UOE成形中X60管線鋼板的力學(xué)性能反推模型

郭寶峰 趙石巖 王林鋒 金 淼

燕山大學(xué)，秦皇島，066004

UOE成形中X60管線鋼板的力學(xué)性能反推模型

郭寶峰 趙石巖 王林鋒 金 淼

燕山大學(xué)，秦皇島，066004

針對(duì)大直徑直縫埋弧焊管線鋼管在UOE成形及之后的試樣壓平過(guò)程中板料力學(xué)性能的變化問(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)從鋼管力學(xué)性能確定毛坯鋼板力學(xué)性能的反向計(jì)算，以X60管線鋼為例，應(yīng)用有限元數(shù)值模擬方法分析了不同規(guī)格鋼管在UOE成形過(guò)程中重要特征部位的彎曲變形，采用4點(diǎn)彎曲方法制作了具有相同等效應(yīng)變的彎曲試件，依據(jù)API標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于管體試樣力學(xué)性能壓平試驗(yàn)方法，分析了X60管線鋼在彎曲及壓平變形后的力學(xué)性能變化規(guī)律，給出了等效應(yīng)變?cè)?.0104～0.0586區(qū)間的X60管線鋼的屈服強(qiáng)度反向計(jì)算近似方法。

反推模型；4點(diǎn)彎曲；屈服強(qiáng)度；屈強(qiáng)比

0 引言

UOE是以熱軋寬厚鋼板為毛坯板制造大口徑直縫埋弧焊管線鋼管的一種塑性成形工藝，其制品已成為管線鋼管的主導(dǎo)產(chǎn)品。根據(jù)美國(guó)石油學(xué)會(huì)API Spec5L《管線鋼管規(guī)范》規(guī)定，管線鋼管的力學(xué)性能須采用沿管體圓周方向取樣并經(jīng)壓平后進(jìn)行的拉伸試驗(yàn)來(lái)測(cè)試。其中，材料的屈服強(qiáng)度用所取試樣的σt，0.5表示。很顯然，對(duì)于以UOE成形方法制造的管線鋼管而言，其管體的屈服強(qiáng)度一方面由于毛坯板在預(yù)彎邊、U形彎曲、O形彎曲和機(jī)械擴(kuò)徑過(guò)程中的加工硬化現(xiàn)象而增加，另一方面又將因?yàn)楣荏w試樣在壓平過(guò)程中的Bauschinger效應(yīng)而下降［1－4］。通常情況下，這兩種現(xiàn)象的效果不能完全抵消，因而導(dǎo)致了毛坯板與管體、管體和拉伸試樣之間力學(xué)性能的差異。

這種差異與鋼管的材質(zhì)、規(guī)格（管徑、壁厚）、變形程度等因素有關(guān)［5－8］。所以在 UOE成形工藝設(shè)計(jì)時(shí)必然會(huì)遇到這樣一個(gè)問(wèn)題：當(dāng)對(duì)鋼管的力學(xué)性能有特別要求時(shí)，應(yīng)該如何確定毛坯板的力學(xué)性能并選擇其鋼級(jí)，特別是如何選擇其屈服強(qiáng)度的裕量，才能滿足最終制品的力學(xué)性能（即壓平試樣測(cè)試結(jié)果）要求。然而目前解決這一問(wèn)題的方法仍然缺少理論支持，常常需要進(jìn)行工業(yè)性的實(shí)驗(yàn)。為此，本文基于管體UOE成形工藝過(guò)程的彎曲變形制備了用于力學(xué)性能測(cè)試的彎曲試件，采用壓平試驗(yàn)分析了毛坯板力學(xué)性能與管體拉伸試樣力學(xué)性能之間的定量關(guān)系。

1 UOE成形過(guò)程的變形特征分析

1.1 有限元模擬模型

UOE成形過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的多工序、非線性塑性成形過(guò)程，其主要成形工序有預(yù)彎邊、U形彎曲、O形彎曲和機(jī)械擴(kuò)徑［9］，如圖1所示。在成形過(guò)程中板料沿寬度方向的變形隨變形部位不同而異。

圖1 UOE成形流程圖

采用有限元數(shù)值模擬方法可以方便地獲得這些部位的變形特征和變形量。UOE成形過(guò)程的有限元連續(xù)仿真模型如圖2所示，依次按照成形順序自動(dòng)完成對(duì)板邊彎曲、U形彎曲、O形彎曲和機(jī)械擴(kuò)徑等成形工序加載和卸載過(guò)程的連續(xù)仿真計(jì)算?；谠撨B續(xù)仿真模型，保持了整個(gè)仿真計(jì)算過(guò)程中板料應(yīng)變狀態(tài)的連續(xù)性，實(shí)現(xiàn)了變形結(jié)果的數(shù)據(jù)自動(dòng)傳遞與繼承。

