HFW焊管殘余應(yīng)力分析

胡美娟，邵春明，李 鶴，封 輝，池 強(qiáng)

（1.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安710077；2.中石油管道聯(lián)合有限公司西部分公司，烏魯木齊830013）

HFW焊管殘余應(yīng)力分析

胡美娟1，邵春明2，李 鶴1，封 輝1，池 強(qiáng)1

（1.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安710077；2.中石油管道聯(lián)合有限公司西部分公司，烏魯木齊830013）

采用小孔檢測法研究了規(guī)格Φ406.4mm×12.5mm、鋼級L415MB的HFW焊管殘余應(yīng)力的分布情況。試驗(yàn)結(jié)果表明，HFW焊管整體殘余應(yīng)力值較小，并且軸向殘余應(yīng)力大于環(huán)向殘余應(yīng)力，軸向和環(huán)向最大值分別約為母材屈服強(qiáng)度的38%和29%；HFW電阻焊焊縫及其附近區(qū)域的殘余應(yīng)力值低于管體區(qū)域，軸向和環(huán)向殘余應(yīng)力的變化范圍分別約為母材屈服強(qiáng)度的24.5%～33.6%和16.4%～21.5%；HFW電阻焊管軸向和環(huán)向殘余應(yīng)力的差異呈周期性變化，距離焊縫15°附近時(shí)差異最小。試驗(yàn)結(jié)果對于HFW電阻焊管在長輸管線的應(yīng)用提供理論支持。

L415MB；電阻焊管；小孔檢測法；殘余應(yīng)力

自從1921年美國金屬鑄造公司Gustave Victor Johnston發(fā)明的第1388434號專利實(shí)施以來，電阻焊接得到了迅速發(fā)展。HFW焊管是非填充金屬電阻焊鋼管，具有壁厚均勻、易于防腐涂敷、尺寸精度高以及無內(nèi)焊瘤等優(yōu)點(diǎn)。隨著焊管質(zhì)量的不斷提高，近年來許多發(fā)達(dá)國家已大量使用HFW直縫電阻焊管代替無縫鋼管，用于石油套管、管線輸送管、油管和化工管道等[1-2]。我國西氣東輸一線、二線等重點(diǎn)工程將HFW焊管廣泛應(yīng)用于站場內(nèi)運(yùn)輸管線。

殘余應(yīng)力嚴(yán)重影響鋼管的制造成型和接頭性能。準(zhǔn)確獲得殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，進(jìn)而對殘余應(yīng)力進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，對提高焊管結(jié)構(gòu)的承載能力及延長其使用壽命有著十分重要的意義。目前對于HFW焊管的研究主要集中在生產(chǎn)制造過程的自動(dòng)檢測和控制，以及HFW焊縫易出現(xiàn)的碳偏析、夾渣、灰斑和制管質(zhì)量不穩(wěn)定等現(xiàn)象[3-6]。但卻較少分析研究HFW焊管在工作運(yùn)行時(shí)的殘余應(yīng)力分布情況[7-8]。筆者采用小孔檢測方法對西氣東輸二線站場/閥室中常用的L415MB鋼級Φ406.4mm×12.5mm HFW焊管殘余應(yīng)力的分布進(jìn)行了分析，研究結(jié)果為HFW焊管在石油、天然氣長輸管線的應(yīng)用提供理論支持。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

目前，西氣東輸一線、二線站場/閥室常用的HFW焊管規(guī)格分別為Φ406.4mm×12.5mm和Φ457mm×14.2mm，鋼級L415MB。本研究試驗(yàn)材料取自寶鋼生產(chǎn)的L415MB鋼級Φ406.4mm×12.5mm HFW焊管。其化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。

表1 L415MB焊管化學(xué)成分 %

表2 L415MB焊管力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)方法

采用小孔檢測法對HFW焊管的殘余應(yīng)力進(jìn)行測量。小孔法是常用的測定殘余應(yīng)力的一種半破壞性方法，是在測試殘余應(yīng)力的部位用鉆孔工具加工一個(gè)小孔，小孔加工后，該處的金屬連同其中的殘余應(yīng)力即被釋放，原有殘余應(yīng)力也失去平衡，這時(shí)小孔周圍將產(chǎn)生一定量的釋放應(yīng)變，其大小與被釋放的應(yīng)力是相應(yīng)的。測量小孔附近由于小孔加工而引起的應(yīng)變釋放量，通過彈性力學(xué)計(jì)算即可換算出小孔處原有的殘余應(yīng)力值。

本研究殘余應(yīng)力測試采用BE120－2CA－K型應(yīng)變花和CM－1L－32型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀完成，盲孔鉆削在鉆床上進(jìn)行。從應(yīng)力測試標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)，各測點(diǎn)之間距離應(yīng)達(dá)到小孔直徑的6倍以上，即12mm以上。測試過程中，結(jié)合管道的具體尺寸，對孔位置進(jìn)行了較合理的安排，保證測點(diǎn)與邊界距離保持15mm以上，各測點(diǎn)之間保持12mm以上距離。分別從12 m長HFW焊管上截取0.5 m寬管段兩個(gè)，分別為1#和2#管段，將這兩個(gè)管段的中心位置沿著焊縫、垂直焊縫兩個(gè)方向進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測，具體測量位置如圖1所示。

圖1 HFW焊管管段測點(diǎn)位置

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

HFW焊管焊縫殘余應(yīng)力分布如圖2所示。由圖2可以看出，HFW焊管焊縫軸向殘余應(yīng)力整體高于環(huán)向殘余應(yīng)力，但是兩者的幅值都較小，其中最大軸向、環(huán)向殘余應(yīng)力峰值位于2#管段，分別為178 MPa和114MPa，遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度，分別為焊管母材屈服強(qiáng)度的34%和22%。

