焊管殘余應(yīng)力對(duì)鋼管承壓能力的影響分析

馬家鑫鄭福恩李記科

1.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司 石油管工程技術(shù)研究院 （陜西 西安 710065）

2.中海石油(中國(guó))有限公司 （天津 300451）

焊管殘余應(yīng)力對(duì)鋼管承壓能力的影響分析

馬家鑫1鄭福恩2李記科1

1.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司 石油管工程技術(shù)研究院 （陜西 西安 710065）

2.中海石油(中國(guó))有限公司 （天津 300451）

相對(duì)于殘余應(yīng)力對(duì)鋼管疲勞、斷裂和應(yīng)力腐蝕等能力的影響研究，業(yè)界關(guān)于殘余應(yīng)力對(duì)鋼管承壓能力的影響研究仍定論不清。通過(guò)對(duì)殘余應(yīng)力對(duì)焊管屈服強(qiáng)度和應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響分析，研究了焊管殘余應(yīng)力對(duì)鋼管承壓能力的影響。殘余應(yīng)力是內(nèi)部平衡的力，隨著載荷壓力的不斷增加，高應(yīng)力區(qū)則先達(dá)到屈服區(qū)而進(jìn)入塑性狀態(tài)。隨后新增加的載荷壓力由未達(dá)到屈服點(diǎn)的彈性區(qū)承擔(dān)，鋼管的塑性區(qū)不斷擴(kuò)大，直到全截面壓力達(dá)到屈服點(diǎn)。鋼管的承載力與沒(méi)有殘余應(yīng)力時(shí)的承載能力基本相同。

焊管 成型 殘余應(yīng)力 承壓能力

殘余應(yīng)力是當(dāng)物體去除外部載荷后，在物體內(nèi)部存在且保持平衡的應(yīng)力，是內(nèi)應(yīng)力的一種。在進(jìn)行各種材料加工工藝時(shí)，如鑄造、壓力加工、焊接、熱處理、機(jī)加工等都會(huì)使工件出現(xiàn)不同程度的殘余應(yīng)力[1]。油氣輸送焊管是由熱軋卷板或鋼板經(jīng)過(guò)成型、焊接和定徑等過(guò)程制成，在經(jīng)歷彈塑性變形和焊接過(guò)程后，油氣輸送焊管內(nèi)不可避免地會(huì)存在殘余應(yīng)力，其中以螺旋縫埋弧焊管最為顯著。在焊管服役過(guò)程中，殘余應(yīng)力與工作應(yīng)力相互迭加，使焊管的實(shí)際受力情況變得復(fù)雜，對(duì)焊管的承壓、疲勞、斷裂和抗應(yīng)力腐蝕等能力產(chǎn)生影響。因此，隨著市場(chǎng)對(duì)焊管要求的不斷提高，降低和控制焊管的殘余應(yīng)力是生產(chǎn)廠家提高焊管質(zhì)量的一個(gè)重要方向[2]。

相對(duì)于殘余應(yīng)力對(duì)疲勞、斷裂和抗應(yīng)力腐蝕等能力的影響研究定論仍模糊不清[3-8]。基于上述背景,通過(guò)對(duì)殘余應(yīng)力對(duì)屈服強(qiáng)度和應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響分析，研究了焊管殘余應(yīng)力對(duì)鋼管承壓能力的影響。

