海洋工程高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼管卷制成形過程回彈分析

楊 超,張 耀,戴世超,李志強(qiáng),趙立君

（海洋石油工程（青島）有限公司,山東 青島 266520）

中國(guó)海洋工程制造業(yè)中高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼焊管產(chǎn)品越來越受到人們的關(guān)注,越來越多地使用在流體輸送管道、結(jié)構(gòu)建筑、石油油井、海洋工程等領(lǐng)域。在海洋工程領(lǐng)域使用的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼管預(yù)制過程主要包括板材下料、板材壓頭、卷制、縱縫焊接、環(huán)縫焊接等施工工序,各工序中卷制成形過程中板材發(fā)生的回彈變形、延展變形直接影響最終產(chǎn)品的成形精度。為解決以上問題,本文通過對(duì)板材回彈性能的分析,結(jié)合物理力學(xué)模型,基于理論方法分析鋼板的變形量[1-3]。應(yīng)用有限元軟件對(duì)鋼板進(jìn)行受力分析,確定鋼板的變形,并與實(shí)際工程進(jìn)行驗(yàn)證,進(jìn)而將成果應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。

1 回彈性能分析

海洋工程領(lǐng)域經(jīng)常使用的DH36、EH36材質(zhì)的高強(qiáng)鋼板屈服極限較高,在結(jié)構(gòu)鋼樁預(yù)制成形過程中如果板材發(fā)生的塑性變形不夠充分,在施加的外部壓載逐漸消失后,極易產(chǎn)生較大的回彈現(xiàn)象。在采用三輥卷板機(jī)進(jìn)行鋼管卷制成形過程中,在上下輥同時(shí)作用下,板材逐漸發(fā)生彎曲變形。當(dāng)上下輥施加的壓力值逐漸由小變大,鋼板逐漸從彈性變形向彈塑性變形階段轉(zhuǎn)變。由于板材上下面與板材中心位置發(fā)生的變形不一致,在外部加載逐漸取消后,板材上下面與板材中心的變形恢復(fù)不一致,板材材料變形量難以控制,進(jìn)而導(dǎo)致卷制管成形尺寸誤差較大,影響產(chǎn)品精度[4-10]。

1.1 三輥回彈理論模型的建立

考慮彎曲時(shí)材料的屈服強(qiáng)度、彈性模量、壁厚、管徑、彎曲角、彎曲半徑、加工硬化、管子精度、塑性區(qū)形狀和大小、應(yīng)力狀態(tài)等多因素的影響,建立回彈角的數(shù)學(xué)模型,板材回彈前后的卷制成形半徑會(huì)發(fā)生變化,通過在加載區(qū)靠近上輥垂直中心線處選取某一微段AB,并假設(shè)板材在此微段上的成形曲率一致,且應(yīng)力中性層與幾何中性層重合,如圖1所示,可得板材回彈前后成形半徑間的關(guān)系：

式中：R-微段AB回彈前的中性層曲率半徑；b-板厚；Rh-微段AB回彈后中性層曲率半徑；εv-微段AB回彈后上表面弧長(zhǎng)的變化值；εw-微段AB回彈后下表面弧長(zhǎng)的變化值,見圖1。

圖1 板材回彈前后成形半徑示意圖

1.2 三輥卷制回彈有限元模型建立

利用ABAQUS建立三輥卷制有限元模型,有限元模型如圖2所示,模型中主要有四個(gè)結(jié)構(gòu)：三個(gè)軋輥以及一塊板材。結(jié)合三輥卷板機(jī)對(duì)板材進(jìn)行滾彎加工過程中的受力情況,板材發(fā)生彈塑性變形,將其定義為可變形體,沿厚度方向劃分為4層單元,以保證板料厚度方向上的積分點(diǎn)數(shù)量。