圖2 有限元模擬模型

板料的單元類型為4節(jié)點(diǎn)平面單元。預(yù)彎邊模具橫斷面線形采用漸開(kāi)線形，U形彎曲凸模、O形彎曲上模和下模的橫斷面均為等徑圓弧。根據(jù)鋼管規(guī)格不同，機(jī)械擴(kuò)徑模具分10瓣和12瓣兩種結(jié)構(gòu)。針對(duì)真實(shí)應(yīng)力－應(yīng)變曲線（圖3）的X60管線鋼，給定的材料參數(shù)為：屈服強(qiáng)度416MPa，抗拉強(qiáng)度512MPa，彈性模量204GPa，泊松比0.3，板料與模具間的摩擦因數(shù)取0.1。

圖3 X60真實(shí)應(yīng)力－應(yīng)變曲線

1.2 變形分析

根據(jù)對(duì) φ711mm×15.88mm、φ914mm×31.8mm、φ1016mm ×19.1mm、φ1016mm ×25.4mm、φ1219mm × 22mm、φ1219mm ×26.4mm和φ1422mm×40mm等7種規(guī)格的管線鋼管在UOE成形過(guò)程的有限元模擬結(jié)果，考慮到板料變形關(guān)于其寬度方向的對(duì)稱性，將板料在UOE成形過(guò)程中沿鋼管橫斷面圓周分為3類共5個(gè)特征變形區(qū)域，分別是位于板料兩邊的預(yù)彎邊變形區(qū)、位于板料中間的U形彎曲圓弧變形區(qū)和位于上述兩個(gè)變形區(qū)之間的U形彎曲直壁變形區(qū)。盡管發(fā)生在這些區(qū)域的變形形式主要是彎曲變形，但是由于它們的主要變形分別發(fā)生在不同的工序，即預(yù)彎邊、U形彎曲和O形彎曲工序，因此這些區(qū)域的變形特征及其變形程度也有所不同。表1所示是根據(jù)上述有限元模擬結(jié)果得到的外層等效應(yīng)變的分布情況。其中，所有規(guī)格的鋼管都經(jīng)過(guò)不大于1.5%的機(jī)械擴(kuò)徑變形。

表1 不同規(guī)格鋼管特征變形區(qū)的等效應(yīng)變

2 試驗(yàn)方法和材料

在UOE成形過(guò)程中，盡管在不同特征變形區(qū)板料的變形程度不同，但其主要變形形式均表現(xiàn)為彎曲變形。為制備經(jīng)歷過(guò)不同程度彎曲變形的試件，并通過(guò)試件壓平工序制取符合API Spec5L規(guī)定的力學(xué)性能拉伸試樣，設(shè)計(jì)了如圖4所示的4點(diǎn)彎曲試驗(yàn)及裝置。通過(guò)改變兩彎曲凸模間距、凹模間距和彎曲凸模壓下量，即可獲得具有能夠制取拉伸試樣的彎曲變形弧長(zhǎng)和不同彎曲變形程度的彎曲試件。

圖4 材料彎曲試驗(yàn)原理與裝置

試驗(yàn)用板料為國(guó)產(chǎn)的X60管線鋼板，厚度為10mm。彎曲試件的毛坯寬度為150mm，長(zhǎng)度為400mm，其寬度方向?yàn)榘宀牡能堉品较?。制備拉伸試樣時(shí)沿板厚方向未進(jìn)行加工處理。

在生產(chǎn)實(shí)際中，鋼管的機(jī)械性能測(cè)試所用壓平試樣截取自管體的不同部位，顯然，在忽略加載路徑的前提條件下，其測(cè)試結(jié)果將因截取部位的累計(jì)塑性變形不同而異?？紤]到表1所示的有限元分析結(jié) 果，除 φ914mm×31.8mm 和 φ1422mm×40mm規(guī)格之外，其余鋼管特征變形區(qū)的等效應(yīng)變基本在0.01～0.06之間。因此，在彎曲試件制備時(shí)，將彎曲試件的等效應(yīng)變從0.01～0.06離散為0.0104，0.0198，0.0274，0.0347，0.0423，0.0496，0.0532和0.0586共8個(gè)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)每一個(gè)等效應(yīng)變。在同一塊經(jīng)過(guò)壓平的彎曲試件上制備3個(gè)拉伸試樣，并在WDW型微控電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。設(shè)定拉伸速率為1mm／min，試驗(yàn)溫度為室溫。

