（材料加工工程专业论文）大口径直缝焊管成型应力分析.pdf

中文摘要 本文根据j c o e 直缝埋弧焊接钢管的合缝预焊工艺过程建立了相 应的有限元分析模型，并利用该模型得到了直缝焊管上的成型残余应 力分布，计算结果与实测结果基本相符。对实际生产过程中合缝前管 坯开口宽度和椭圆度数据进行统计分析，并根据3o 规则确定了用于有 限元建模的计算特征值，对实际生产中可能遇到的管坯几何形状做了 全面的考虑。计算结果表明，无论管坯的几何形状如何变化，j c o e 成 型焊管外表面上周向残余应力的峰值均出现在距离焊缝1 8 0 。的位置 附近。从控制成型残余应力峰值和合缝预焊后管口椭圆度的角度出发 综合考虑，将管坯成型为扁椭圆较为合理。管坯开口宽度是控制成型 残余应力峰值的关键工艺参数，在实际生产过程中，应尽量将该规格 管坯控制为扁椭圆，开口宽度小于1 0 0 m m 为佳。 基于直缝焊接钢管扩径过程的均匀变型机制，导出了用环劈法估 算扩径后焊接钢管外表面上周向残余应力的公式。试验研究证实，用 该公式估算的盯。能够近似反映裁制，同时指出，用该公式估算的口一不 能正确反映扩径前直缝焊管外表面上周向残余应力的分布状态和峰值 水平，但可近似反映该分布的中值水平。 关键词：焊管；残余应力；有限元；数值模拟 a b s t r a c t t h i sa r t i c l ec a r r i e so nt h ef i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt oe n ds q u a r i n g a n dt a c kw e l d i n gi nj c o e f o r m i n g o b t a i n e dt h er e m a i n i n gs t r e s sd i s t r i b u t i o no nt h e s t r a i g h ts e a mw e l d e dp i p eb yu s i n gt h i sm o d e l ，t h ec o m p u t e dr e s u l ti sa c c o r d i n gt o t h ea c t u a lr e s u l t t h eu n f i n i s h e dw e l d e d - p i p ew i d t ha n dt h ee l l i p t i e i t yd a t ac a r r yo n t h es t a t i s t i c a la n a l y s i sa n da c t e da c c o r d i n gt o30r u l e st od e t e r m i n et h ec o m p u t a t i o n c h a r a c t e r i s t i cv a l u eu s e di nt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l t h eu n f i n i s h e dp i p i n gg e o m e t r y s h a p ep o s s i b l yh a sm a d et h ec o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r a t i o ni nt h ea c t u a lp r o d u c t i o n t h ec o m p u t e dr e s u l ti n d i c a t e d ，h o w e v e rt h eu n f i n i s h e dp i p i n g g e o m e t r ys h a p e c h a n g e d ，t h er e m a i n i n gs t r e s sp e a kv a l u ew h i c ho i lt h ec i r c u m f e r e n c eo u t s i d es u r f a c e i sa w a yf r o mn e a r b yt h ew e l d e dj o i n t18 0 。p o s i t i o nb yj c o e i ti sr e a s o n a b l et a k e s s h a p et h eu n f i n i s h e dp i p i n gt ot h ef l a te l l i p s ef o rr e d u c et h er e m a i n i n gs t r e s sp e a k v a l u ea n de l l i p t i c i t y t h eu n f i n i s h e dp i p i n ga p e r t u r ew i d t hi se s s e n t i a lc r a f tp a r a m e t e r t ot h ec o n t r o lt h er e m a i n i n