角以检验标定试验是否正确。 0 第二章焊接套管坯应力分布状态的卣孔法测试 2 2 3 标定试验的主要步骤 1 ) 预拉试件。在标定应力0 = ( 】4 1 3 ) o 。的载荷下反复加载一卸载3 5 次，以消 除因应变片粘贴所引起的附加应力，检查设备和仪器的工作情况。 2 ) 加载检查。将试件多次加载至预定应力并保持稳定，记录各项数据，检查试验的 再现性。 3 ) 钻盲孔。将试件从拉力试验机上取下，先钻中1 o m m 孔，再钻c 1 ) 1 5 m m 孔，孔 深为3 m m 。盲孔钻完后再将试件加载至钻孔前的同样应力水平，记录各项数据。 4 ) 试验结果检验。将各项试验数据代入下式进行检验： 1 x 一2 s2 + y y = t g1 i 一 ( 2 - 8 ) 如果y = 0 。2 。，则可以认为标定试验正确；否则标定试验失败，要重新进行标定试验。 5 ) 数据处理。将所测数据代入公式( 24 ) 、( 2 5 ) 计算出应变释放系数a 、b 。 2 2 4 标定试验结果 标定试验的有关数据及根据公式( 24 ) 、 ( 2 - 5 ) 计算得到的应变释放系数a 、b 值如表21 所示。应变释放系数a 、b 与试验应力的关系如图2 3 所示。 表2 1 试验结果( 孔径中1 5 m ，孔深3 m m ) 可以看出，在应力小于1 2 0 m p a 和大于3 2 0 m p a 时，应变释放系数a 、b 与应力的关系 呈单调增，而当应力为1 2 0 3 2 0 m p a 时，应变释放系数a 、b 基本上常数，即就是曲线的 平直部分，也就是常用的a 、b 值。将试验得到的常用a 、b 值代入计算式( 21 ) 、( 2 - 2 ) ， 可得到计算应力值，从而对标定试验结果进行验算，如图2 - 4 所示。可以看出，随着应 力值的增大，计算应力与真实应力的误差也在增大，但当应力在1 2 0 3 2 0 m p a 范围时， 两者吻合较好。 西安斫油大学硕+ 学位论文 一一 o ， 6 如q j o i 0 1 o - o2 j o2 d j o3 d3 0 0a d 4 o4 o 图2 - 3 应变释放系数a 、b 与应力的关系 图2 - 4 标定应力验算 2 3 焊接套管坯残余应力分布状态的测试过程 2 3 1 测试的焊接套管坯状态、规格及编号 依据目前油田实际生产用量较大的套管规格和课题要求，本文所测试焊接套管坯的 材料、状态、规格及编号如表2 - 2 所示。 表2 2被测试焊接套管坯的状态、规格及编号 塑三童塑堡至笪堑生垄坌塑鉴查塑亘垫鲨型堕 2 3 2 主要试验装置、设备及用品 盲孔法测试焊接套管坯残余应力大小和分布规律所用的主要试验装簧和用品如表 2 3 所示，测试系统框图如图2 5 所示。 表2 - 3 测试用主要装置和物品 设备、仪器名称 数量 设备、仪器名称 数量 管坯安放支架 自制 打印机 1 台 盲孔法应力测定装置 y j 一2 2 型转换箱 y j2 7 型应变仪 y 一2 2 型应变仪 y j d 一2 7 p c 智能接口 计算机 交流调压器 百分表、千分表 引线接板 手电钻 钻头巾1 0 j n m 、中1 ，5 m m t j l 2 0 1 5 应变花 电动角磨机 电动钢丝刷 应变片粘贴剂 数字万用表 信号联线 体视放大仪2 0 其它物品：电烙铁、标签纸、砂布、无水酒精、脱脂棉花、吹风机、直尺、划针、4 1 - i 铅笔、锡箔纸、镊子、竹棍、打印纸、焊锡、放大镜、接线板、划线仪、圆规等。 图2 - 5 焊接套管坯残余应力测试糸统简幽 2 3 3 焊接套管坯残余应力分布的测试过程 焊接套管坯残余应力测试的具体过程如下：清理一划线一粘贴应变片一编号一接线 一预联机、调试系统一固定连线一正式联机一设定参数一调零一记录调零数据一钻盲孔 一记录测试数据。 2 3 3 1 清理 将被测套管坯安放在管坯支架( 两个) 上，用电动角磨机、钢丝刷清理整个管坯外 冶耔耔眙轩轩眙洲眙 n台台台个台台个开 扯 冶眙治眙眙”轩 两安斫油火学硕十学俯论文 表面，去除铁锈、氧化皮、油漆，直到露出金属光泽( 注意用钢丝刷打磨时用力要适度， 被清理金属表面不得出现肉眼可观察到的划痕) ，随后用沾有无水酒精的脱脂棉花檫拭 干净，并在管内用油漆或标签纸标注被测管号。 2 3 3 2 划线 1 1 测试管的划线分为两部分，即纵向线( 轴向线) 和周向线( 环向线) 。 a 纵向线：共八条，以套管坯焊缝中心为基准沿套管坯圆周等距分布。 b 周向线：标准套管坯共五条，其中环线l 和环线5 距离管端的距离为2 0 m m ，其 余环线以此为基准等距确定。 2 ) 焊缝加密点的位置沿环线1 上的焊缝处对称分布，依次相距2 r n m 。 3 1 划线用角尺、钢板尺、划线仪、划针等工具进行。注意用划针划线时，要求交点 ( 即测试钻孑l 点) 周围1 0 r a m 处的线条在清晰的基础上，划痕尽可能的浅。 