切環法和盲孔法測試大口徑厚壁X80鋼級埋弧焊管的殘余應力

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(中國石油集團石油管工程技術研究院，西安 710077)

0 引 言

2000年以來，隨著我國油氣管道建設的迅猛發展，高壓大口徑長距離輸送成為我國管道輸送的發展趨勢，這使得高鋼級大口徑焊管的需求量不斷增長。目前，高鋼級大口徑焊管主要有螺旋縫埋弧焊管(SAWH焊管)和直縫埋弧焊管(SAWL焊管)等2種。SAWH焊管成型過程是板料彎曲的過程，經歷了預彎、輥彎、定徑等3個階段；該成型過程是一個連續的動態過程，在該過程中鋼帶與焊管的軸向有一定角度，使得焊管內部存在軸向應力和周向應力。SAWL焊管按成型方式可分為UOE和JCOE等2種焊管：UOE焊管成型時鋼板依次經歷U成型、O成型，以及焊接后的冷擴徑(Expanding，E)等工序；JCOE焊管采用一種漸進式多步模壓成型技術，即依次經歷J成型、C成型、O成型，該過程由數控系統實現，保證沿長度方向的各部位變形均勻，成型后同樣有冷擴徑工序(E)，焊管受膨脹頭的作用發生塑性變形。焊管中的殘余應力是在制管和焊接過程中形成的。

殘余應力會對焊管的承載能力、疲勞強度和腐蝕行為產生影響，從而影響管道的運行安全。目前，殘余應力的測試方法較多，有切環法[1-2]、切塊法[3]、盲孔法[4-6]、磁性法[4]、中子衍射法[7]、X射線法[8]、數值模擬[9]、解析分析[10-11]等。其中，適用于焊管的殘余應力測試方法主要有切環法和盲孔法。切環法是焊管生產中常用的殘余應力測試方法，其優點是操作簡便、直觀、便于比較、便于在生產現場進行質量控制，缺點是測試結果為變形量(位移量)，需進行換算，且其為破壞性試驗，會造成一定的材料損耗。盲孔法在工程和試驗研究中應用較廣，其優點是理論基礎扎實、操作較為簡單、測量數據可靠、重復性好，缺點是其測量結果僅反映表層幾個毫米深度范圍的殘余應力。

目前，國內強度級別最高、口徑最大、運行壓力最高的“西氣東輸”二線工程使用的鋼管為規格φ1 219 mm的X80鋼級SAWL焊管和最大壁厚18.4 mm的X80鋼級SAWH焊管。該管線一干八支，總長度超過9 000 km，設計輸氣能力為每年300億m3，總投資1 422億元，是目前世界上最大的管道工程項目。增加鋼管壁厚是進一步增大管線輸送壓力、提高輸送效率的行之有效的一種方法，為此有關管廠進行了規格φ1 219 mm×22.0 mm的X80鋼級SAWH焊管的試制工作。

為了進一步掌握壁厚達22.0 mm的X80鋼級埋弧焊管的殘余應力水平及分布規律，進而采取措施對其進行性能調控，作者采用盲孔法和切環法對規格φ1 219 mm×22.0 mm的X80鋼級SAWH焊管和SAWL焊管(包括UOE焊管和JCOE焊管)的殘余應力進行了測試和對比，并對SAWH焊管殘余應力的測試結果及產生原因進行了初步探討，對其殘余應力的控制提出了建議，以期為該焊管的批量生產提供借鑒。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為X80鋼級焊管，包括SAWH焊管、UOE焊管和JCOE焊管等3種管型，規格均為φ1 219 mm×22.0 mm。

按照ASTM E837-13a，采用MTS3000-Restan應力檢測儀，應用盲孔法進行殘余應力測試。測試管段采用火焰切割的方法從焊管上截取，長度為2.5～3.0 m。分別在該管段焊管內外表面，沿周向均勻取8個點(見圖1)進行測試，測試點1距離焊縫的弧長約為200 mm。鉆孔直徑為1.2 mm，孔深為2.0 mm。

圖1 盲孔法測殘余應力測試點的分布Fig.1 Testing point distribution for residual stress bycentre-hole drillong method

切環法測試殘余應力的基本原理是當沿焊管軸向將其切開后，切口兩邊會因殘余應力的釋放而發生位移(如圖2所示)，根據此位移可以得到相應的應變，進而推算出殘余應力[1]。殘余應力的計算公式為

(1)

圖3 盲孔法測得不同焊管內外表面的周向和軸向殘余應力沿管體(測試點位置見圖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)

采用火焰切割法沿軸向截取寬度分別為100，200，300，400 mm的管段，在距焊縫100 mm處將管段切開，采用鋼板尺分別測量各管段的周向張開量、軸向錯位和徑向錯位，代入式(1)計算得到殘余應力。