gs t r e s sp e a kv a l u e t h es p e c i f i c a t i o no f u n f i n i s h e dp i p i n g s h o u l db ea sf a ra sp o s s i b l et h ef l a te l l i p s ea n dt h ea p g r l b r ew i d t hi ss m a l l e rt h a n l o o m mi nt h ea c t u a lp r o d u c t i o np r o c e s s b ym e a n so fa n a l y z i n gt h ed e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo fd i a m e t e re x p a n d i n go fa s t r a i g h t w e l dp i p e ，t h i sp a p e re d u c e saf o r m u l af o rc a l c u l a t i n gt h eh o o pr e s i d u a ls t r e s s o no u t s i d es u r f a c eo f w e l d e dp i p ea f t e re x p a n d i n gb yt h er i n gs p l i t t i n gm e t h o d a c t u a l m e a s u r e m e n t ss h o wt h a tt h eo r 0f o r mt h ef o r m u l ac a nr e p r e s e n t c o r r e c t l yt h e d i s t r i b u t i o na n dp e a kv a l u eo fh o o pr e s i d u a ls t r e s so no u t s i d es u r f a c eo fa s t r a i g h t - w e l dp i p ea f t e re x p a n d i n g h o w e v e r , f o rt h em a i g h t w e l dp i p eb e f o r e e x p a n d i n g ，t h eo r 0f o r mt h ef o r m u l ac a no n l yr e f l e c ta p p r o x i m a t e l yt h em e a nv a l u eo f h o o pr e s i d u a ls t r e s sd i s t r i b u t i o no i lo u t s i d es u r f a c eo f aw e l d e dp i p e k e yw o r d s ：w e l d i n gt u b e ，t e n s i l es t r e s s ，f e a , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘茎或其他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 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文储躲胁签字隰觚年易月2 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫壅盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：形彤6 年。月纠日 导师签名- 识 导师签名： 影叮归 签字日期：。6 年p 月7 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 大口径直缝埋弧焊接钢管制造技术综述 1 1 1 大口径直缝埋弧焊接钢管优点【l 】 由于管道运输具有经济、安全、便捷、对环境影响小，适于长距离输送的 优点，因此被广泛应用于石油、天然气、煤浆等的输送中。管道运输已经是运 输业的五大支柱之一。随着石油、天然气逐渐向海洋、寒冷及边远地区发展， 要求焊管在满足安全可靠的前提下，能够输送高压力并含有腐蚀性的介质，因 此对焊接钢管提出了越来越高的要求。 目前在国际油气长输管道建设中，广泛采用直缝埋弧焊接钢管和螺旋埋弧 焊接钢管( 联合使用螺旋和直缝埋弧焊接钢管建设油气管道可靠而经济) 。大口 径直缝埋弧焊接钢管相对螺旋埋弧焊接钢管的优势在于以下几个方面。 ( 1 ) 残余应力小。直缝埋弧焊接钢管在成型过程中回弹小，经过焊后扩径 以后，焊管残余应力的大小和方向得到调整。由于残余应力比较小，所以不易 受到腐蚀性介质的腐蚀，可以满足更恶劣条件下的使用。 ( 2 ) 在焊管长度相同条件下，直缝埋弧焊接钢管焊缝长度比螺旋焊接钢管 小。所以在相同焊接条件下直缝埋弧焊接钢管出现缺陷的概率低。 ( 3 ) 直缝埋弧焊接钢管的成型质量比螺旋焊接钢管好。在经过扩径后其几 何尺寸，椭圆度可以得到精确的控制。 1 1 2 大口径直缝埋弧焊接钢管成型方法简介 所谓大口径直缝埋弧焊接钢管是指直径大于4 2 6 ( 或5 0 8 ) m l n 的直缝埋弧 焊接钢管【1 1 。焊接方式采用埋弧焊。大口径直缝埋弧焊接钢管的成型方法主要有 u o e 、j c o e 、p f p 、c 、r b e 成型等。现对主要的成型方法介绍如下： 1 u o e 成型工艺1 2 1 3 1 所谓的u o e 成型工艺是指钢板经过“u ”成型、“o ”成型和机械扩径 ( e x p a n d i n g ) 的缩写。这种钢管成型法是美国于1 9 4 0 年首创的【4 j 。 第一章绪论 u o e 成型工艺过程如下：经过超声波探伤合格后的钢板沿纵向进行铣边、 开坡口，为保证钢管的质量，在铣边的过程中要保证钢管的宽度精度及钢板两 端的平行度；铣边后的钢板送入预弯机沿纵向对钢板两边预弯成弧型；预弯后 的钢板在水压机上将其压成“u ”型，之后再在“o ”型机上由上下两半圆形的 压模压成开口的管筒。然后再对管筒进行预焊、内焊、外焊、探伤，直至成管。 “u ”型压力机和“o ”型压力机生产能力比较大，可以生产高强度( x 7 0 以上) 和厚壁( 最大为3 8 m m ) 的钢管；钢板的变形合理，“0 ”成型后管筒开 口很小，基本合拢，因此没有错边，焊缝应力小，尺寸精度高，成材率高达9 5 9 7 ；生产能力高，一般成型为3 2 6 0 根m ，月产量为3 6 x 1 0 4 t ，最高年 产量为1 1 0 x 1 0 4 t ，适于大批量单一品种的生产。但u o e 工艺是模压成型，每生 产一种规格的管坯需配一套模具，工具规格多，费用高，每换一套模具所需时 间长( 2 天) 。在成型过程中对钢板加压卸压，送进和再加压交替进行，使钢管 内应力较大，且不均匀，张力差异大，成型的管子不是准确的圆，焊后必须经 扩径机整体扩管定径，消除管子内应力，并使管子达到规定的圆度。 2 j c o e 成型工艺1 5 ，q j c o e 法又称改进式模压成型法。是将预弯处理后的钢板的一半在水压机上 经过多次步进冲压成“j ”形；再将钢板的另一半同样弯曲，压成“c ”形：最 后形成开口的“o ”形。然后再经过扩径等生产工艺，最终形成焊管。 与u o e 成型相比，在生产同样规格的钢管下，j c o e 成型的压力小，模具及 成型设备简单，设备重量轻，投资较低，能耗少，模具更换时间短。但生产率 比较低，自动化控制水平没有“u o e ”工艺高，成型后的管筒开口缝比较大， 管坯内的张力差异比较大，成型后不是标准的圆，焊后焊缝应力大，容易错边。 因此，焊后要进行扩径，消除钢管的内应力，提高形状尺寸精度。 3 p f p 成型工艺【7 , s l 此成型方法有两种形式。一种称为逐步折弯成型法( p r o g r e s s i v ef o l d i n g p r e s s ) ；另一种称为逐步模压成型法( p r o g r e s s i v ef o r m i n gp r e s s ) 。其区别在于逐 步折弯成型法的成型机压头是“i ”形( 单位面积压强比较大) ，适于厚板和中厚 板的成型加工。逐步模压成型法的成型机压头是倒“t ”形( 单位面积压强相对 2 第一章绪论 比较小) ，下部按一定曲率制造，适于薄板和中厚板的成型加工。两者的成型过 程是相同的。将端部预弯的钢板在水压机上以很小的步长，较多的次数，逐步 对板料进行折弯，最后经钢管合缝焊机成型为圆管。 p f p 成型法主要用于厚板和中厚板的成型加工，可以生产小管径大厚壁的焊 管( 如4 0 6 m m x l 4 m m ) ，产品范围广，有较强的市场灵活性和适应性。其结构简 单，操作方便，动作可靠，维修容易。投资中等( 仅为u o e 成型工艺的1 3 ) 。 但经p f p 成型后的钢管不是一个标准的圆，并且管坯内应力比较大，所以焊后 必须经扩径机进行扩径，消除内应力，整圆及减少制管过程引起的包辛格效应。 4 c 成型工艺【1 , 9 1 此成型方法是由法国逢塔木松( p o n t a m o u s s o n s a ) 首创的，又称逢塔木 松法。用两台c 成型机代替u o e 机组中的“u ”压力机和“o ”压力机。钢板 经过弯边机预弯边后，在一台c 压力成型机上成型钢板的一半，压成“c ”形； 接着在另一压力机上成型钢板的另一半，即压成“0 ”形，从而形成一个开口的 圆形管体。 c 成型工艺是一种生产大直缝焊管的有效方法，易于生产厚壁钢管，操作简 单，生产线价格低，产量适中。但生产出来的钢管内应力较大，且分布不均匀， 焊后需扩径。 5 r b e 成型工艺【1 0 】 r b e 成型即辊式弯板成型。首先将钢板两边整边、倒角，然后将平钢板在辊 弯板机上经反复滚压成圆形的开口管体，管体进入板边辊压机，同时将两边多 次滚压使弧度与管径吻合。 此成型方法工艺简单，成型设备不复杂、重量轻，造价低，一次性投资少， 生产灵活。生产的管坯除纵向板边有段直线外，其余均是正确的圆形。但管坯 开口大，对过高钢级的产品开口缝常中间宽，两头窄。