1 焊管成型過(guò)程中的殘余應(yīng)力及產(chǎn)生原因

殘余應(yīng)力是指當(dāng)物體沒(méi)有外界作用時(shí)，在物體內(nèi)部保持平衡的力[9]。從變形的角度看，殘余應(yīng)力的產(chǎn)生是由于金屬內(nèi)部組織發(fā)生了不均勻的體積變化，形成了不均勻的變形。從本質(zhì)上講，產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因可以歸結(jié)為不均勻的塑性變形、不均勻的溫度變化和不均勻的相變[10]。鋼板在輥道內(nèi)的變形是彈性變形和塑性變形的混合，當(dāng)外力加載時(shí)，材料發(fā)生變形，卸載后彈性變形恢復(fù)，塑性變形保留，其中塑性變形部分，限制了與其相鄰部分的變形恢復(fù)，因而出現(xiàn)了殘余應(yīng)力。鋼板在焊接時(shí)，板料上產(chǎn)生局部高溫的不均勻溫度場(chǎng)，不均勻的溫度場(chǎng)形成溫度應(yīng)力，并在焊接過(guò)程中隨時(shí)間和溫度而不斷變化，即焊接應(yīng)力，焊接應(yīng)力較高的地方將先屈服而進(jìn)入塑性變形，在冷卻后將有殘存于板料內(nèi)的殘余應(yīng)力。

焊管的制造一般要經(jīng)過(guò)拆卷、矯直、銑邊、成型、焊接等主要工序以及探傷、平頭、試壓等一系列輔助工序。成型和焊接過(guò)程施加在板料上的應(yīng)力在成型結(jié)束后難以全部釋放，因此各種類型的焊管不可避免地存在殘余應(yīng)力[5]。焊管的殘余應(yīng)力主要包括成型過(guò)程中由于鋼管壁厚方向不均勻塑性變形引起的殘余應(yīng)力以及焊接過(guò)程中的焊接殘余應(yīng)力。成型過(guò)程的殘余應(yīng)力與焊接殘余應(yīng)力迭加，使得焊管成型焊接后殘留著較大的殘余應(yīng)力，且分布不均勻。

以某鋼管廠生產(chǎn)的某規(guī)格的SSAW焊管為例，其周向殘余應(yīng)力分布如圖1所示,其中周向外側(cè)殘余應(yīng)力最大處已達(dá)到800MPa,超出了材料的抗拉強(qiáng)度。較大的殘余應(yīng)力數(shù)值會(huì)使得業(yè)主降低對(duì)于鋼管性能的評(píng)價(jià),尤其是對(duì)于焊管承壓能力的評(píng)價(jià)。因此分析殘余應(yīng)力對(duì)鋼管承壓能力的影響勢(shì)在必行。

2 殘余應(yīng)力對(duì)焊管承壓能力影響

殘余應(yīng)力分為宏觀應(yīng)力和微觀應(yīng)力，對(duì)材料強(qiáng)度起直接影響的是組織上的微觀應(yīng)力[9]。宏觀殘余應(yīng)力與微觀殘余應(yīng)力相比，其影響就稍微不同，且為間接性的。而焊管中通過(guò)常用殘余應(yīng)力測(cè)試方法（盲孔法、切環(huán)法、切塊法、X射線衍射法等）測(cè)得的殘余應(yīng)力多為宏觀殘余應(yīng)力。宏觀殘余應(yīng)力對(duì)焊管承壓能力的影響可以從其對(duì)屈服強(qiáng)度和應(yīng)力-應(yīng)變曲線影響的角度分析。

2.1 殘余應(yīng)力對(duì)屈服極限的影響

圖2為金屬材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線示意圖。如果材料具有殘余拉應(yīng)力σt，則相當(dāng)于提高了應(yīng)力-應(yīng)變曲線的坐標(biāo)原點(diǎn)，而改為了σ0-ε0坐標(biāo)。即相當(dāng)于降低了材料的拉伸屈服極限，實(shí)際的拉伸屈服極限即為：σts=σs-σt，如果材料具有殘余壓應(yīng)力，則相當(dāng)于提高了壓縮屈服極限：σ'ts=-（σs+σt），如同圖中第三象限坐標(biāo)σ'0-ε'0所描述。

