成型过程对焊管残余应力的影响分析

王佳,王斌,马红霞

(1.渤海装备华油钢管有限公司,河北 沧州 062658;2.华油一机(河北)钻井装备有限公司,河北 沧州 062658;3.达力普石油专用管有限公司,河北 沧州 061000)

成型过程对焊管残余应力的影响分析

王佳1,王斌2,马红霞3

(1.渤海装备华油钢管有限公司,河北 沧州 062658;2.华油一机(河北)钻井装备有限公司,河北 沧州 062658;3.达力普石油专用管有限公司,河北 沧州 061000)

现如今,输送管在工程中的应用率不断提高,并逐渐向大口径方向发展,螺旋焊管焊接的过程中应合理控制残余应力,全面提升焊接质量,提供消除残余应力的理论依据.本文首先针对渤海装备华油钢管有限公司螺旋焊管进行成型介绍,然后分析了焊管残余应力控制技术,最后探究了成型过程对焊管残余应力的影响.

成型;焊管;残余应力;影响分析

随着螺旋焊管焊接活动的不断增多,在了解残余应力分布的基础上,探究在成型过程中对残余应力的影响,不仅能够促进螺旋焊管顺利完成焊接活动,而且还能掌握残余应力分布规律,这对成型方式探究、影响效果分析具有重要的意义.

1 螺旋焊管的成型

螺旋焊管广泛应用于流体输送领域,成型方式主要有两种,第一种即辊子外控式(如图1),第二种即内控式,这两种方式相对比而言,前者应用率较高.由于成型过程相对复杂,并且成型时间相对较长,实际生产期间应保持特定角度完成传递活动,成型期间设置在固定位置的成型辊共有八组,通常称为0、1、2、3、5、6、7、8号辊,其中2号辊为内辊,其余为外辊.同时,合理设置辊型参数,通过输送带缓慢传递.螺旋钢管实际焊接的过程中,为了实现科学的焊接效果,应掌握合理的焊接顺序,并做好内外焊工作,确保焊缝质量,最终实现连续焊接效果.工程实际制造期间,应坚持同步焊接原则,即焊接工作同步于成型工作,板料应充分发挥辅助作用,确保残余应力全面分布,与此同时,针对性研究焊接工作,全面掌握成型期间应力分布效果,这对成型工艺有效应用、螺旋焊管无缺陷焊接有重要作用.

固定规格的螺旋焊管成型时参照的公式分别为:

其中,上述公式中B、a、S、Dπ分别代表板宽(mm)、螺旋角(°)、螺距(mm)、管子周长(mm).

图1 辊子外控式成型设备

2 焊管残余应力控制技术

焊接变形不同于焊接残余应力,二者间存在显著的行为特征,焊接期间应用夹紧操作的构件能够完成保持一定残余应力,如果构件应用期间的约束较少,那么焊接变形几率相对较大.反之,残余应力相对较小.从中能够看出,要想制造低变形值、低残余应力构件,则这一过程十分困难.此外,残余应力受温度影响显著,并且材料质量、焊接参数以及热源等因素均会对焊接效果产生重要影响.实际焊接期间,残余应力分布值也会因此受到影响.其中,焊接参数被影响因素主要为焊接电流、电压、速度等.一旦焊接温度差过大,那么残余应力会相应扩大.反之,热源值降低,则残余应力会随之降低.残余应力除了受焊接温度影响外,还受材料硬度影响显著,进而影响焊接变形程度,因此,实际焊接过程中,应合理控制焊接温度,避免残余应力在集中温度影响下大范围拓展,进而间接影响焊接组织,导致组织发生不良变化.