同一直径的钢管壁厚不 同，钢级不同，开口的尺寸也不同。受顶辊刚度的限制，不能生产直径相对较 小，壁厚较大的厚壁管和长度大于1 2 m 的钢管。管坯焊接后应力大，易错边， 生产率比较低。 6 排辊成型工艺( c a g ef o r m i n gp r o c e s s ) 1 0 , l h 第一章绪论 此工艺是由美国y o d e r 公司发明的。采用多套排辊( 上下左右) ，使钢板连 续局部弯曲变形，将钢板从端部经中部到尾部连续渐进弯曲成“u ”形，最终形 成“o ”形圆管。 此工艺生产能力强，与u o e 工艺相近，比p f p 或r b e 工艺高l 2 倍，机 组成型速度可达1 8 2 4 m m i n ，年产量可达3 0 万吨，可以生产长尺度钢管，理 论上可以生产任意长度的钢管，钢管最长可达2 4 m 。该工艺设备重量轻，投资 少，成本低，排辊成型机组设备先进、可靠，工艺成熟，原料供给灵活，可以 是钢板或钢卷。 7 h u m e t a l 成型工艺【4 】 2 0 世纪9 0 年代初由澳大利亚h u - m e t a l2 1 2 程公司开发的，又称单辊卡钳成 型工艺。 h u m e t a l 成型工艺过程是将钢板边部加工成坡口后，把钢板的一侧纵边嵌 入芯棒上的t 形钳口内卡住，通过芯棒的转动和下部压辊的作用，将钢板的一 半卷曲成半圆。松开钳口将未弯曲部分送出，然后反向将未弯部分的纵边送入 芯棒t 形夹口内夹紧，再后向转动芯棒，直至钢板完全贴紧芯棒而形成管筒为 止。然后松开钳口，将成型后的管坯从芯棒上抽出。 此工艺的成型设备与u o e 相比造价低，投资少，生产的管肺圆度和轴向平 直度均较好，生产效率适中。但此工艺的工具附件投资大，由于受管芯的限制， 生产小直径厚壁管较难，生产灵活性差1 2 1 。 1 1 3 大口径直缝埋弧焊管制造技术现状及发展状态【1 3 5 l 随着人类环保意识的增强，燃料结构的改变，以及石油天然气开采技术的 提高，输送原油、成品油、水煤浆、矿粉浆和海洋油气管线将继续增加。在国 外输送管线建设中，总体上大口径直缝埋弧焊管基本上取代了螺旋焊管。我国 目前仍以螺旋焊管为主。但由于螺旋焊管在许多方面不如直缝埋弧焊管，因此 在重要交通枢纽，地质条件复杂，人口稠密地区以及海洋方面需要直缝埋弧焊 管。 表1 1 列举出了当今大口径直缝埋弧焊接钢管的主要生产方法。从这些对比 4 第一章绪论 中可以看出，现今大口径直缝埋弧焊管制造技术以u o e 成型工艺最成熟、最可 靠，其产品质量好，机组增产潜力大，在资金许可的情况下，是首选工艺。但 当资金受限制而产量要求不高时，可选用一台压力机的压力成型工艺( 如 j c o e ) ，也可以选用辊式成型工艺。 表1 - 1 几种大直径焊管生产工艺主要技术参数比较 项目 u o e 法 r b e 法 j c o e 法 c 成型法 c f e 法 h u - m e t a l 法 p f p 法 钢板 原料 钢板 钢板 钢板 钢板 钢板钢板 刚卷 钢管外径 壁厚m m 6 ，3 2 1 ) 6 - - 5 0 6 3 5 1 9 1 5 6 0 一2 8 6 6 4 0 - 2 8 66 2 55 2 5 长度m m1 2 1 8 93 0 6 01 2 08 0 1 2 5约1 8 01 5 o 1 2 2 产f t v a a i 3 肚6 0 42 54 ，1 2 2 0 5 3 01 54 1 5 设备投资 1 0 0 1 5 00 1 i 0 1 50 1 7 o 2 0 o 6 0 0 9 0 1 0 0 1 5 0o 1 20 1 1 0 1 5 亿美元 大批量单一多品种小批大批量单一多品种小批 批量生产 生产特点品种和较厚量和特厚壁 单一品种品种生产调 单一品种 量生产 调整容易 壁管生产管生产整困难 注；i ) 最大5 0 舳；2 1 最大i | 0 1 2j c o e 直缝埋弧焊管生产工艺 j c o e 直缝埋弧焊接钢管生产工艺流程为( 图1 一1 ) ：钢板超声波探伤一铣 边一预弯边一成型一合缝预焊一内焊一外焊一超声波探伤i x 射线探伤i 一 扩径一水压试验一平头倒角一超声波探伤一x 射线探伤i i 一管端磁粉探伤一 称重测长一防腐和涂层一标记出厂。 在直缝焊管生产工艺中，关键的部分是成型、焊接和扩径。 5 第一章绪论 图1 1j c o e 直缝埋弧焊接钢管生产工艺流程图 6 第一章绪论 1 3 大口径直缝埋弧焊接钢管残余应力的形成机制【1 6 ， l 直缝埋弧焊接钢管在制造过程中要经过矫直、铣边、成型、焊接等主要工 序，以及探伤、平头、水压试验等辅助工序。原料板材在轧制过程中已经产生 了一部分残余应力，在经过矫直、铣边等工艺过程时，板材中已经存在的残余 应力进行了重新分布，并产生了一小部分残余应力。然而，在直缝焊接钢管生 产过程中产生残余应力的主要工序并不是这些，而是来自成型和焊接这两个工 艺过程。 焊接钢管的成型可以当作纯弯曲塑性变形来分析。在成型过程当中要经过 弹性变形阶段和弹性一塑性变形阶段。在弹性变形阶段，当外力消失时，弹性 变形随之消失，内应力也随之消失。