切环法和盲孔法测试大口径厚壁X80钢级埋弧焊管的残余应力

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(中国石油集团石油管工程技术研究院，西安 710077)

0 引 言

2000年以来，随着我国油气管道建设的迅猛发展，高压大口径长距离输送成为我国管道输送的发展趋势，这使得高钢级大口径焊管的需求量不断增长。目前，高钢级大口径焊管主要有螺旋缝埋弧焊管(SAWH焊管)和直缝埋弧焊管(SAWL焊管)等2种。SAWH焊管成型过程是板料弯曲的过程，经历了预弯、辊弯、定径等3个阶段；该成型过程是一个连续的动态过程，在该过程中钢带与焊管的轴向有一定角度，使得焊管内部存在轴向应力和周向应力。SAWL焊管按成型方式可分为UOE和JCOE等2种焊管：UOE焊管成型时钢板依次经历U成型、O成型，以及焊接后的冷扩径(Expanding，E)等工序；JCOE焊管采用一种渐进式多步模压成型技术，即依次经历J成型、C成型、O成型，该过程由数控系统实现，保证沿长度方向的各部位变形均匀，成型后同样有冷扩径工序(E)，焊管受膨胀头的作用发生塑性变形。焊管中的残余应力是在制管和焊接过程中形成的。

残余应力会对焊管的承载能力、疲劳强度和腐蚀行为产生影响，从而影响管道的运行安全。目前，残余应力的测试方法较多，有切环法[1-2]、切块法[3]、盲孔法[4-6]、磁性法[4]、中子衍射法[7]、X射线法[8]、数值模拟[9]、解析分析[10-11]等。其中，适用于焊管的残余应力测试方法主要有切环法和盲孔法。切环法是焊管生产中常用的残余应力测试方法，其优点是操作简便、直观、便于比较、便于在生产现场进行质量控制，缺点是测试结果为变形量(位移量)，需进行换算，且其为破坏性试验，会造成一定的材料损耗。盲孔法在工程和试验研究中应用较广，其优点是理论基础扎实、操作较为简单、测量数据可靠、重复性好，缺点是其测量结果仅反映表层几个毫米深度范围的残余应力。

目前，国内强度级别最高、口径最大、运行压力最高的“西气东输”二线工程使用的钢管为规格φ1 219 mm的X80钢级SAWL焊管和最大壁厚18.4 mm的X80钢级SAWH焊管。该管线一干八支，总长度超过9 000 km，设计输气能力为每年300亿m3，总投资1 422亿元，是目前世界上最大的管道工程项目。增加钢管壁厚是进一步增大管线输送压力、提高输送效率的行之有效的一种方法，为此有关管厂进行了规格φ1 219 mm×22.0 mm的X80钢级SAWH焊管的试制工作。

为了进一步掌握壁厚达22.0 mm的X80钢级埋弧焊管的残余应力水平及分布规律，进而采取措施对其进行性能调控，作者采用盲孔法和切环法对规格φ1 219 mm×22.0 mm的X80钢级SAWH焊管和SAWL焊管(包括UOE焊管和JCOE焊管)的残余应力进行了测试和对比，并对SAWH焊管残余应力的测试结果及产生原因进行了初步探讨，对其残余应力的控制提出了建议，以期为该焊管的批量生产提供借鉴。

1 试样制备与试验方法

试验材料为X80钢级焊管，包括SAWH焊管、UOE焊管和JCOE焊管等3种管型，规格均为φ1 219 mm×22.0 mm。

按照ASTM E837-13a，采用MTS3000-Restan应力检测仪，应用盲孔法进行残余应力测试。测试管段采用火焰切割的方法从焊管上截取，长度为2.5～3.0 m。分别在该管段焊管内外表面，沿周向均匀取8个点(见图1)进行测试，测试点1距离焊缝的弧长约为200 mm。钻孔直径为1.2 mm，孔深为2.0 mm。

图1 盲孔法测残余应力测试点的分布Fig.1 Testing point distribution for residual stress bycentre-hole drillong method

切环法测试残余应力的基本原理是当沿焊管轴向将其切开后，切口两边会因残余应力的释放而发生位移(如图2所示)，根据此位移可以得到相应的应变，进而推算出残余应力[1]。残余应力的计算公式为

(1)

图3 盲孔法测得不同焊管内外表面的周向和轴向残余应力沿管体(测试点位置见图1)的分布Fig.3 Distribution along pipe body for circumference (a, c) and axis (b, d) residual stresses on outer (a, b) and internal (c, d) surfaces ofdifferent welded pipes by centre-hole drilling method (test poit positions shown in Fig.1)

采用火焰切割法沿轴向截取宽度分别为100，200，300，400 mm的管段，在距焊缝100 mm处将管段切开，采用钢板尺分别测量各管段的周向张开量、轴向错位和径向错位，代入式(1)计算得到残余应力。

