海洋工程高強度結構鋼管制管工藝優化及應用

楊 超， 王 勇， 張 耀

（海洋石油工程（青島）有限公司， 山東 青島266520）

0 前 言

海洋工程用高強度結構鋼管卷制成型過程中需要經過下料、 壓頭、 卷制、 焊接等多個工序，而由下料尺寸、 壓頭精度、 卷制過程中引起的板材回彈及鋼板延展、 焊接變形等直接影響產品精度[1-8]。 以往現場施工主要憑經驗， 但是此方式受個體差異影響太大， 使板材卷制焊接后鋼管圓度難以保證， 給現場施工造成困難。

為解決這一問題， 本研究通過對板材的延展性、 焊接變形及其制管工藝各工序進行整體分析， 擬提煉出一個可以表明制管工藝各工作環節影響下料尺寸的計算公式， 以指導實際工程作業。 在制管過程中， 考慮到板材本身的延展性，在卷制過程中會發生延展變形， 因此在下料劃線中， 對以上變形過程中的延展量進行統計分析計算， 探討各個工藝環節中影響延展變形的因素，通過理論分析及實踐統計回歸驗證[9-15]。

1 壓頭工序變形分析

針對不同的壓制管徑需要選用合適的胎膜進行預壓制， 由于板材本身的延展性， 對壓制物理模型進行力學分析， 推導理論胎模尺寸。 物理模型及受力分析如圖1 所示。

圖1 胎模和鋼板相互作用及力學模型示意圖

壓頭工序中的延展變形與壓模的壓力、 下壓次數以及壓制面的徑向長度有關， 但由于預壓過程中壓力相較于彈性模量較小， 且接觸面積小，因此引起的板材在徑向的變形很小。 壓頭過程鋼板變形延展量計算結果見表1。

表1 壓頭過程鋼板變形延展量計算結果

2 卷制工序變形分析

利用ABAQUS 建立三輥卷制有限元模型（如圖2 所示）， 根據所選材料及制管直徑， 選取相應的三輥數控卷板機， 確定上輥直徑、 下輥直徑及下輥之間的距離， 預估總需要下壓量數值，根據冪指數逐漸降低進行下壓量加載。

圖2 三輥卷制有限元模型

預定卷管上3 點位置如圖3 所示， 3 個點坐標分別為P1（x1， y1）、 P2（x2， y2）、 P3（x3， y3），由此形成的卷管的圓心坐標為（X， Y）， 卷管半徑為

通過與目標卷制直徑相對比， 確定鋼板下壓量； 根據現場總結的經驗， 通過數據分析， 可按照如下冪指數銳減的方式進行多道下壓量設置，以7 次下壓量為例， 下壓量百分比與下壓次數關系曲線如圖4 所示， 則每次的下壓量為

式中： hall——鋼板總下壓量；

x——下壓次數。

模擬的卷板制管過程如圖5 所示。 板材回彈前軋輥與板材接觸區有較大的應力集中區域， 板材回彈后應力集中區域明顯減小， 彈性變形恢復。

圖4 下壓量百分比與下壓次數關系曲線

圖5 模擬卷板制管過程示意圖

對于線彈性材料， 加載力矩與卷制構件曲率

半徑的關系曲線如圖6 所示。 結合胡克定律，

考慮加工硬化效應， 板材卷制成型后回彈前的

中性層的曲率半徑ρ 以及卸載回彈半徑ρu可以表示為

式中： Yd——上輥的下壓位移；

L——下輥中心距；

R3——下輥半徑；

Iz——輥軸沿軸向慣性矩；

ρu——卸載回彈半徑；

ρ——回彈前曲率半徑；

E——材料的彈性模量；

M——加載力矩。

圖6 加載力矩與卷制構件曲率半徑的關系曲線

卷制過程中產生的延展變形為

式中： σs——卷制材料的屈服極限；

D——卷制的理論外徑；

k——系數， 與卷輥的直徑、 輥間距下壓次數及下壓量有關。

通過擬合， 分析現場實測數據回歸參數， 根據計算數值， 在各項參數確定的情況下， 可確定k≈1.217 4。 k 值擬合計算關系如圖7 所示。

圖7 k 值擬合計算關系圖

3 焊接工序變形分析

焊管縱縫焊接變形同樣影響制管橢圓度， 分析焊接變形規律， 借助壓頭工序直邊量以及壓頭模具尺寸， 可有效補償焊接變形， 達到通過反變形原理控制焊接變形的目的。 利用Hypermesh 進行建模， 建立焊接管V 形坡口多層多道焊焊接幾何模型。 選取生產中常用EH36 高強結構鋼件進行焊接試驗， 實際尺寸和模型尺寸保持一致。 對焊件進行網格劃分， 在距離焊縫和熱源比較近的區域， 將此部分區域的網格進行細致劃分； 而在距離焊縫和熱源比較遠的區域， 網格進行標準劃分。 多層多道幾何模型及網格劃分如圖8 所示。

通過求解實時的溫度場分布， 以材料的熱膨脹系數建立熱－力耦合作用， 計算實時的應力場和變形場。 分析方法為： ①建立熱－彈－塑性有限元計算的網格模型； ②采用雙橢球移動熱源模型， 對選定的網格單元施加熱量載荷； ③求解熱傳導方程， 獲得實時瞬態的溫度場分布； ④計算求得焊接殘余應力及焊接變形。

橫向焊接變形計算公式為

圖8 多層多道幾何模型及網格劃分

其中

焊接過程鋼板橫向變形量計算結果見表2。

表2 焊接過程鋼板橫向變形量計算結果

通過對表2 焊接過程鋼板橫向變形量數據的擬合， 可得到簡便的焊接變形量計算公式。

對于單V 形坡口的焊接變形量為

對于雙V 形坡口的焊接變形量為

4 下料尺寸確定與應用

通過以上分析可知， 在壓頭、 卷制、 焊接工序中都會產生部分延展或收縮變形量。 為保證鋼板卷制精度滿足要求， 在下料時優先考慮后續工序變形量補償， 結合模擬量和經驗統計數據， 以及焊接前的坡口形式和組對間隙， 可得到不同規格卷制管的實際下料尺寸計算公式， 即

單V 形坡口下料尺寸為

式中： Δx——鋼板焊接前組對間隙。

通過以上公式計算出4 種常用規格制管過程鋼板變形延展量， 計算結果見表3。

表3 制管過程鋼板變形延展量計算結果

分析發現， 變形較大的部位主要集中于卷制和焊接變形。 對各個工況下的理論下料尺寸與實際下料尺寸進行對比發現， 精度較為相似， 可以指導工程應用。 在承攬的多個國內外海洋石油平臺建造制管作業中推廣應用， 經過現場多組制管生產數據跟蹤， 不同管徑或壁厚的管材成型后橢圓度公差6 mm， 對于管徑大于650 mm 的管材周長公差在12.7 mm 以內， 對于管徑小于或等于650 mm 的管材周長公差在10 mm 以內， 滿足API SPEC 2B 結構鋼管制造規范要求， 同時一次壓制成型合格率達99.5%， 有效地提高了焊接管卷制成型精度， 降低了焊接后調圓率。

5 結束語

通過對板材的力學性能、 焊接變形以及卷制延展變形進行研究， 綜合現場采集數據進行統計分析， 給出了推薦下料長度的模擬計算公式， 并將成果應用于實際生產。 經實踐驗證，鋼管成型精度較好， 滿足相關規范要求， 對結構鋼管預制具有一定的工程指導和借鑒意義。