X80大口徑厚壁螺旋焊管殘余應力測試分析*

熊慶人，徐 婷，馬小芳

(中國石油集團石油管工程技術研究院 陜西 西安 710077)

0 引 言

高鋼級大口徑螺旋縫埋弧焊管的殘余應力是在制管過程中板材成型、焊接過程中形成的。SAWH焊管在成型過程中帶料以一定的角度送進，經成型輥壓制成型。由于成型是一個連續(xù)動態(tài)的過程，而且?guī)Я吓c焊管的周向有一定角度，所以在焊管內部存在軸向應力和周向應力。

“西氣東輸”二線工程中首次使用了X80鋼級的Φ1 219 mm螺旋縫埋弧焊管(SAWH)和直縫埋弧焊管(UOE、JCOE)，是目前國內應用的強度級別最高、口徑最大、運行壓力最高的管線，其中SAWH焊管的最大壁厚為18.4 mm。繼西氣東輸二線工程之后，國內鋼管廠又試制了X80鋼級、Φ1 219 mm×22 mm的螺旋縫埋弧焊管，這是我國首次試制該壁厚規(guī)格的X80大口徑螺旋縫埋弧焊管。

由于殘余應力對管線運行安全有重要影響，因此，掌握X80Φ1 219 mm×22 mm螺旋縫埋弧焊管的殘余應力水平及分布特點，具有非常重要的意義。目前，殘余應力的測試方法較多，如切環(huán)法[1-2]、切塊法[3]、磁性法[4]、盲孔法[5-6]、中子衍射法[7]、X射線法[8]、數(shù)值模擬[9]、解析分析[10-11]等方法。通過對不同測試方法的特點和適用性的分析以及實際測試，同時根據大口徑、高鋼級焊管的特點，本文采用盲孔法、切環(huán)法對X80Φ1 219 mm×22 mm 螺旋焊管的殘余應力進行了測試分析，對其殘余應力測試結果及產生原因進行了初步的探討，并對其殘余應力的控制指標以及成型工藝參數(shù)的制定提出了建議，以期對批量生產有所借鑒和裨益。

1 測試鋼管及測試方法

測試鋼管為SAWH鋼管，鋼級為X80，規(guī)格為Φ1 219 mm×22 mm。

盲孔法殘余應力測試采用專用殘余應力盲孔法測試儀按照參考文獻[12]進行。測試管段的長度為2.5～3 m。管體測點編號沿外表面為1～8，內外表面測點對應。測點布置如圖1所示。

圖1 管體測點分布

切環(huán)試驗的基本原理是通過沿焊管軸向將管段切開，這樣切口兩邊因殘余應力的釋放而發(fā)生位移，根據此位移可以得到相應的應變，進而按照一定程序就可以推算出殘余應力[1]。切環(huán)試驗用管段寬度分別為100 、200、300及 400 mm，切口位置為距離焊縫100 mm處。切割方法均為火焰切割。

2 測試結果

2.1 切環(huán)法試驗結果

圖2為焊管切環(huán)試驗后的變形情況。表1為切環(huán)試驗測試結果以及按照預測公式[1]推算的殘余應力值。

圖2 管段切環(huán)試驗后的變形情況

從圖2可以看出，X80 SAWH焊管切環(huán)試驗后在周向、軸向及徑向均有變形。由表1的測試結果可知，SAWH焊管切環(huán)試驗后的變形情況較為復雜，各個方向的變形量均較大，其200 mm 管段的周向張開量、軸向錯開量及徑向錯開量分別為80、81、39 mm。

表1 切環(huán)試驗結果

2.2 盲孔法殘余應力測試結果

試制X80 SAWH焊管管體沿圓周方向的外表面周向及軸向殘余應力、內表面周向及軸向殘余應力的分布如圖3所示，焊管管體內外表面周向及軸向殘余應力、內表面周向及軸向殘余應力的平均值見表2所示。

圖3 SAWH焊管沿管體圓周方向的殘余應力分布

表2 X80 SAWH焊管管體內外表面殘余應力平均值

3 分析討論

3.1 試制X80 1 219 mm×22 mm SAWH焊管殘余應力特點

從圖3及表2可以看出，SAWH焊管外表面周向及軸向殘余應力水平整體上較高，且波動較大；其外表面周向殘余應力平均值為132.1 MPa，外表面軸向殘余應力平均值為160.9 MPa。 SAWH焊管內表面周向及軸向殘余應力的幅值(絕對值)整體上較高，且波動亦較大；其內表面周向殘余應力平均值為-218.0 MPa，內表面軸向殘余應力平均值為-185.5 MPa。試制X80 SAWH焊管外表面周向及軸向殘余應力均為拉應力，內表面周向及軸向殘余應力均為壓應力，內外表面殘余應力均較大。