2 试验结果与讨论

2.1 切环法测得的残余应力

由表1可知：切环试验后，SAWH焊管的周向张开量为正值，即表现为张开型，轴向和径向亦发生了一定的变形，残余应力较大。UOE焊管和JCOE焊管仅在周向发生变形，均为张开型，无轴向及径向变形；UOE焊管的周向张开量最小，残余应力水平总体最低，JCOE焊管的周向张开量比UOE焊管的大，残余应力水平相对较高。JCOE焊管的周向张开量与SAWH焊管的相差较小，但残余应力相差很大，可见轴向错位和径向错位对残余应力的计算结果影响较大。管段宽度对测试结果影响较小。

表1 不同焊管的残余应力测试结果(切环法)Table 1 Testing results for residual stress of differentwelded pipes (cut-ring method)

2.2 盲孔法测得的残余应力及其分布

由图3和表2可以看出：SAWH焊管外表面不同测试点处的周向和轴向残余应力均为拉应力，大部分测试点处的残余应力绝对值均高于UOE焊管和JCOE焊管的，其平均值远大于UOE焊管和JCOE焊管的；UOE焊管和JCOE焊管外表面绝大部分测试点处的周向和轴向残余应力为拉应力，JCOE焊管外表面的周向残余应力平均值高于UOE焊管的，其轴向残余应力平均值与UOE焊管的相当；SAWH焊管内表面的周向和轴向残余应力均为压应力，平均残余应力的绝对值高于UOE焊管和JCOE焊管的；JCOE焊管内表面不同测试点处的周向残余应力基本上为压应力，UOE焊管内表面周向残余应力沿管体周向呈现出拉、压变化的趋势，平均周向残余应力均为压应力，且JCOE焊管的平均周向残余压应力高于UOE焊管的；JCOE焊管内表面不同测试点处的轴向残余应力沿管体周向呈拉、压变化的趋势，平均轴向残余应力为压应力，UOE焊管内表面轴向残余应力基本上为拉应力，平均轴向残余应力仍为拉应力。

表2不同焊管内外表面残余应力平均值(盲孔法)

Table2Averageresidualstressesonouterandinternalsurfacesofdifferentweldedpipes(centre-holedrillingmethod)

MPa

总体而言，盲孔法测得的SAWH焊管的残余应力水平高于UOE焊管和JCOE焊管的，且JCOE焊管的高于UOE焊管的，与切环法得到的结论相符。

2.3 SAWH焊管残余应力形成原因及控制建议

在SAWH焊管成型时，成型辊压下量不足，板材变形不充分，应变量偏低，导致成型后的半径大于所要求的半径，因此其内表面受拉、外表面受压。在采用工艺措施使半径较大的圆弧变为半径较小的圆弧时，焊管外表面承受的应力变为拉应力，内表面的变为压应力，且压应力较低，在厚度方向上总体呈拉伸状态；此外，成型时不同部位板材受力不均匀。以上因素造成了较高的周向应力及不均匀的径向应力，因此切环试验后管段的周向张开量和径向错位较大。盲孔法的测试结果亦说明了这一点。

对于高压大口径油气输送管道，一般要求焊管的残余应力应小于1/6σt0.5(σt0.5为管材屈服强度)，即93 MPa；“西气东输”二线工程对规格φ1 219 mm×18.4 mm的SAWH焊管残余应力的测试要求为“切口张开间距不应大于90 mm，同时应测量轴向及径向的错开量，供参考”，其对应的残余应力为83.9 MPa。因此，建议将用于高压大口径输送管道的规格φ1 219 mm×22.0 mm的X80钢级SAWH焊管残余应力的测试要求设定为“切口张开间距不应大于80 mm，同时应测量轴向及径向的错开量，供参考”，其对应的残余应力为85.6 MPa。由表1可知，SAWH焊管残余应力的平均值为148.7 MPa。因此，需要对该规格的X80钢级SAWH焊管的残余应力进行进一步控制。在规格φ1 219 mm×22.0 mm的X80钢级SAWH焊管的生产过程中，应适当增加压下量，同时在成型辊布置和调整时应尽量使板材的不同部位受力均匀。

3 结 论

(1) 切环试验后，规格φ1 219 mm×22.0 mm的X80钢级SAWH焊管的周向张开量、轴向及径向错位均较大，残余应力较高，平均残余应力为148.7 MPa；相同钢级和规格的UOE焊管和JCOE焊管的周向张开量较小，无轴向及径向错位，残余应力较小，平均残余应力分别为37.0，69.3 MPa。

(2) 采用盲孔法，测得SAWH焊管外表面周向和轴向的平均残余应力分别为132.1，160.9 MPa，内表面的分别为-218.0，-185.5 MPa，整体残余应力水平较UOE焊管和JCOE焊管的高。

(3) 建议将规格φ1 219 mm×22.0 mm的X80钢级SAWH焊管残余应力的控制指标定为“切口张开间距不应大于80 mm”。