在弹性一塑性变形阶段，当外力消失时， 变形量不能完全消失，而只恢复其弹性变形部分，塑性变形保留下来。对于直 缝焊接钢管，残余应力主要是在合缝焊接过程中形成的。在合缝焊接时，开口 的管坯被强制合拢成圆管( 图1 - 1 ) ，并预焊。尽管该工序完成后钢管处于自约 束状态，可以释放部分弹性应力，但在焊接钢管内部仍存在较大的残余应力。 焊接钢管的方法是埋弧焊接。焊接热应力成为焊接钢管残余应力的主要部 分。 1 4 选题的意义及研究内容 西气东输工程的竣工，标志着我国管道工业迈进了一个新的阶段。在这一 阶段管线工业的特点是钢管需求量大、钢级高、直径大、精度高。并且石油、 天然气资源在海洋、寒冷及边远地区的开发对长输管线建设用焊管的质量提出 了越来越高的要求，其中包括对其残余应力水平的定量估计。焊管中存在高值 拉伸残余应力会削弱其承压能力，增大应力腐蚀的危险，进而影响油气管线的 使用安全。在焊接钢管生产过程中，由于生产环境的限制，生产厂商很难精确 地测量出钢管内部的残余应力。从而无法及时调整生产工艺以提高焊接钢管的 生产质量。所以寻求一个简单的方法去估算焊接钢管内部的残余应力值和评价 焊管的生产工艺参数对焊管的残余应力的影响是有一定实际意义的。 本课题的研究内容为： ( 1 ) 通过分析直缝焊接钢管扩径过程的变形机制，导出用环劈法估算扩径 7 第一章绪论 后焊管外表面上周向残余应力的公式，并评价用该公式估算的o r o 反映扩径后直 缝焊管外表面周向残余应力峰值水平的误差： ( 2 ) 通过有限元建模对j c o e 焊接钢管成型过程的合缝工序进行数值模拟， 以研究大口径直缝埋弧焊管成型过程中的变形机理及特征，以及成型工艺参数 对残余应力分布的影响。 8 第二章大口径直缝埋弧焊接钢管残余应力的估算 第二章大口径直缝埋弧焊接钢管残余应力的估算 焊接钢管中存在周向残余弹复应力的问题，相当于钢管预先承受一个周向 拉应力。此应力会降低焊管的承压能力并诱发应力腐蚀，对管道的脆性断裂， 氢致开裂和疲劳破坏均有显著影响，所以定量的估算周向残余弹复应力对焊管 的生产和使用具有一定的理论指导意义。 2 1 大口径直缝埋弧焊接钢管残余应力的估算公式“”剐 由图2 1 可知，直缝焊管的管坯开口被强制闭合并进行焊接必然使焊管内 产生复杂的弹性应力。扩径造成的塑性变形使这些弹性应力得到部分松弛，而 未被松弛的弹性应力则构成了直缝焊管内的残余应力。 口) 开口管坯6 ) 管坯开口闭合，直缝焊接d 扩径 图2 - 1 直缝焊管的成型工艺 若直缝焊管内存在周向残余应力，则解除其周向约束后，焊管必将回弹( 见 图2 - 2 ) 。周向回弹量a m 显然与周向残余应力的大小直接相关。 图2 2管坯的周向回弹 9 第二章大口径直缝埋弧焊接钢管残余应力的估算 在扩径过程中，直缝焊管沿其周向均匀变形( 见图2 - 1 c ) ) ，焊管外表面上的 周向应变为： 岛咆+ = 帮= 而t * 瓦t ( 2 _ 1 ) 式中国一周向应变； 8 0 e - - 周向的弹性应交5 脚一周向的塑性应变； d o 一焊管外径( m m ) ； t 一焊管壁厚( m m ) 。 若沿轴向将直缝焊管劈开解除其周向约束，使觎得到释放，则焊管外径将 回弹至d i ( 见图2 - 2 ) ，对应的周向塑性应变为 = 篙= 南* 百t ( 2 - 2 ) 由式( 2 1 ) 减去式( 2 2 ) ，得 铲知一= 掣i t 些d o d , s ) 式中的d l 为开口焊管( 见图2 - 2 ) 的外径。 由弹性力学平面问题的基本理论可知，对于大口径直缝焊管这样的薄壳结 构，其弹性应力应变关系遵从广义虎克定律，即 船= 吉( 一西) ( 2 4 ) e 7 趾：三( m 一鳓 ( 2 5 ) e 7 鉴于与外径d o 相比，直缝焊管轴向( x 方向) 长度很大，在扩径过程中其 轴向变形受尺寸约束接近平面应变状态，因此可以认为对应的弹性应变踟为零。 取占”= o ，则由式( 2 4 ) 和式( 2 5 ) 得 i 9 r 6 = 跏寿( 2 - 6 ) 将式( 2 - 3 ) 代入式( 2 - 6 ) 则得到扩径后，直缝焊管外表面的周向残余应力与 开口回弹量a m ( 见图2 - 2 ) 的关系 e l m 一( 1 - 9 2 ) x o o d , 1 0 ( 2 - 7 ) 第二章大口径直缝埋弧焊接钢管残余应力的估算 式( 2 7 ) 中的和u 分别为材料的弹性模量和泊松比。 2 2 大口径直缝焊管残余应力的测量。捌 基于公式( 2 - 7 ) ，即可用环劈法估算扩径后直缝焊管外表面上的周向残余 应力。 以外径风为1 0 1 6 m m ，壁厚分别为1 7 5 和2 1 m m 的x 7 0 双面直缝埋弧焊管 为例，沿轴向将焊管切开，用公式( 2 7 ) 估算扩径后焊管外表面上的周向残余 应力，同时通过与切块法残余应力测量结果的比较来评价公式( 2 - 7 ) 的估算精 度并分析其应用条件。 测试用x t 0 直缝埋弧焊管的拉伸力学性能、公称规格和扩径率分别如表2 - 1 和表2 - 2 所示。 