表1 不同成型方式所产生的应力状态

由于控制残余应力的过程中需要解决材料损耗这一问题,并且危险部分主要存在于裂缝端部,同时,这一部位即焊接应力集中、变形部分集中的重要位置,要想降低局部损伤的发生几率,应进行结晶退火处理.实际焊接期间,对于构件内部常见的残余应力问题,应适当选用合理的控制技术,并且还要保持规范的操作程序,合理设置焊接参数,尽最大可能消除焊接期间产生的残余应力.消除焊接残余应力的有效措施主要包括两方面,第一方面即焊前处理,第二方面即焊后处理,常用方法分别为力学形变法、蠕变形变法、温差形变法.

3 成型过程对焊管残余应力的影响

本文所选焊管为1219mmX18.5mm,经水压试验后的两种焊管形式,第一种形式即X80钢级直缝焊管,第二种形式即螺旋焊管.其中,第二种类型焊管长度为3105mm,残余应力实际测量方法为盲孔法,孔径以及孔深分别为1.4mm,所应用的测量仪器为数字景台应变仪,型号为CM-1J-31,利用该仪器完成测点位置确定以及截面测试等工作.对此分析成型过程焊管内外残余影响效果.

3.1 来源于成型方式的影响

在掌握焊管内外应力分布情况的基础上,并无焊缝问题,差异性成型方式的残余应力值如表1所示.分析表1可知,不同成型方式所产生的应力状态不相一致,并且内部应力值和外部应力值存在显著差异,应用数值模拟的方式分析焊管成型过程,即在18.5mm壁厚条件下,厚度方向应力分布趋近线性,探究分析可知,根据实际需要合理设计、顺序化调整螺旋焊管成型参数,能够大大降低残余应力.

3.2 焊管焊缝区的差异性影响

焊管X80钢级直缝焊管(JCOE)和X80钢级直缝焊管(UOE)分别为拉应力和压应力,焊缝处的拉应力值几乎为零,焊缝两侧(8~9mm处)拉应力值明显分布.其中,螺旋焊管(HSAW)拉应力值为304MPa,X80钢级直缝焊管(UOE)拉应力为105MPa,X80钢级直缝焊管(JCOE)拉应力为182MPa,常见于热影响区外表面.对比分析其他位置的应力情况可知,焊缝位置极易存在应力集中现象.

3.3 来源于压量影响

成型过程中的参数具体包括两种,第一种即下压量,第二种即成型角.适当增加下压量能够获得低应力,与此同时,还会导致板料出现形变现象,并且管坯也会相应存在,管坯直径大小不同于标准管径,受摩擦力影响,直径值会再次增大,常用标准管径法来完成,研究学者对此常用两种方法来分析,第一种方法即理论分析法,在此基础上,应用实测法予以分析.正常来讲,合理控制压量,妥善设置管径数值,并在适当位置增设中性层,同时,附加压力值于两侧,确保合应力值为零.适当增大下压量之后,圆弧直径会相对降低,通过外力将其中调整为标准直径,确保最终形成的拉应力形成内大外小的局面.适当减小下压量后,标准直径值会小于管坯直径,这时拉应力形成内小外大这一特点.合理控制压应力,当内外表面压应力分别为拉应力和低值压应力时,那么轴向残余应力为23MPa,峰值拉应力变为304MPa;当下压量过大,此时焊管所承受的拉应力分别为内表面和外表面,数值分别为172MPa和4.5MPa,焊缝处内表面轴向拉应力为412MPa;当下压量过小时,内表面周向压力为14MPa,外表面平均值为38MPa,焊缝处周向压力值最高为425MPa.从上述不同下压量数值变化可知,应合理控制下压量数值,避免下压量数值大幅度波动,进而能够促进螺旋焊管顺利焊接.

4 结语

综上所述,成型过程焊管极易发生形变,同时,还会不同程度的产生残余应力,这不仅会降低焊接质量,而且还会降低焊接速度.针对成型过程产生的残余应力方面的影响具体分析,能够为成型过程提供经验,还能大大降低残余应力的消极影响.此外,相关学者还应对成型过程具体分析,这对螺旋焊接质量提升、焊接效果优化具有重要影响.

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