圖5所示是試驗(yàn)制備的彎曲試件及由此制取的力學(xué)性能拉伸試樣。其中，圖5a是經(jīng)過(guò)4點(diǎn)彎曲變形和卸載后的試件；圖5b是反向壓平后的板料；圖5c是由圖5b板料制備的力學(xué)性能拉伸試樣；圖5d是拉伸試樣的幾何尺寸。

圖5 彎曲試件和拉伸試樣

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3個(gè)彎曲試樣經(jīng)4點(diǎn)彎曲變形及反向彎曲壓平后進(jìn)行的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表2所示。毛坯板及壓平試樣的應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖6所示。其中圖6a和圖6b分別為彎曲變形在0.0104～0.0347和0.0423～0.0586之間材料的應(yīng)力－應(yīng)變曲線。

表2 不同變形程度彎曲后的力學(xué)性能

由圖6可見(jiàn)，X60管線鋼在未經(jīng)彎曲變形前，其應(yīng)力應(yīng)變曲線有明顯的屈服平臺(tái)。變形小于0.18%時(shí)為彈性變形，與屈服平臺(tái)對(duì)應(yīng)的變形在0.18%～2%之間。當(dāng)變形超過(guò)2%時(shí)材料進(jìn)入塑性變形，有比較明顯的加工硬化現(xiàn)象。在經(jīng)過(guò)彎曲變形并被反向壓平后，拉伸曲線的屈服平臺(tái)完全消失，而且當(dāng)變形大于1%之后，應(yīng)力值均高于毛坯板的應(yīng)力值。材料沒(méi)有出現(xiàn)永久軟化現(xiàn)象。

3.1 變形對(duì)屈服強(qiáng)度的影響

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，X60管線鋼的屈服強(qiáng)度隨變形增大呈現(xiàn)出先降低后升高的變化規(guī)律。在等效應(yīng)變?yōu)?.0198時(shí)其屈服強(qiáng)度降至最低，為351MPa，較毛坯板的屈服強(qiáng)度降低64MPa，約降低15%，材料呈現(xiàn)出明顯的軟化現(xiàn)象。當(dāng)?shù)刃?yīng)變大于0.0198時(shí)，材料的屈服強(qiáng)度隨變形的增大而增大，且在變形約為0.0347時(shí)回復(fù)至與毛坯板屈服強(qiáng)度相接近的程度。等效應(yīng)變大于0.04之后，材料的屈服強(qiáng)度均大于毛坯板的屈服強(qiáng)度。若用Δσt，0.5來(lái)表征管體與毛坯板屈服強(qiáng)度間的差值，則Δσt，0.5與等效應(yīng)變之間的關(guān)系曲線如圖7所示。

顯然，利用式（3）便可以根據(jù)鋼管的屈服強(qiáng)度要求，近似地計(jì)算出毛坯板的屈服強(qiáng)度，為UOE塑性成形工藝設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

圖6 材料不同變形彎曲后的單向拉伸應(yīng)力－應(yīng)變曲線

圖7 材料的Δσt，0.5與等效應(yīng)變之間的關(guān)系

從上面的分析可以看出，如果在X60管線鋼管UOE成形過(guò)程中管體的等效應(yīng)變小于0.04，其屈服強(qiáng)度將低于毛坯板的屈服強(qiáng)度，因此，毛坯板的鋼級(jí)應(yīng)比其制品要求的鋼級(jí)高一個(gè)或兩個(gè)級(jí)別；相反，如果管體的等效應(yīng)變大于0.04，則可以不考慮包申格效應(yīng)的影響，即選取的毛坯板鋼級(jí)可與制品要求的鋼級(jí)相同。

3.2 變形對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響

圖8所示為X60鋼在經(jīng)過(guò)不同程度的彎曲變形之后，其壓平試樣的抗拉強(qiáng)度σb與等效應(yīng)變?chǔ)胖g的變化趨勢(shì)。其趨勢(shì)線可以近似地?cái)M合為

由圖8可見(jiàn)，隨著變形程度的增大，材料的抗拉強(qiáng)度總體上呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，但其近似程度很低（R2＝0.6719）。關(guān)于這一點(diǎn)，還有待于進(jìn)一步深入研究。從試驗(yàn)結(jié)果看，與毛坯板材料相比，等效應(yīng)變?yōu)?.0586時(shí)，材料的抗拉強(qiáng)度增加34MPa，增幅約6.5%。不過(guò)當(dāng)?shù)刃?yīng)變?cè)?.0104～0.0496之間時(shí)，材料的最大抗拉強(qiáng)度變化量卻只有1.5%。

