不同廠家X80大口徑厚壁SAWH焊管的殘余應(yīng)力試驗(yàn)分析*

熊慶人，陳宏達(dá)，衛(wèi)遵義，薛凱，黃巖崗

(1.石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077； 2.中國石油長(zhǎng)慶油田分公司物資供應(yīng)處(物資管理部)陜西 西安 710078；3.延安嘉盛石油機(jī)械有限責(zé)任公司 陜西 延安 716004)

0 引 言

目前，國內(nèi)外油氣長(zhǎng)輸管道用焊管的主要管型有直縫埋弧焊(SAWL)管和螺旋縫埋弧焊(SAWH)管。SAWL焊管按其成型方式主要有UOE焊管、JCOE焊管、RBE焊管等三種，其中以前兩種最為常見，國外長(zhǎng)輸管線主要采用的管型是UOE焊管。UOE焊管(JCOE焊管)生產(chǎn)時(shí)所經(jīng)歷的U成型(J成型)、O成型、焊接及擴(kuò)徑等工序是分別獨(dú)立完成的。成型和焊接分開進(jìn)行，使得施焊條件較好，焊接質(zhì)量易于保證。冷擴(kuò)徑工序可提高焊管的尺寸精度，同時(shí)還可降低其殘余應(yīng)力。

SAWH焊管用于長(zhǎng)輸管線已有很長(zhǎng)的歷史，是我國長(zhǎng)輸管線的主要管型之一。SAWH焊管在生產(chǎn)工藝方面有較多的優(yōu)越性，但由于其采用鋼帶螺旋式成型，且焊后無整體冷擴(kuò)徑工序，與直縫焊管相比，螺旋焊管的主要缺點(diǎn)是焊縫較長(zhǎng)，出現(xiàn)缺陷的幾率高；尺寸精度較差，殘余應(yīng)力較大。其殘余應(yīng)力較大曾一度成為制約螺旋縫埋弧焊管在高壓大口徑輸氣管線中應(yīng)用的主要因素。這一問題引起了國內(nèi)很多院所、生產(chǎn)廠家、管道公司等的重視。自上世紀(jì)九十年代開始，就有學(xué)者對(duì)其進(jìn)行研究，并提出了相應(yīng)的改善和控制措施[1-6]，包括對(duì)其殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試，分析其產(chǎn)生原因及影響因素，并提出相應(yīng)的改善和控制措施等。

殘余應(yīng)力的測(cè)試分析方法較多，有X射線法[1]、切環(huán)法[2,4]、切塊法[3]、解析分析[5-6]、磁性法[7]、盲孔法[7-9]、中子衍射法[10]、數(shù)值模擬[11]等。經(jīng)對(duì)其原理和特點(diǎn)的對(duì)比分析，并通過對(duì)實(shí)際鋼管的測(cè)試，適用于高鋼級(jí)大口徑焊管殘余應(yīng)力測(cè)試的方法主要有切環(huán)試驗(yàn)法、盲孔法等[12]。切環(huán)試驗(yàn)法是在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試焊管殘余應(yīng)力的常用方法，具有現(xiàn)場(chǎng)可操作性強(qiáng)、測(cè)試結(jié)果直觀，可迅速進(jìn)行反饋等特點(diǎn)；但切環(huán)法為破壞性試驗(yàn)，會(huì)給生產(chǎn)廠造成一定的材耗。盲孔法的操作較為簡(jiǎn)單，測(cè)試精度較高、重現(xiàn)性較好、破壞性較?。黄淙秉c(diǎn)是需要在被測(cè)構(gòu)件表面鉆孔，而且所能測(cè)得的應(yīng)變的深度受到鉆孔深度的限制。盲孔法理論基礎(chǔ)扎實(shí)，在工程和研究中應(yīng)用較廣，可滿足對(duì)焊管殘余應(yīng)力的研究需要。

為了進(jìn)一步增大管道輸送壓力、提高輸送效率，一種可行的方法是增加鋼管的壁厚，為此國內(nèi)管廠進(jìn)行了X80大口徑厚壁螺旋焊管，即X80鋼級(jí)、Ф1 219 mm×22.0 mm螺旋焊管的試制。針對(duì)不同廠家試制的該規(guī)格厚壁X80焊管，采用切環(huán)法和盲孔法對(duì)其殘余應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)試，對(duì)不同廠家所試制的X80Ф1 219 mm×22.0 mm螺旋焊管殘余應(yīng)力的分布規(guī)律進(jìn)行了分析，了解其殘余應(yīng)力分布的特點(diǎn)及所處水平，初步探討其產(chǎn)生原因，進(jìn)而提出對(duì)其殘余應(yīng)力進(jìn)行調(diào)控的措施和建議，以期對(duì)今后大口徑厚壁SAWH焊管的生產(chǎn)有所借鑒和參考。