表2 - 1 测试用管的拉伸力学性能 成型工艺【1 l试样状态o 05 ( m p a ) o b ( m p a ) 5 ，( )盯o5 ，盯b u o e扩径前，纵向 5 5 4 6 5 2 4 40 8 5 j c o e 扩径前，纵向 5 3 06 3 54 6o 8 3 表2 - 2 测试用管的公称规格和扩径率 l 成型工艺1 1 j 外径( m m )壁厚( r a m )扩径率( 呦 u o el o l 61 7 51 3 j c o el o l 62 1 o1 0 2 2 1 环劈法测量残余应力蚓 截取一段轴向长度为3 0 0 m m 的x 7 0 直缝埋弧焊管，在其端面预先打上宽 为1 0 0 m m 的标距m 1 ，焊缝位于该标距的中心。然后将此管段沿焊缝中心切开， 切开后m j 增大为m 2 ，见图2 - 3 。 将测量值a m = m 2 一m l 代入公式( 2 7 ) ，同时将该式中的d l 用d 0 来近似， 得到的焊管外表面周向残余应力国的估算结果如表2 - 3 所示。 第二章大口径直缝埋弧焊接钢管残余应力的估算 伊 科 力 切开前切开后 图2 _ 3 环劈法测量a m 表2 - 3 周向残余应力的估算结果 焊管的状态 成型 测试参数扩径前扩径后 工艺 4 5 0 e o o e 9 0 * e 4 5 0 eo o e9 0 0 e 肘( m m ) 9 9 4 61 0 2 1 69 6 1 05 4 2 85 6 9 45 1 0 4 j c o e o a ( m p a ) 1 5 2 1 21 5 6 2 51 4 6 9 88 1 4 68 5 4 57 6 5 9 a m ( m m ) 3 1 53 6 1 u o e o o ( m p a ) 4 1 44 5 7 o 测量角度： o oc 2 2 2 切块法测量残余应力 在l m 长同规格直缝焊管的外表面上粘贴应变片，粘贴位置分布如图2 - 4 所 示。然后以应变片粘贴位置为中心切割下5 0 x 5 0 n u n 的测试块。待切割完成1 天 以后，对测试块上应变片释放的周向应变自和轴向应变最进行测量，再根据平面 问题的广义虎克定律。 0 o = 南( 功恤) = _ l 功+ j 蝠，l ( 1 一2 ) 、 7 1 2 第二章大口径直缝埋弧焊接钢管残余应力的估算 、口 rw 。 心“ 图2 4 应变片的粘贴位置 距离焊缝的角度( o ) 图2 - 5u o e 成型直缝焊管外表面上的周向残余应力 童 r 曩 鳘 厦 距离焊缝的角度( 。) 图2 _ 6j c o e 成型直缝焊管外表面上的周向残余应力 1 3 第二章大口径直缝埋弧焊接钢管残余应力的估算 计算直缝焊管外表面上的周向残余应力国。对u o e 和j c o e 成型的双面直缝埋 弧焊管的测定结果，及其与环劈法估算结果( 表2 - 3 ) 的对比分别如图2 5 和图 2 - 6 所示。 2 3 分析与讨论 用环劈法估算残余应力的公式( 2 - 7 ) 是基于焊管沿周向均匀变形的假定导 出的。实测结果表明，直缝焊管扩径过程的均匀变形机制使扩径后的焊管基本 满足了公式( 2 7 ) 的导出条件。由图2 - 5 和图2 - 6 可见，与粘贴应变片的切块 法测试结果比较，用公式( 2 7 ) 估算的田基本能近似反应扩径后直缝焊管外表 面周向残余应力的分布状态和峰值水平。与用切块法测定的峰值拉伸残余应力 比较，用公式( 2 - 7 ) 估算u o e 和j c o e 成型的直缝焊管国的相对误差分别为 2 0 和6 ，绝对误差分别为7 6 m p a 和5 1 m p a 。 另由图2 - 5 和图2 - 6 可见，由于直缝焊管扩径前的成型机制与公式( 2 - 7 ) 的导出条件不同，因此用公式( 2 7 ) 估算的国不能正确反映扩径前直缝焊管外 表面上周向残余应力的分布状态和峰值水平，但可近似代表该分布的中值水平。 与用切块法测定的周向拉伸残余应力峰值比较，用公式( 2 - 7 ) 估算扩径前国的 相对误差分别为5 7 ( u o e 成型) 和5 2 ( j c o e 成型) ，绝对误差则分别达到 了5 5 8 m p a 和1 6 5 m p a 。 需要特别说明的是，公式( 2 - 7 ) 不能被用于估算直缝焊管中的轴向残余应 力氓。 2 4 本章小结 由上述理论分析和试验研究得出的结论如下： ( 1 ) 基于直缝焊管扩径过程的均匀变形机制导出了用环劈法估算扩径后焊 管外表面上周向残余应力的公式( 2 - 7 ) ； ( 2 ) 试验研究证实，用公式( 2 7 ) 估算的国能够近似反映扩径后的直缝 焊管外表面上周向残余应力的分布状态和峰值水平； ( 3 ) 试验研究证实，用公式( 2 7 ) 估算的确不能正确反映扩径前的直缝焊 管外表面上周向残余应力的分布状态和峰值水平，但可近似代表该分布的中值 水平。 1 4 第三章j c o e 直缝焊管合缝工艺的数值模拟 第三章j c , o e 直缝焊管合缝工艺的数值模拟 用j c o e 法生产直缝埋弧焊接钢管的过程是金属塑性加工的过程，也是一个 非常复杂的大变形过程，既有几何非线性又有物理非线性，同时还涉及到接触 非线性的问题。利用有限元法可以模拟该金属塑性加工的整个过程，计算出材 料内部应力和应变的分布，从而分析合缝工艺参数对直缝焊管成形应力状态的 影响。 