圖8 材料的抗拉強(qiáng)度與等效應(yīng)變之間的關(guān)系

3.3 變形對(duì)屈強(qiáng)比的影響

屈強(qiáng)比是管線鋼管力學(xué)性能中非常重要的一項(xiàng)指標(biāo)，表征的是材料承載塑性變形的容量。從上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)彎曲試件的等效應(yīng)變小于0.0423時(shí)，經(jīng)反向壓平后的材料的屈服強(qiáng)度均低于毛坯板的屈服強(qiáng)度，而其抗拉強(qiáng)度又都高于毛坯板的抗拉強(qiáng)度，所以其屈強(qiáng)比低于毛坯板的屈強(qiáng)比；然而，當(dāng)彎曲試件的等效應(yīng)變大于0.0496時(shí)，經(jīng)反向壓平后材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均有不同程度的增加，但由于屈服強(qiáng)度隨等效應(yīng)變的變化梯度明顯大于抗拉強(qiáng)度隨等效應(yīng)變的變化梯度［10］，因此與毛坯板相比，其屈強(qiáng)比均有所升高。

圖9所示為屈強(qiáng)比與等效應(yīng)變之間的二次多項(xiàng)式擬合曲線，從圖中可看出，隨著等效應(yīng)變的增大，材料的屈強(qiáng)比呈現(xiàn)出先下降（減?。┖笊仙ㄔ龃螅┑内厔?shì)。屈強(qiáng)比C與等效應(yīng)變?chǔ)诺臄M合函數(shù)關(guān)系可表達(dá)為

式（5）中的R2≈0.87，比較近似地反映了X60鋼的屈強(qiáng)比與等效應(yīng)變之間的函數(shù)關(guān)系。

圖9 材料的屈強(qiáng)比與等效應(yīng)變之間的關(guān)系

管線鋼管的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，鋼管材料的屈強(qiáng)比不得超過(guò)0.95。由圖9可見(jiàn)，毛坯板在經(jīng)過(guò)不同程度的彎曲變形之后，盡管其壓平試樣的屈強(qiáng)比發(fā)生了變化，但在等效應(yīng)變小于0.0586的范圍內(nèi)，材料的屈強(qiáng)比均未超過(guò)0.95。不過(guò)當(dāng)材料的等效應(yīng)變達(dá)到0.0586時(shí)，其屈強(qiáng)比已經(jīng)達(dá)到0.90。因此，根據(jù)圖9的屈強(qiáng)比變化趨勢(shì)，在UOE成形過(guò)程中，如果板料的等效應(yīng)變進(jìn)一步增大時(shí)，就必須對(duì)其屈強(qiáng)比給予關(guān)注。

3.4 變形對(duì)硬化指數(shù)的影響

對(duì)于管線鋼管而言，硬化指數(shù)雖然不是其性能指標(biāo)要求的內(nèi)容，但由于該參數(shù)是表征材料形變硬化能力的指標(biāo)，對(duì)塑性變形的傳播及成形性能有重要影響，所以用其考察經(jīng)過(guò)不同程度的彎曲變形、并經(jīng)過(guò)反向壓平之后的變化規(guī)律，對(duì)于全面了解X60管線鋼的力學(xué)性能隨塑性變形的變化規(guī)律不失學(xué)術(shù)意義。圖10所示是根據(jù)表2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的X60管線鋼的硬化指數(shù)與等效應(yīng)變之間的關(guān)系曲線。由圖10可見(jiàn)，硬化指數(shù)n和等效應(yīng)變?chǔ)胖g存在著很好的線性關(guān)系（R2＝0.9054），其擬合線性函數(shù)為

圖10 材料的硬化指數(shù)與等效應(yīng)變之間的關(guān)系

硬化指數(shù)隨等效應(yīng)變?cè)龃蠖陆档暮瘮?shù)關(guān)系，一方面說(shuō)明X60管線鋼在經(jīng)歷了不同程度的彎曲變形之后，其后續(xù)塑性變形的能力有所下降，另一方面也說(shuō)明通過(guò)彎曲變形成形的管線鋼管其結(jié)構(gòu)安全性有所減弱，這與文獻(xiàn)［11］的結(jié)論相一致。因此，在采用UOE成形方法制造管線鋼管時(shí)，為保證鋼管的結(jié)構(gòu)安全性能，應(yīng)當(dāng)對(duì)材料硬化指數(shù)的變化給予關(guān)注。