2 試驗結果與討論

2.1 切環法測得的殘余應力

由表1可知：切環試驗后，SAWH焊管的周向張開量為正值，即表現為張開型，軸向和徑向亦發生了一定的變形，殘余應力較大。UOE焊管和JCOE焊管僅在周向發生變形，均為張開型，無軸向及徑向變形；UOE焊管的周向張開量最小，殘余應力水平總體最低，JCOE焊管的周向張開量比UOE焊管的大，殘余應力水平相對較高。JCOE焊管的周向張開量與SAWH焊管的相差較小，但殘余應力相差很大，可見軸向錯位和徑向錯位對殘余應力的計算結果影響較大。管段寬度對測試結果影響較小。

表1 不同焊管的殘余應力測試結果(切環法)Table 1 Testing results for residual stress of differentwelded pipes (cut-ring method)

2.2 盲孔法測得的殘余應力及其分布

由圖3和表2可以看出：SAWH焊管外表面不同測試點處的周向和軸向殘余應力均為拉應力，大部分測試點處的殘余應力絕對值均高于UOE焊管和JCOE焊管的，其平均值遠大于UOE焊管和JCOE焊管的；UOE焊管和JCOE焊管外表面絕大部分測試點處的周向和軸向殘余應力為拉應力，JCOE焊管外表面的周向殘余應力平均值高于UOE焊管的，其軸向殘余應力平均值與UOE焊管的相當；SAWH焊管內表面的周向和軸向殘余應力均為壓應力，平均殘余應力的絕對值高于UOE焊管和JCOE焊管的；JCOE焊管內表面不同測試點處的周向殘余應力基本上為壓應力，UOE焊管內表面周向殘余應力沿管體周向呈現出拉、壓變化的趨勢，平均周向殘余應力均為壓應力，且JCOE焊管的平均周向殘余壓應力高于UOE焊管的；JCOE焊管內表面不同測試點處的軸向殘余應力沿管體周向呈拉、壓變化的趨勢，平均軸向殘余應力為壓應力，UOE焊管內表面軸向殘余應力基本上為拉應力，平均軸向殘余應力仍為拉應力。

表2不同焊管內外表面殘余應力平均值(盲孔法)

Table2Averageresidualstressesonouterandinternalsurfacesofdifferentweldedpipes(centre-holedrillingmethod)

MPa

總體而言，盲孔法測得的SAWH焊管的殘余應力水平高于UOE焊管和JCOE焊管的，且JCOE焊管的高于UOE焊管的，與切環法得到的結論相符。

2.3 SAWH焊管殘余應力形成原因及控制建議

在SAWH焊管成型時，成型輥壓下量不足，板材變形不充分，應變量偏低，導致成型后的半徑大于所要求的半徑，因此其內表面受拉、外表面受壓。在采用工藝措施使半徑較大的圓弧變為半徑較小的圓弧時，焊管外表面承受的應力變為拉應力，內表面的變為壓應力，且壓應力較低，在厚度方向上總體呈拉伸狀態；此外，成型時不同部位板材受力不均勻。以上因素造成了較高的周向應力及不均勻的徑向應力，因此切環試驗后管段的周向張開量和徑向錯位較大。盲孔法的測試結果亦說明了這一點。

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1/6σt0.5(σt0.5為管材屈服強度)，即93 MPa；“西氣東輸”二線工程對規格φ1 219 mm×18.4 mm的SAWH焊管殘余應力的測試要求為“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”，其對應的殘余應力為83.9 MPa。因此，建議將用于高壓大口徑輸送管道的規格φ1 219 mm×22.0 mm的X80鋼級SAWH焊管殘余應力的測試要求設定為“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”，其對應的殘余應力為85.6 MPa。由表1可知，SAWH焊管殘余應力的平均值為148.7 MPa。因此，需要對該規格的X80鋼級SAWH焊管的殘余應力進行進一步控制。在規格φ1 219 mm×22.0 mm的X80鋼級SAWH焊管的生產過程中，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的不同部位受力均勻。

3 結 論

(1) 切環試驗后，規格φ1 219 mm×22.0 mm的X80鋼級SAWH焊管的周向張開量、軸向及徑向錯位均較大，殘余應力較高，平均殘余應力為148.7 MPa；相同鋼級和規格的UOE焊管和JCOE焊管的周向張開量較小，無軸向及徑向錯位，殘余應力較小，平均殘余應力分別為37.0，69.3 MPa。

(2) 采用盲孔法，測得SAWH焊管外表面周向和軸向的平均殘余應力分別為132.1，160.9 MPa，內表面的分別為-218.0，-185.5 MPa，整體殘余應力水平較UOE焊管和JCOE焊管的高。

(3) 建議將規格φ1 219 mm×22.0 mm的X80鋼級SAWH焊管殘余應力的控制指標定為“切口張開間距不應大于80 mm”。