海洋工程高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼管制管工藝優(yōu)化及應(yīng)用

楊 超， 王 勇， 張 耀

（海洋石油工程（青島）有限公司， 山東 青島266520）

0 前 言

海洋工程用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼管卷制成型過程中需要經(jīng)過下料、 壓頭、 卷制、 焊接等多個(gè)工序，而由下料尺寸、 壓頭精度、 卷制過程中引起的板材回彈及鋼板延展、 焊接變形等直接影響產(chǎn)品精度[1-8]。 以往現(xiàn)場(chǎng)施工主要憑經(jīng)驗(yàn)， 但是此方式受個(gè)體差異影響太大， 使板材卷制焊接后鋼管圓度難以保證， 給現(xiàn)場(chǎng)施工造成困難。

為解決這一問題， 本研究通過對(duì)板材的延展性、 焊接變形及其制管工藝各工序進(jìn)行整體分析， 擬提煉出一個(gè)可以表明制管工藝各工作環(huán)節(jié)影響下料尺寸的計(jì)算公式， 以指導(dǎo)實(shí)際工程作業(yè)。 在制管過程中， 考慮到板材本身的延展性，在卷制過程中會(huì)發(fā)生延展變形， 因此在下料劃線中， 對(duì)以上變形過程中的延展量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算， 探討各個(gè)工藝環(huán)節(jié)中影響延展變形的因素，通過理論分析及實(shí)踐統(tǒng)計(jì)回歸驗(yàn)證[9-15]。

1 壓頭工序變形分析

針對(duì)不同的壓制管徑需要選用合適的胎膜進(jìn)行預(yù)壓制， 由于板材本身的延展性， 對(duì)壓制物理模型進(jìn)行力學(xué)分析， 推導(dǎo)理論胎模尺寸。 物理模型及受力分析如圖1 所示。

圖1 胎模和鋼板相互作用及力學(xué)模型示意圖

壓頭工序中的延展變形與壓模的壓力、 下壓次數(shù)以及壓制面的徑向長度有關(guān)， 但由于預(yù)壓過程中壓力相較于彈性模量較小， 且接觸面積小，因此引起的板材在徑向的變形很小。 壓頭過程鋼板變形延展量計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 壓頭過程鋼板變形延展量計(jì)算結(jié)果

2 卷制工序變形分析

利用ABAQUS 建立三輥卷制有限元模型（如圖2 所示）， 根據(jù)所選材料及制管直徑， 選取相應(yīng)的三輥數(shù)控卷板機(jī)， 確定上輥直徑、 下輥直徑及下輥之間的距離， 預(yù)估總需要下壓量數(shù)值，根據(jù)冪指數(shù)逐漸降低進(jìn)行下壓量加載。

圖2 三輥卷制有限元模型

預(yù)定卷管上3 點(diǎn)位置如圖3 所示， 3 個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)分別為P1（x1， y1）、 P2（x2， y2）、 P3（x3， y3），由此形成的卷管的圓心坐標(biāo)為（X， Y）， 卷管半徑為

通過與目標(biāo)卷制直徑相對(duì)比， 確定鋼板下壓量； 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)， 通過數(shù)據(jù)分析， 可按照如下冪指數(shù)銳減的方式進(jìn)行多道下壓量設(shè)置，以7 次下壓量為例， 下壓量百分比與下壓次數(shù)關(guān)系曲線如圖4 所示， 則每次的下壓量為

式中： hall——鋼板總下壓量；

x——下壓次數(shù)。

模擬的卷板制管過程如圖5 所示。 板材回彈前軋輥與板材接觸區(qū)有較大的應(yīng)力集中區(qū)域， 板材回彈后應(yīng)力集中區(qū)域明顯減小， 彈性變形恢復(fù)。

圖4 下壓量百分比與下壓次數(shù)關(guān)系曲線

圖5 模擬卷板制管過程示意圖

對(duì)于線彈性材料， 加載力矩與卷制構(gòu)件曲率

半徑的關(guān)系曲線如圖6 所示。 結(jié)合胡克定律，

考慮加工硬化效應(yīng)， 板材卷制成型后回彈前的

中性層的曲率半徑ρ 以及卸載回彈半徑ρu可以表示為

式中： Yd——上輥的下壓位移；

L——下輥中心距；

R3——下輥半徑；

Iz——輥軸沿軸向慣性矩；

ρu——卸載回彈半徑；

ρ——回彈前曲率半徑；

E——材料的彈性模量；

M——加載力矩。

圖6 加載力矩與卷制構(gòu)件曲率半徑的關(guān)系曲線

卷制過程中產(chǎn)生的延展變形為

式中： σs——卷制材料的屈服極限；

D——卷制的理論外徑；

k——系數(shù)， 與卷輥的直徑、 輥間距下壓次數(shù)及下壓量有關(guān)。

通過擬合， 分析現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)回歸參數(shù)， 根據(jù)計(jì)算數(shù)值， 在各項(xiàng)參數(shù)確定的情況下， 可確定k≈1.217 4。 k 值擬合計(jì)算關(guān)系如圖7 所示。