從殘余應(yīng)力對(duì)屈服極限的影響上看，單個(gè)的殘余拉應(yīng)力會(huì)降低鋼管承載能力。然而，殘余應(yīng)力是內(nèi)部平衡的力，鋼管的承載能力為靜載荷，因此，殘余應(yīng)力對(duì)鋼管承壓能力的影響不能只考慮單個(gè)應(yīng)力的作用。

2.2 殘余應(yīng)力對(duì)焊管承壓能力的影響

圖3所示為外載荷（內(nèi)壓）所造成的殘余應(yīng)力的變化和變形。由圖3(a)可知，其壁厚方向殘余應(yīng)力分布為a1到b1區(qū)域?yàn)閺椥詤^(qū)，a1到a2，b1到b2區(qū)域?yàn)樗苄詤^(qū)，o到a2區(qū)域?yàn)闅堄嗬瓚?yīng)力區(qū)，o到b2區(qū)域?yàn)闅堄鄩簯?yīng)力區(qū)，殘余拉應(yīng)力和壓應(yīng)力分別在a1和b1（彈性區(qū)與塑性區(qū)交界處）達(dá)到最大。

將鋼管材料看作理想彈塑性體，鋼管承受內(nèi)壓載荷后，其應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3(b)、3(c)所示。3(b)表示斷面a的變形，3(c)表示斷面b處的變形。所有情況下，圖中的點(diǎn)0都表示載荷為零時(shí)的殘余應(yīng)力。3 (d)所示為整體上其外載荷（內(nèi)壓）與延伸率之間的關(guān)系。當(dāng)加載到1點(diǎn)狀態(tài)時(shí)，外側(cè)斷面a處達(dá)到屈服應(yīng)力，首先屈服，加載到2點(diǎn)時(shí)，外側(cè)斷面a達(dá)到塑性狀態(tài)，而內(nèi)側(cè)斷面b處仍處于彈性狀態(tài)。當(dāng)加載到3點(diǎn)時(shí)，外斷面a和內(nèi)斷面b都達(dá)到了塑性狀態(tài)。因此整個(gè)鋼管壁厚的整體變形應(yīng)如圖3(d)所示，1、2、3點(diǎn)的狀態(tài)顯示出如折線所示的變形曲線。若在這樣的狀態(tài)下去除載荷，殘余應(yīng)力就會(huì)減少乃至釋放。當(dāng)加載到3以后的狀態(tài)時(shí)整個(gè)斷面都達(dá)到了塑性狀態(tài)，此時(shí)直到材料發(fā)生破壞斷裂，其塑性變形與不具有殘余應(yīng)力的構(gòu)件是一樣的。殘余應(yīng)力對(duì)于塑性材料的影響只是在全斷面達(dá)到塑性變形之前那一段變形中才存在。

綜上所述，鋼管承受的內(nèi)壓是靜載荷，鋼管在靜載荷作用下，其截面上由內(nèi)壓產(chǎn)生的應(yīng)力與殘余應(yīng)力相互迭加，使得鋼管出現(xiàn)不均勻的應(yīng)力分布。殘余應(yīng)力是自相平衡的內(nèi)應(yīng)力，鋼管承壓后的應(yīng)力狀態(tài)不能由單個(gè)殘余應(yīng)力與工作應(yīng)力數(shù)值相加得來(lái)。工作應(yīng)力會(huì)影響殘余應(yīng)力的分布，這種迭加是動(dòng)態(tài)的，不是簡(jiǎn)單的數(shù)值相加。隨著載荷壓力的不斷增加，高應(yīng)力區(qū)則先達(dá)到屈服區(qū)而進(jìn)入塑性狀態(tài)。當(dāng)載荷壓力繼續(xù)增加時(shí)，新增加的載荷壓力由未達(dá)到屈服點(diǎn)的彈性區(qū)承擔(dān)，隨著載荷壓力的不斷增加，鋼管的塑性區(qū)不斷擴(kuò)大，直到全截面壓力達(dá)到屈服點(diǎn)。這時(shí)，鋼管的承載力與沒(méi)有殘余應(yīng)力時(shí)的承載能力基本相同。作為自相平衡的內(nèi)應(yīng)力，殘余應(yīng)力不影響鋼管的極限承受能力。