1 樣品情況與試驗(yàn)方法

1.1 樣品情況

試驗(yàn)材料為H廠家和B廠家試制的不同狀態(tài)的X80鋼級(jí)SAWH焊管，規(guī)格為1 219 mm×22.0 mm。樣管編號(hào)分別為：H廠家的H-1、H-2及B廠家的B-1、B-2，其中H-1、B-1為水壓試驗(yàn)后樣管，H-2、B-2為水壓試驗(yàn)及防腐后樣管。

1.2 切環(huán)試驗(yàn)法

切環(huán)法是采用火焰切割在不同焊管上分別截取長(zhǎng)度為100、200、300、400 mm的管段，在距焊縫100 mm處，沿軸向進(jìn)行切割，采用鋼板尺分別測(cè)量各管段的周向張開量、軸向錯(cuò)位、徑向錯(cuò)位，然后根據(jù)變形情況按一定的公式計(jì)算殘余應(yīng)力。

切環(huán)法的原理是將一定長(zhǎng)度的焊管管段沿焊管軸向切開，由于殘余應(yīng)力的釋放切口兩邊會(huì)發(fā)生一定的位移，如圖1所示。測(cè)量其周向、軸向、徑向的位移，根據(jù)此位移(應(yīng)變)，按照式(1)即可計(jì)算出相應(yīng)的殘余應(yīng)力：

(1)

圖1 切環(huán)試驗(yàn)中管段沿軸向切開后的變形示意圖

1.3 盲孔試驗(yàn)法

用MTS3000-Restan應(yīng)力檢測(cè)儀，按照ASTM E837-13a采用盲孔法對(duì)試驗(yàn)管段樣品進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試。試驗(yàn)管段長(zhǎng)度約為2.5～3 m，測(cè)點(diǎn)分布在管段管體內(nèi)外表面，內(nèi)外表面各選取8個(gè)，且內(nèi)外表面測(cè)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，測(cè)點(diǎn)沿周向等間距分布。鉆孔直徑為1.2 mm，孔深為2.0 mm。測(cè)點(diǎn)編號(hào)為1～8，測(cè)點(diǎn)1距焊縫的距離約為200 mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 切環(huán)法測(cè)試結(jié)果

不同廠家SAWH焊管的切環(huán)試驗(yàn)結(jié)果見表1。

由表1可知：不同廠家的SAWH焊管切環(huán)試驗(yàn)后管段的變形情況不同。H公司試制的X80Ф1 219 mm×22.0 mm

表1 不同廠家螺旋焊管的切環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

螺旋焊管的周向張開量為負(fù)值，即表現(xiàn)為內(nèi)插型，且沿軸向、徑向亦有一定的變形。B公司試制的X80Ф1 219 mm×22.0 mm螺旋焊管管段沿周向發(fā)生了一定的張開變形，即表現(xiàn)為張開型，且周向張開量較大，軸向和徑向的錯(cuò)位亦相對(duì)較大。表2中的殘余應(yīng)力計(jì)算結(jié)果亦表明B公司試制的X80厚壁螺旋焊管的殘余應(yīng)力水平較高。同時(shí)，還可以看出軸向錯(cuò)位及徑向錯(cuò)位對(duì)管段殘余應(yīng)力計(jì)算結(jié)果有較大的影響，管段寬度對(duì)測(cè)試結(jié)果影響較小。

表2 不同廠家SAWH焊管管體內(nèi)外表面殘余應(yīng)力平均值 MPa

2.2 盲孔法測(cè)得殘余應(yīng)力及分布

不同廠家SAWH焊管的盲孔法測(cè)試結(jié)果見表2及圖2?？梢钥闯觯篐公司試制的兩根X80Ф1 219 mm×22.0 mm螺旋焊管外表面各測(cè)點(diǎn)的周向、軸向應(yīng)力均為壓應(yīng)力，內(nèi)表面各測(cè)點(diǎn)的周向、軸向殘余應(yīng)力基本上表現(xiàn)為拉應(yīng)力;B公司試制的兩根X80螺旋焊管外表面各測(cè)點(diǎn)周向及軸向殘余應(yīng)力基本上為拉應(yīng)力，內(nèi)表面各測(cè)點(diǎn)的周向、軸向殘余應(yīng)力基本上表現(xiàn)為壓應(yīng)力，可見，B公司試制的X80螺旋焊管內(nèi)外表面的殘余應(yīng)力分布情況與H公司截然不同。整體上，盲孔法測(cè)得的B-1、B-2 X80Ф1 219 mm×22.0 mm SAWH焊管的殘余應(yīng)力水平高于H-1、H-2 同規(guī)格X80 SAWH焊管。