3 1j c o e 直缝焊管合缝过程的有限元分析 3 1 1j c o e 直缝焊管合缝工艺过程 直缝埋弧焊接钢管在制造过程中是由板材逐步压弯成管状的。在预弯和逐 步成形过程中，板材产生了弹性一塑性变形。由j c o e 的生产工艺可知，在合缝 工艺之前焊接钢管的弹性变形已经全部恢复，因为开口的管坯在合缝前处于自 由状态，焊管内没有由于弹性变形而产生的残余应力。 小 图3 _ 1 合缝焊接工艺 在直缝焊接钢管合缝时，开口的管坯经过合缝机逐渐合拢成钢管，如图3 _ l 1 5 第三章j c o e 壹缝焊管合缝工艺的数值模拟 所示，开口的管坯经过合缝机时，在九排压辊的作用下合拢，完成合缝对中的 工艺过程。 在此工艺过程中，管坯开口的大小和椭圆度，以及九排压辊的伸出量和摆 角对合缝后钢管的成型残余应力有直接影响。在九排压辊的伸出量和摆角一定 时，管坯开口和椭圆度是影响焊管成型残余应力大小和分布状态的关键因素。 生产表2 - 2 所示规格j c o e 成型的x 7 0 直缝焊管时，某合缝机九排压辊的伸出量 和摆角的大小以及分布情况如表3 - 1 和图3 - 2 所示。 合缝预焊后，钢管内的成型应力主要是由压辊挤压合拢的弹性变形引起的。 尽管没有压辊的挤压，钢管会有一定的回弹，释放部分弹性应力，但在焊管内 还会留有成型弹性变形引起的成型残余应力。该残余应力的大小及分布状态对 岸笛：爱呈青主按影响。 表3 - 1 压辊参数表 压辊编号1 。2 43 44 #5 #矿8 #矿 伸出量 ( m m ) 5 士l o5 士1 0 5 0 0 1 0 5 士l o5 1 0 5 0 0 1 05 士1 0 5 士1 05 0 0 士1 0 摆角( 。) 笠r 士1 7 d 士1 。l l $ 士1 2 晒。i 2 舅卸1 卿r 土1 矿 2 7 0 。 吖、? 汐。- 咯 、，内 面 ， 图3 _ 2 合缝机压辊分布图 1 6 第三章j c o e 直缝焊管合缝工艺的数值模拟 3 1 2 有限元分析模型刎 基于j c o e 法生产大口径直缝埋弧焊接钢管的合缝焊接工艺，在进行有限元 模拟计算时，可以根据开口管坯的受力情况将该过程简化为：开口管坯固定不 动，压辊沿着管坯的径向对其旌加径向压力的过程，如图3 3 所示。 图3 3 管坯合缝的受力图 a )b ) 图3 - 4 合缝预焊有限元分析模型 为了有限元分析和计算的简便，建模时可以以过焊管焊缝的垂线为对称轴， 沿纵向将管坯分为对称的两部分，取其中一部分简历有限元模形，如图3 - 4 所 示。 图3 - 4 中模型的结构尺寸为：焊管长度2 0 0 m m ，壁厚2 1 m m ，外径1 0 0 6 m m ， 管坯开口宽度1 4 0 7 m m ，管坯椭圆度( 见表4 1 ) 为o ，轧辊直径1 6 0 m m ，轧辊 第三章j c o e 直缝焊管合缝工艺的数值模拟 宽度1 0 0 r a m 。 3 1 3 单元选择“捌 由合缝预焊工艺过程分析可知，在进行合缝过程的有限元计算时要涉及到 结构大变形、几何非线性、材料非线性和接触非线性的问题。根据有限元建模 的实际情况，在a n s y s 中选择了s o l i d 4 5 、t a r g e l 7 0 和c o n t a l 7 3 三种单 元。 s o l i d 4 5 用于仿真3 d 实体结构。该单元由8 个节点组成，每个节点具有 x ，y ，z 方向的3 个自由度。单元具有塑性、大变形、大应变、应力强化和膨胀 的特性，其单元形状和节点分布如图3 5 所示。 图3 s o l i d 4 53 - d 实体单元 图3 - 6t a r g e i t 0 单元结构 1 8 第三章j c o e 直缝焊管合缝工艺的数值模拟 图3 - 7c o n t a l 7 3 单元结构 t a r g e l 7 0 和c o n t a l 7 3 单元是面一面接触单元，一起使用来定义3 - d 接 触对。t a r g e l 7 0 用来仿真3 d 实体结构的目标面，c o n t a l 7 3 用来仿真3 一d 实体结构的接触面。接触单元附着在实体单元表面，用来描绘可变形机体的边 界，以及目标面和接触面发生的潜在接触关系。t a r g e l 7 0 和c o n t a l 7 3 单元 的形状和节点分布如图3 - 6 和图3 7 所示。 3 1 4 材料属性定义 模型种的直缝埋弧焊管与合缝预焊压辊的材质均取为x 7 0 钢，材料的力学 性能参数如表3 七所示。 表3 - 2 材料力学性能 l 弹性模量目驯硬化模量西( m p a ) 屈服强度泊松比摩擦系数 2 0 7 x 1 0 52 0 7 x1 0 45 3 x 1 0 5o 3 o 3 3 1 5 网格划分 3 0 3 h 在本模型中，直缝埋弧焊接钢管与压辊均采用s o l i d 4 5 单元。在焊管与压 辊的接触面上采用接触单元t a r g e l 7 0 和c o n t a l 7 3 。 根据a n s y s 不对称接触模型区分目标面和接触面的规则：如果两个接触面 都是凸的( 但不是尖锐的) ，应该将两个面中较平的作为目标面。