4 結(jié)論

（1）在UOE成形過(guò)程中，板料的主要變形形式為彎曲變形，但在不同成形工序形成的變形區(qū)，其變形特征和變形程度有所區(qū)別。據(jù)此可以將板料沿鋼管橫斷面圓周分為3類5個(gè)特征變形區(qū)域，即預(yù)彎邊變形區(qū)、U形彎曲圓弧區(qū)和U形彎曲直壁區(qū)。

（2）采用UOE成形過(guò)程有限元連續(xù)仿真模型計(jì)算特征變形區(qū)的變形程度，通過(guò)彎曲試驗(yàn)制備等變形程度的彎曲試件，按照API標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于管體試樣壓平試驗(yàn)方法測(cè)試其力學(xué)性能，然后系統(tǒng)地建立毛坯板力學(xué)性能和屈服強(qiáng)度的反向計(jì)算模型。該方法可以用于指導(dǎo)UOE成形工藝設(shè)計(jì)。

（3）X60管線鋼在塑性變形程度較低時(shí)的軟化現(xiàn)象比較明顯。在等效應(yīng)變小于0.0198時(shí)，材料的屈服強(qiáng)度隨變形的增大而減??；在等效應(yīng)變大于0.0198后，材料的屈服強(qiáng)度隨變形的增大而增大，但在等效應(yīng)變小于0.04之前，材料的屈服強(qiáng)度均低于毛坯板的屈服強(qiáng)度。因此，僅從屈服強(qiáng)度考慮，在小變形情況下，毛坯板的鋼級(jí)應(yīng)比其制品的鋼級(jí)高，才能滿足制品的力學(xué)性能要求，只有在管體等效應(yīng)變大于0.04的情況下，毛坯板的鋼級(jí)才可以與制品要求的鋼級(jí)相同。

（4）X60管線鋼的屈強(qiáng)比隨著變形的增大而呈現(xiàn)出先下降（減小）后上升（增大）的趨勢(shì)，它與等效應(yīng)變之間的函數(shù)關(guān)系可以近似擬合為一條下凸的二次曲線。研究結(jié)果表明，在等效應(yīng)變?yōu)?.0586時(shí)，材料的屈強(qiáng)比達(dá)到0.90。所以在UOE成形過(guò)程中，如果板料的等效應(yīng)變大于0.0586，就必須對(duì)其屈強(qiáng)比的變化引起足夠重視。

（5）X60管線鋼的硬化指數(shù)隨著等效應(yīng)變的增大而呈線性下降趨勢(shì)。與毛坯板相比，鋼管承受塑性變形的能力有所下降，其結(jié)構(gòu)安全性被削弱，因此，在大變形情況下應(yīng)當(dāng)對(duì)硬化指數(shù)的變化予以適度關(guān)注。

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Reversal Estimation Model of Mechanical Properties for X60Pipeline Steel Plate during U－forming O－forming（mechanical）Expanding Processes

Guo Baofeng Zhao Shiyan Wang Linfeng Jin Miao
Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei，066004

Taking X60pipeline steel for example，bending deformation features for different specifications during UOE processes were analyzed using FEM，to achieve reversal calculation method of mechanical properties of steel plate determined by pipe，for mechanical property changes of longitudinally submerged arc welding（LSAW）large diameter linepipe in the process of UOE forming and specimens flattening.Bending specimens with the same equivalent strain were made through four point bending.Mechanical property change law of X60pipeline steel plate after bending and flattening was investigated according to API standards regarding flattening test methods of mechanical properties for pipe body specimens，and reversal estimation model of yield strength for X60pipeline steel plate in the equivalent strain range of 0.0104～0.0586was presented.

reversal estimation model；four point bending；yield strength；yield－tensile ratio

TG306

1004—132X（2011）23—2873—06

2011—01—06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50945031）；河北省自然科學(xué)基金資助重點(diǎn)項(xiàng)目（E2009000414）；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目（20070216008）

（編輯 何成根）

郭寶峰，男，1958年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)樗苄猿尚渭夹g(shù)與工藝優(yōu)化、鍛壓設(shè)備設(shè)計(jì)方法與結(jié)構(gòu)優(yōu)化、管線鋼管成形工藝。趙石巖，男，1978年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院講師、博士。王林鋒，男，1987年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。金 淼，男，1968年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。