結合SAWH焊管的切環(huán)試驗結果(表1及圖2)，X80 SAWH焊管不同長度管段的周向張開量為正值，即表現(xiàn)為張開型，且張開量較大，軸向和徑向亦發(fā)生了較大的變形。根據不同寬度管段切環(huán)試驗結果推算的SAWH焊管的殘余應力分別為168.5、166.7、147.2、112.2 MPa(對應的管段寬度分別為100、200、300、400 mm)，平均值為148.7 MPa。可見，X80 1 219 mm×22 mm SAWH焊管的切環(huán)試驗結果與其盲孔法的測試結果基本吻合。

通過上述分析可以看出，X80 1 219 mm×22 mm SAWH焊管的殘余應力水平較高，且分布不均勻。

3.2 試制X80 1 219 mm×22 mm SAWH焊管殘余應力的控制

如前所述，試驗用SAWH焊管為國內首次試制的X80 1 219 mm×22 mm SAWH焊管。如圖4 所示，SAWH焊管的成型是一個連續(xù)動態(tài)的過程，且?guī)Я吓c焊管的周向有一定角度，所以在焊管內部存在軸向應力和周向應力。SAWH焊管殘余應力的大小及分布狀態(tài)與成型輥的壓下量及帶料的遞送均有關系。試制SAWH焊管各管段的周向張開量均為正值，且周向張開量較大，各管段的軸向錯開量和徑向錯開量也較大，屬于周向張開+徑向錯開型變形形式。

圖4 SAWH焊管的成型

這說明試制X80 SAWH鋼管在成型時壓下量不足，板材變形不充分，且成型時不同部位板材受力不均勻，使得周向各處的曲率半徑不一致，從而造成了周向張開以及徑向的錯位。具體來說，就是在成型開始時由于壓下量不足，造成成型后半徑大于所要求的半徑，內表面受拉，外表面受壓，應變量偏低。接著通過工藝措施使半徑較大的圓弧變?yōu)榘霃捷^小的圓弧，致使其中的殘余應力外表面為拉應力，內表面為壓應力，且壓應力值較低，厚度截面上總體上呈拉伸狀態(tài)。同時在此過程中，板材沿圓周方向不同部位受力不均勻，使得其徑向變形差異較大。反映在切環(huán)試驗中，管段就會產生較大的周向張開及徑向、軸向錯開。盲孔法的測試結果亦說明了這一點(圖3及表2)。

對于高壓大口徑油氣輸送管道，一般要求焊管的殘余應力應小于σt0.5，即93 MPa，因此，試制的X80 1 219 mm×22 mm SAWH焊管還需對其殘余應力進行進一步控制。

西氣東輸二線用X80 1 219 mm×18.4 mm SAWH焊管殘余應力試驗的要求為“切口張開間距不應大于90 mm，同時應測量軸向及徑向的錯開量，供參考。”這種情況下，對應的殘余應力值為83.9 MPa。根據對高壓大口徑油氣管道用焊管殘余應力的要求，結合西氣東輸二線用X80 1 219 mm×18.4 mm SAWH焊管殘余應力試驗的要求，用于高壓大口徑輸送管線的X80 1 219 mm×22 mm SAWH焊管殘余應力試驗要求建議為“切口張開間距不應大于80 mm，同時應測量軸向及徑向的錯開量，供參考。”此時對應的殘余應力值為85.6 MPa。針對該試制焊管的測試結果，X80 1 219 mm×22 mm SAWH焊管生產時應適當增加壓下量，同時在成型輥布置和調整時應盡量使板材不同部位受力均勻。

4 結 論

1) 試制X80 1 219 mm×22 mm SAWH焊管切環(huán)試驗后管段的變形形式較為復雜，張開量較大，且軸向及徑向相對位移較大，顯示其殘余應力較高。

2)試制SAWH焊管的外表面周向及軸向平均殘余應力分別為132.1、160.9 MPa，內表面周向及軸向平均殘余應力分別為-218.0、-185.5 MPa，整體殘余應力水平較高。

3)根據測試結果，對首次試制的X80 1 219 mm×22 mm SAWH焊管殘余應力的控制指標以及成型工藝參數(shù)的制定提出了建議。