3 焊管殘余應(yīng)力的控制措施

工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)于殘余應(yīng)力的控制主要是通過(guò)采取一定的工藝措施，消除一部分殘余應(yīng)力大小，或降低對(duì)使用性能不利的殘余拉應(yīng)力，或形成有益的殘余壓應(yīng)力分布，即殘余應(yīng)力的調(diào)整[10]。主要有自然失效，回火熱處理，振動(dòng)時(shí)效（Vibration Stress Relief），施加靜載，錘擊、噴丸、滾壓等、爆炸法等。結(jié)合焊管制造工藝特點(diǎn)，焊管殘余應(yīng)力的控制主要有以下方法：自然失效消除殘余應(yīng)力；整體高溫回火；局部加熱；機(jī)械拉伸法，即鋼管的水壓試驗(yàn)，水壓試驗(yàn)?zāi)康氖菣z驗(yàn)焊管質(zhì)量，但另一方便也可以消除部分殘余應(yīng)力；焊管防腐處理時(shí)的噴砂除銹，在除銹的同時(shí)也消除了部分殘余應(yīng)力；此外，焊管制造企業(yè)采用內(nèi)控成型使得焊管成形焊接后的殘余應(yīng)力以殘余壓應(yīng)力為主，滿足了常用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于 “切環(huán)張開量”的限制要求，這種通過(guò)調(diào)整成型輥道而改變殘余應(yīng)力狀態(tài)的方法成為目前控制焊管 （尤其是螺旋縫埋弧焊管）殘余應(yīng)力的主要方法。

4 結(jié) 論

（1）殘余應(yīng)力是自相平衡的內(nèi)應(yīng)力，鋼管承壓后的工作應(yīng)力會(huì)影響殘余應(yīng)力的分布，工作應(yīng)力與殘余應(yīng)力的迭加是動(dòng)態(tài)的，不是簡(jiǎn)單的數(shù)值相加。

（2）鋼管承壓后的變形是一個(gè)相互協(xié)調(diào)的整體，高應(yīng)力區(qū)先達(dá)到屈服區(qū)而進(jìn)入塑性狀態(tài)。當(dāng)載荷壓力繼續(xù)增加時(shí)，新增加的載荷壓力由未達(dá)到屈服點(diǎn)的彈性區(qū)承擔(dān)，隨著載荷壓力的不斷增加，鋼管的塑性區(qū)不斷擴(kuò)大，直到全截面壓力達(dá)到屈服點(diǎn)。鋼管的承載力與沒(méi)有殘余應(yīng)力時(shí)的承載能力完全一樣。焊管成型焊接后的殘余應(yīng)力對(duì)鋼管承壓能力基本沒(méi)有影響。

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Compared with the research about the influence of residual stress on the fatigue,fracture and stress corrosion of steel pipes, there is still no definite conclusion in the research about the influence of residual stress on the pressure-bearing capacity of steel pipes in this field.Through the analysis on the influence of residual stress on the yield strength,the stress-strain curve of welding pipelines,the research focuses on the influence of residual stress of welding pipeline on the pressure-bearing capacity of steel pipes. Residual stress is an internal equilibrant,and with the increase of loading pressure,high stress area first steps into yield area and then into plastic status.Afterwards,new increased load is undertaken by the elastic area not reaching the yielding point,while the plastic area is expanding continuously until the whole section gets to the yielding point.Therefore,the load-bearing capacity has no difference between the steel pipes with residual stress and without residual stress.

welding pipes;formation;residual stress;pressure-bearing capacity

馬家鑫（1987-），男，助理工程師，碩士，現(xiàn)從事石油管工程技術(shù)服務(wù)與科研工作。

尉立崗

2012-01-10