圖7 k 值擬合計(jì)算關(guān)系圖

3 焊接工序變形分析

焊管縱縫焊接變形同樣影響制管橢圓度， 分析焊接變形規(guī)律， 借助壓頭工序直邊量以及壓頭模具尺寸， 可有效補(bǔ)償焊接變形， 達(dá)到通過反變形原理控制焊接變形的目的。 利用Hypermesh 進(jìn)行建模， 建立焊接管V 形坡口多層多道焊焊接幾何模型。 選取生產(chǎn)中常用EH36 高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼件進(jìn)行焊接試驗(yàn)， 實(shí)際尺寸和模型尺寸保持一致。 對(duì)焊件進(jìn)行網(wǎng)格劃分， 在距離焊縫和熱源比較近的區(qū)域， 將此部分區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)致劃分； 而在距離焊縫和熱源比較遠(yuǎn)的區(qū)域， 網(wǎng)格進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)劃分。 多層多道幾何模型及網(wǎng)格劃分如圖8 所示。

通過求解實(shí)時(shí)的溫度場(chǎng)分布， 以材料的熱膨脹系數(shù)建立熱－力耦合作用， 計(jì)算實(shí)時(shí)的應(yīng)力場(chǎng)和變形場(chǎng)。 分析方法為： ①建立熱－彈－塑性有限元計(jì)算的網(wǎng)格模型； ②采用雙橢球移動(dòng)熱源模型， 對(duì)選定的網(wǎng)格單元施加熱量載荷； ③求解熱傳導(dǎo)方程， 獲得實(shí)時(shí)瞬態(tài)的溫度場(chǎng)分布； ④計(jì)算求得焊接殘余應(yīng)力及焊接變形。

橫向焊接變形計(jì)算公式為

圖8 多層多道幾何模型及網(wǎng)格劃分

其中

焊接過程鋼板橫向變形量計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 焊接過程鋼板橫向變形量計(jì)算結(jié)果

通過對(duì)表2 焊接過程鋼板橫向變形量數(shù)據(jù)的擬合， 可得到簡(jiǎn)便的焊接變形量計(jì)算公式。

對(duì)于單V 形坡口的焊接變形量為

對(duì)于雙V 形坡口的焊接變形量為

4 下料尺寸確定與應(yīng)用

通過以上分析可知， 在壓頭、 卷制、 焊接工序中都會(huì)產(chǎn)生部分延展或收縮變形量。 為保證鋼板卷制精度滿足要求， 在下料時(shí)優(yōu)先考慮后續(xù)工序變形量補(bǔ)償， 結(jié)合模擬量和經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)， 以及焊接前的坡口形式和組對(duì)間隙， 可得到不同規(guī)格卷制管的實(shí)際下料尺寸計(jì)算公式， 即

單V 形坡口下料尺寸為

式中： Δx——鋼板焊接前組對(duì)間隙。

通過以上公式計(jì)算出4 種常用規(guī)格制管過程鋼板變形延展量， 計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 制管過程鋼板變形延展量計(jì)算結(jié)果

分析發(fā)現(xiàn)， 變形較大的部位主要集中于卷制和焊接變形。 對(duì)各個(gè)工況下的理論下料尺寸與實(shí)際下料尺寸進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)， 精度較為相似， 可以指導(dǎo)工程應(yīng)用。 在承攬的多個(gè)國內(nèi)外海洋石油平臺(tái)建造制管作業(yè)中推廣應(yīng)用， 經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)多組制管生產(chǎn)數(shù)據(jù)跟蹤， 不同管徑或壁厚的管材成型后橢圓度公差6 mm， 對(duì)于管徑大于650 mm 的管材周長公差在12.7 mm 以內(nèi)， 對(duì)于管徑小于或等于650 mm 的管材周長公差在10 mm 以內(nèi)， 滿足API SPEC 2B 結(jié)構(gòu)鋼管制造規(guī)范要求， 同時(shí)一次壓制成型合格率達(dá)99.5%， 有效地提高了焊接管卷制成型精度， 降低了焊接后調(diào)圓率。

5 結(jié)束語

通過對(duì)板材的力學(xué)性能、 焊接變形以及卷制延展變形進(jìn)行研究， 綜合現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析， 給出了推薦下料長度的模擬計(jì)算公式， 并將成果應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。 經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，鋼管成型精度較好， 滿足相關(guān)規(guī)范要求， 對(duì)結(jié)構(gòu)鋼管預(yù)制具有一定的工程指導(dǎo)和借鑒意義。