2 3 3 3 粘贴应变片 1 1 测试套管坯的放置 a 将被测试套管坯放置在测试地点。 b 用两个带固定装置的管坯安放支架分别支撑在焊接套管坯的1 2 环线和4 5 环线之间，并采用有关仪器测量、调整，使被测管体两端高低差不大于1 5 r a m 。 c 测定地点保持清洁、通风。 2 ) 预选应变花 a 用放大镜对t j l 2 0 1 5 型应变花进行外观检查。要求片基无破损，厚度均匀，表 面无折皱、无针孔；丝式敏感栅无锈斑、无断点、缺损、针孔、粗细均匀、引线 无折断危险、联接良好。 b 用数字万用表测量t j l 2 0 1 5 型应变花。检查是否有断路、短路或漂移严重的应 变片，各片电阻值要求与标准电阻的偏差小于0 3q ，即检测合格的范围是 1 1 9 7 1 2 0 3q 。此时，应注意保持应变片的清洁，轻拿轻放，以免污染和损坏 应变片。 3 1 清理 a 用剪成小块的8 0 1 0 0 目砂布交叉打磨焊接套管坯上划线交点部位( 应变片粘 贴部位) ，粗糙度为r a 3 2 1 2 5 ，面积不小于4 0 0 m m 2 。 b 用沾有无水酒精的脱脂棉球彻底清除打磨表面的油污和杂质，面积不小于 9 0 0 m m 2 ，擦拭时从中间向外扩大转动，在檫拭过程中应该至少更换一次棉球。最 后必须用干净的脱脂棉球沿单方向擦拭干净，并用电吹风充分烘干。 4 1 划线定位 划线定位是确定应变片在被测弹性体( 套管坯) 上粘贴的位置和方向。要求所 标示的尺寸及角度必须f 确无误。为防止划针划痕对管体的伤害和对应变值的影响， 采用4 h 铅笔划细线。此时应注意标示应变花的有关方向，其中x 方向为套管坯轴 第二章焊接套管坯应力分布状态的盲孔法测试 向，其标示方向为正方向，编号为1 ；y 方向为套管坯周向，顺时针方向为难，编 号为2 ；4 5 。方向编号为3 。要求划线的方位定位交点与应变花打孔十字交叉线交点 重合，两端与应变花上定位三角尖端重合。 5 ) 粘贴应变片 粘贴应变片前，必须用无水酒精清洗手指和专用辅助工具，蚍减少其对粘贴性 能的影响。粘贴剂为新鲜的小瓶5 0 2 胶水。 粘贴步骤如下： a 将5 0 2 胶水瓶前端用剪刀剪一小孔，并将应变片基底向上放在而积为2 倍左右 的锡箔纸上，然后在应变花基底和焊接套管坯上划线交点处面积不小于应变片两 倍范围内分别均匀涂敷一层5 0 2 胶水( 注意涂敷5 0 2 胶水时，不要用力挤压，以 防胶水过多) 。 b 将涂有5 0 2 胶水的表面在常温下停放1 0 15 秒，待其溶剂部分充分挥发后，用 镊子配合体视放大仪或放大镜在仔细对准定位线的前提下，将应变片粘贴在焊接 套管坯表面上。 c 在所粘贴的应变片上垫上一层新鲜的锡箔纸，用手指柔和的滚压( 注意切勿前 后搓动) 3 4 次，挤出多余的5 0 2 胶水，并排出气泡，再用手指加压力5 2 0 n ， 保持时间1 1 5 分钟，使应变片和管体完全粘合； d 粘贴后应放置l 2 小时( 此时可以用吹风机热风距其1 5 0 m m 轻吹) ，然后再 丌始进行钻孔测试工作。 6 ) 粘贴引线接板 每个应变花用三个引线板，用于信号线与应变花的连接，三个引线板分别对应 于三个被测方位，每个引线板有两组焊点，一组用于公共点，2 组用于测点，其粘 贴方法与粘贴应变花的方法相同，粘贴位置分别对应各个应变栅，距应变花外沿 5 8 m m 。引线焊点顺敏感栅方向排列，注意粘贴时不要压上应变花引线，锡箔纸 可剪小些，上面加压。 2 _ 3 3 4 编号与配线 1 ) 编号( 共7 位数加一个剩杠) x ( 管号)x ( 位置号) x ( 方位号) ( 线号) a 管号。管号用于标注被测管体状态。用一位大写英文字母表示，如a ，b ，c 。 b 位置号。位置号用于标注测点位置。用两位数字表示：第一位数字表示沿管周 向的位置，以焊缝中心为起始点“1 ”，顺时针方向( y 方向) 依此排列，直到 “8 ”；第二位数字表示沿管纵向的位置，以管端为起始点“1 ”，沿长度方向( x 方向) 依此排列，直到“5 ”。 c 方位号。方位号用于标注和区分同一被测位置应变花上三个方位。用一位数字 表示，其与连线的颜色匹配如下表1 所示。 曲安i i 汕大学硕十学位论文 d 线号。线号用于标注被测点与平衡箱编号测点之间的联系。用三位数字表示， 前两位数与平衡箱上的拨码盘数字相同，后一位与对应平衡箱上测点信号接线位 数相同。如平衡箱拨号盘数字为“0 9 ”，接线位数字为“7 ”，则线号为“0 9 7 ”。 2 ) 配线。测试信号线的选配如表4 所示。 表2 4 测试信号线的选配 2 3 3 5 接线操作 1 1 依据y j 一2 7 型应变仪和y j 一2 2 型应变仪的使用说明书，将其与六台平衡箱连接。 2 ) 采用半桥测量法，连接公共线和补偿片。 3 ) 将六台平衡箱拨号盘依次按o o ，0 1 ，0 2 ，0 3 ，0 4 1 】调好