圖2 HFW焊管焊縫殘余應(yīng)力分布圖

圖3為1#管段距離焊縫不同距離的殘余應(yīng)力分布情況。由圖3可看出，其不同于傳統(tǒng)的焊縫區(qū)域殘余應(yīng)力值較高的情況，HFW焊管焊縫不存在明顯的應(yīng)力集中區(qū)域，焊縫區(qū)域0～10mm內(nèi)焊接應(yīng)力值較低，在1#管段距離焊縫45mm處的殘余應(yīng)力值較高，軸向和環(huán)向殘余應(yīng)力分別為191 MPa和183 MPa，分別為焊管母材屈服強(qiáng)度的36%和35%。并且環(huán)向殘余應(yīng)力值整體仍然小于軸向殘余應(yīng)力，但是隨著距焊縫距離的增加，兩者的差異呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。

圖3 1#管段距焊縫不同距離殘余應(yīng)力分布圖

圖4為2#管段距焊縫不同距離殘余應(yīng)力分布情況。由圖4可以看出，2#管段在距焊縫不同距離處的殘余應(yīng)力分布較1#管段更均勻。整體趨勢仍然為軸向殘余應(yīng)力值高于環(huán)向殘余應(yīng)力。兩者的差異在距離焊縫45～55mm較小，但是隨著距離的繼續(xù)增加，兩者差異明顯增大。軸向殘余應(yīng)力最大值位于2#管段距離焊縫100mm處，殘余應(yīng)力值為203 MPa和136 MPa，約為母材屈服強(qiáng)度的38%。環(huán)向殘余應(yīng)力最大值位于距離焊縫45mm處，殘余應(yīng)力值152 MPa，約為母材屈服強(qiáng)度的29%。

另外，分別對比分析了2#管段焊縫和距離焊縫100mm區(qū)域殘余應(yīng)力的大小。無論是軸向還是環(huán)向殘余應(yīng)力，距離焊縫100mm區(qū)域的殘余應(yīng)力都稍大于焊縫上的殘余應(yīng)力值，最大軸向殘余應(yīng)力差值為47 MPa，最大環(huán)向應(yīng)力差值為45 MPa。

圖4 2#管段距焊縫不同距離殘余應(yīng)力分布圖

2.2 結(jié)果分析

HFW焊管殘余應(yīng)力的分布與其焊接、成型加工工藝密切相關(guān)。HFW電阻焊接是帶鋼在經(jīng)過滾壓成型后，形成一個(gè)截面斷開的圓形管坯，利用高頻電流的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)使感應(yīng)電流高度集中在管坯的開口角邊緣上，從而使溫度迅速上升到焊接溫度，在擠壓輥擠壓下完成。焊接后的定徑和水壓試驗(yàn)都是導(dǎo)致軸向殘余應(yīng)力值大于環(huán)向殘余應(yīng)力值的重要工序[9-10]。高頻焊接后，通過在線熱處理改善焊縫和熱影響區(qū)的組織和性能，導(dǎo)致焊縫及其附近區(qū)域的殘余應(yīng)力值低于管體區(qū)域，通過統(tǒng)計(jì)可知，焊縫軸向殘余應(yīng)力值約為母材屈服強(qiáng)度的24.5%～33.6%，環(huán)向殘余應(yīng)力值約為母材屈服強(qiáng)度的16.4%～21.5%。熱處理后的定徑矯直工藝導(dǎo)致軸向殘余應(yīng)力和環(huán)向殘余應(yīng)力之間呈差異周期性變化，隨著距離焊縫距離的增大，在距離焊縫45～55mm時(shí)差異最小，在周向的角度大約為15°左右。

3 結(jié) 論

通過小孔檢測法對L415MB鋼級Φ406.4mm×12.5mm站場常用電阻焊管的殘余應(yīng)力進(jìn)行檢測，結(jié)果如下：

（1）HFW焊管整體殘余應(yīng)力值較小，軸向殘余應(yīng)力值大于環(huán)向殘余應(yīng)力值，軸向和環(huán)向最大值約為母材屈服強(qiáng)度的38%和29%。

（2）HFW焊焊縫及其附近區(qū)域的殘余應(yīng)力值低于管體區(qū)域，軸向和環(huán)向的變化范圍約為母材屈服強(qiáng)度的24.5%～33.6%和16.4%～21.5%。

（3）HFW焊管軸向和環(huán)向殘余應(yīng)力的差異呈周期性變化，距離直焊縫15°附近時(shí)差異最小。

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Residual Stress Analysis of HFW Pipe

HU Meijuan1，SHAO Chunming2，LI He1，F(xiàn)ENG Hui1，CHI Qiang1
（1.CNPC Tubular Goods Research Institute，Xi’an 710077，China；2.PetroChina West Pipeline Company，Urumqi 830013，China）

The distribution of residual stress on L415MB HFW pipe with the dimension of Φ406.4mm×12.5mm was studied by the hole-drilling technique.The results indicated that overall residual stress value was rather small.The value of axial stress was larger than that of the circumferential stress.The highest values of axial and circumferential stress were respectively about 38%and 28%of base metal yield strength.The residual stress value in the vicinity of weld seam was smaller than the value in the pipe body.The highest axial and circumferential stress values changed in the range of 24.5%～33.6%and 16.4%～21.5%.The difference of axial and circumferential residual stress changed periodically，the minimum value appeared every 15°away from the weld seam.The test results provided theoretical support for application of HFW pipe in long-distance pipeline.

L415MB；electric resistance weld pipe；hole-drilling technique；residual stress

TG404 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.04.011

胡美娟（1981—），女，河南平頂山人，工程師，主要研究方向?yàn)楣芫€鋼的焊接。

2015－12－21

李紅麗