圖2 不同廠家SAWH焊管的殘余應(yīng)力沿管體圓周方向的分布

2.3 SAWH管殘余應(yīng)力形成原因分析及控制指標(biāo)

2.3.1 SAWH管殘余應(yīng)力形成原因分析

由表2可見，B-1、B-2 SAWH焊管各管段切環(huán)試驗(yàn)時(shí)均沿周向發(fā)生了張開，即測(cè)試結(jié)果為正值，且數(shù)值較大，同時(shí)其軸向和徑向的變形量也較大。這說明這兩根SAWH焊管在成型時(shí)成型輥壓下量過小，造成板材在成型器中變形量過小，使得成型后的管坯原始直徑大于最終要求的管徑，內(nèi)表面受拉，外表面受壓。為保證焊管外徑滿足規(guī)范要求，采用輔助成型輥將管坯從外向內(nèi)壓下，使其半徑變小。此時(shí)外表面為較高拉應(yīng)力，內(nèi)表面為低值壓應(yīng)力。切環(huán)試驗(yàn)后外表面收縮量大于內(nèi)表面收縮量，從而導(dǎo)致管段回彈至較大的半徑，即管段產(chǎn)生了周向張開，發(fā)生了張開變形。同時(shí)，成型時(shí)不同部位板材受力不均勻，造成了不均勻的徑向應(yīng)力，導(dǎo)致切環(huán)試驗(yàn)后管段的徑向錯(cuò)位較大。

H-1、H-2 SAWH焊管各管段切環(huán)試驗(yàn)時(shí)均表現(xiàn)為內(nèi)插型，即測(cè)試結(jié)果為負(fù)值，同時(shí)還發(fā)生了一定的軸向、徑向錯(cuò)開。這說明這兩根SAWH焊管在成型時(shí)成型輥壓下量較大，造成板材在成型器中變形過量，使得成型后的管坯原始直徑小于最終要求的管徑，內(nèi)表面受壓，外表面受拉。為保證焊管外徑滿足規(guī)范要求，采用輔助成型輥將管坯從內(nèi)向外撐開，使其半徑變大。此時(shí)內(nèi)表面為較高拉應(yīng)力，外表面為低值拉應(yīng)力或壓應(yīng)力。切環(huán)試驗(yàn)后內(nèi)表面收縮量大于外表面收縮量，從而導(dǎo)致管段回彈至較小的半徑，即發(fā)生了內(nèi)插變形。盲孔法的測(cè)試結(jié)果亦說明了以上兩點(diǎn)。

造成上述不同試驗(yàn)結(jié)果的原因是不同廠家在焊管生產(chǎn)過程中所選的成型參數(shù)不同。在給定板寬和成型角的情況下，影響螺旋焊管殘余應(yīng)力的關(guān)鍵成型參數(shù)為成型輥壓下量。當(dāng)成型輥壓下量合適時(shí)，焊管的殘余應(yīng)力較低。對(duì)于B-1、B-2焊管應(yīng)適當(dāng)加大壓下量，以使板材變形更加充分，從而降低焊管的殘余應(yīng)力水平。

2.3.2 SAWH管殘余應(yīng)力控制指標(biāo)

對(duì)于重要的油氣輸送管道，對(duì)焊管殘余應(yīng)力的要求一般為不大于1/6σt0.5(σt0.5為管材屈服強(qiáng)度)，即對(duì)于X80鋼管為不大于93 MPa。因此，建議將用于大口徑高壓輸送管道的X80鋼級(jí)、規(guī)格為Ф1 219 mm×22.0 mm的SAWH焊管殘余應(yīng)力的控制指標(biāo)設(shè)定為“切口兩邊周向張開量應(yīng)不大于80 mm，同時(shí)應(yīng)測(cè)量軸向、徑向的錯(cuò)開量，供參考”，此時(shí)其對(duì)應(yīng)的殘余應(yīng)力為85.6 MPa。由表2可知，B-1、B-2管段殘余應(yīng)力的平均值分別為148.7 MPa、170.6 MPa。因此，還需對(duì)其殘余應(yīng)力進(jìn)行進(jìn)一步控制，在焊管生產(chǎn)過程中，應(yīng)適當(dāng)加大成型輥的壓下量，同時(shí)對(duì)輔助成型輥進(jìn)行調(diào)整以使板材不同部位的受力盡量均勻。

3 結(jié) 論

1)B-1、B-2 X80鋼級(jí)Ф1 219 mm×22.0 mm SAWH焊管管段切環(huán)試驗(yàn)后的變形形式為張開型；同鋼級(jí)、同規(guī)格的H-1、H-2管段變形形式為內(nèi)插型。

2)B-1、B-2 X80鋼級(jí)Ф1 219 mm×22.0 mm SAWH焊管管段切環(huán)試驗(yàn)后的周向變形較大，軸向及徑向錯(cuò)位亦較大，殘余應(yīng)力水平較高；H-1、H-2 SAWH焊管的周向變形為負(fù)值，且軸向及徑向錯(cuò)位相對(duì)較小，殘余應(yīng)力水平較低。

3)采用盲孔法測(cè)得B-1、B-2 SAWH焊管的整體殘余應(yīng)力水平較H-1、H-2焊管高。

4)建議將X80鋼級(jí)、規(guī)格Ф1 219 mm×22.0 mm的螺旋縫埋弧焊管殘余應(yīng)力的控制指標(biāo)定為“切口兩邊周向張開量應(yīng)不大于80 mm”。