所以在本模型 中，焊管上的接触表面为目标面，轧辊上的接触表面为接触面。 本有限元分析模型实体单元和接触单元网格划分情况分别如图3 8 和图3 9 所示。 1 9 第三章j c o e 直缝焊管合缝工艺的数值模拟 a ) 图3 _ 8 实体单元网格划分 a ) ” 图3 - 9接触单元网格划分 模型中的实体单元总数为2 6 2 6 ，接触单元总数为8 0 0 ，节点总数为3 7 8 3 ， 单元尺寸为2 5 m m 。 3 1 6 合缝应力计算d 2 1 许多常用的工程材料在应力水平低于比例极限时，应力一应变关系为线性 的。应力超过这一极限后，应力一应变关系变成非线性，但不一定是非弹性的。 以不可恢复的应变为特征的塑性，在应力超过屈服点后开始出现。由于屈服极 限与比例极限相差很小，在弹一塑性分析中，假设这两个点相同，所以a n s y s 分析中的应力一应变曲线可简化为图3 1 0 的形式。 在本模型中，当压辊对开口管坯施加合缝压力时，管坯内的应力有可能超 第三章j c o e 直缝焊管合缝工艺的数值模拟 过材料的屈服极限发生塑性变形。 uu c a ) 纯粹增量式解( b ) 牛顿一拉普森迭代求解( 2 个载荷增量) 图争1 1纯粹增量近似与牛顿一拉普森近似的关系 在a n s y s 程序中通过使用牛顿一拉普森( n r 法) 平衡迭代克服了这个困难， 使每一个载荷增量末端解达到平衡收敛。如图3 一1 1 ( b ) 所示。 2 l 第三章j c o e 直缝焊管合缝工艺的数值模拟 3 1 6 2 接触问题求解 接触是高度非线性问题的复杂边界条件，对它的模拟必须准确跟踪接触前、 后物体间的相互运动( 包括正确模拟接触面间的摩擦行为) 及确定合理的接触 体分离条件。常用的接触算法主要有： ( 1 ) 罚函数法； ( 2 ) 增强的拉格朗日法； ( 3 ) 接触法向的拉格朗日乘予法和切向的罚函数法； ( 4 ) 接触法向和切向的纯拉格朗日乘子算法； ( 5 ) 内部多点约束法。 在本模型中应用的是增强的拉格朗日法。增强的拉格朗日方法是为了找到 精确的拉格朗日乘子( 即接触力) ，而对罚函数进行一系列修正迭代。与罚函数 方法相比，拉格朗目方法容易得到良态条件，对接触剐度的敏感性较小。 3 1 6 3 摩擦问题求解 摩擦是一种非常复杂的物理现象，与接触表面的各种因素有关，如接触表 面的相对硬度、表面粗糙度、温度、法向应力和褶对滑动速度等，这些因素在 变形过程中还有变化。 目前，对塑性加工中的摩擦问题还没有很完满的解决方法，数值计算中需 要做一些简化。常用的考虑摩擦效应的方法有以下几种；常摩擦因子法、常摩 擦系数法、假设摩擦系数为相对滑动速度的函数、假设摩擦耗功为相对滑动速 度的函数、假设摩擦力为相对滑动速度的反正切函数、假设摩擦力为阶梯函数 等。 在本模型计算中应用常摩擦系数法考虑压辊与焊管之间的表面摩擦效应。 该方法假设摩擦系数是一常数，采用库仑定律来计算摩擦力t ，即 f = 用 式中：摩擦系数； 户- 正压力( ) 。 ( 3 1 ) 这种方法在金属成型模拟中广泛应用在实际计算中，由于摩擦边界上正压 力的大小及分布都是未知的，因此摩擦力也是未知的，这给求解带来很大的困 难，通过库仑摩擦定律建立了正压力与摩擦力之间的正比关系，即可通过迭代 等方法进行求解。 第三章j c o e 直缝焊管合缝工艺的数值模拟 3 1 7 合缝过程模拟 根据图3 - 8 和图3 - 9 所示的模型对j c o e 成型管坯的合缝过程进行数值模拟， 模拟过程如图3 1 2 所示。 图3 1 2 中的a ) d ) 是合缝机压辊沿管坯径向向内移动，对开口管坯挤压 合缝的过程，在此过程中，随着压辊的径向移动，管坯开口逐渐变小。当管口 完全闭合，完成合缝预焊后，压辊沿径向向外移动，在此过程中合缝预焊后的 焊管形状产生部分弹性恢复，如图3 1 2 中的e ) h ) 所示。 第三章j c o e 直缝焊管合缝工艺的数值模拟 3 1 8 计算结果 图3 - 1 2 管坯合缝过程 h 、 为了在模拟计算中得到成型准确的焊接钢管外径，压辊对管坯施加径向压 力的过程采用位移加载的方法。 由图3 - 1 2 可知，管坯在经过合缝机时先被压辊强制合拢，然后进行预焊， 而后合拢预焊后的管坯脱离压辊的约束处于自由状态，成型残余应力得到部分 松弛。所以在合缝焊接过程中，焊接管坯经过了先压紧后松弛两个过程。压辊 压紧时管坯上的周向残余应力和残余应力的v o nm i s t s 分布分别如图3 1 3 和图 3 1 4 所示。 a )b ) 圈3 - 1 3压辊压下时管坯上的周向残余应力分布 第三章j c o e 直缝焊管合缝工艺的数值模拟 a )b ) 图3 - 1 4压辊压下时管坯上残余应力的v o nm i s e s 分布 压辊松开后管坯周向残余应力和残余应力的v o nm i s e s 分布分别如图3 1 5 和图3 1 6 所示。 a )b ) 图3 - 1 5 压辊松开后管坯上的周向残余应力分布 a )b ) 图3 - 1 6 压辊松开后管坯上残余应力的v o mm i s e s 分布 2 5 第三章j c o e 直缝焊管合缝工艺的数值模拟 图3 1 7 合缝预焊后管