圖2 三輥卷制有限元模型

材料模型中鋼板選用海洋工程領(lǐng)域常用的DH36高強(qiáng)鋼材料,其材料屬性如表1。

表1 數(shù)值模擬DH36鋼力學(xué)性能

接觸類型采用罰函數(shù)摩擦接觸算法,在分析上輥下壓量對(duì)回彈量的影響時(shí),選取上、下輥與板材間的摩擦系數(shù)為0.25。

2 卷制回彈計(jì)算結(jié)果與分析

通過板材輥壓成形過程模擬如圖3所示,板材回彈前軋輥與板材接觸區(qū)有較大的應(yīng)力集中區(qū)域,等效應(yīng)力極大值分別為266.8MPa和363.9MPa,板材回彈后應(yīng)力集中區(qū)域明顯減小,彈性變形恢復(fù),等效應(yīng)力極大值分別為157.7MPa和176.5MPa,分別降低了40.8%和51.5%。

圖3 卷板過程模擬

分別在卷制變形區(qū)選取10個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力值,如圖4所示。通過模擬卷制過程可以發(fā)現(xiàn),鋼板受到的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在板材中線附近。

圖4 板材卷制變形區(qū)應(yīng)力圖

通過對(duì)邊不同板厚鋼板在卷制成形過程中相同鋼輥下壓量時(shí)產(chǎn)生的回彈變形程度可以發(fā)現(xiàn)（如圖5所示）,隨著鋼板厚度的增加,板材的回彈變形逐漸減小。相同鋼板厚度情況下,隨著鋼輥下壓量的增加,鋼板的回彈變形量逐漸減小,達(dá)到一定程度后逐漸趨于平緩。由于隨著鋼輥下壓量的增加,鋼板的彈性變形階段逐漸向彈塑性變形轉(zhuǎn)換,當(dāng)鋼輥下壓量達(dá)到一定范圍時(shí)鋼板到達(dá)塑性變形。因此可以在實(shí)際生產(chǎn)中,通過增加鋼輥的下壓量,使得卷制成形直徑逐漸到達(dá)產(chǎn)品曲率要求,以補(bǔ)償三輥卷板機(jī)對(duì)板材進(jìn)行滾彎加工過程中回彈變形影響,進(jìn)而提高產(chǎn)品精度。

圖5 上輥下壓量對(duì)回彈量的影響

同時(shí),本文為了進(jìn)一步研究在三輥卷板機(jī)對(duì)板材進(jìn)行滾彎加工過程中不同道次下壓對(duì)鋼板回彈變形程度的影響,分別模擬了單道次、二道次、三道次等多道次卷制成形工藝的加工情況,選取的多道次卷制成形工藝方案如表2所示,仿真結(jié)果如圖6所示。

表2 多道次卷制成形設(shè)計(jì)方案

圖6 不同輥制次數(shù)下的鋼板成形半徑比較

通過上述數(shù)據(jù)對(duì)比可知：板材的成形半徑隨著卷制道次的增加而增加,相較于單道次滾彎加工,三道次滾彎加工使板材回彈前的成形半徑增加2.1%,回彈后的成形半徑增加2.9%。同時(shí)發(fā)現(xiàn)隨著卷制道次的增加,板材的回彈量也逐漸呈現(xiàn)變大趨勢(shì)。在使用單道次卷制成形時(shí),成形過程中鋼板發(fā)生的回彈波動(dòng)現(xiàn)象比較大,影響最終產(chǎn)品的成形精度尺寸,當(dāng)使用多道次卷制成形時(shí),鋼板在加工過程中發(fā)生的回彈波動(dòng)現(xiàn)象逐漸減弱,波動(dòng)趨于均衡化,進(jìn)而有利用控制產(chǎn)品的成形質(zhì)量。

結(jié)合廠區(qū)現(xiàn)有制管設(shè)備以及施工工藝,采集相關(guān)各施工工序施工數(shù)據(jù),選取DH36及EH36鋼材典型工況,將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、回歸分析,與按理論公式計(jì)算得到的回彈量及數(shù)值仿真回彈量進(jìn)行比較。具體計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 理論實(shí)際對(duì)比工況分析

從表3可看出,鋼管成形直徑越小,回彈計(jì)算值與實(shí)際值越接近,誤差值越小。按本文采用數(shù)值模擬值與實(shí)際值具有較好的吻合度,驗(yàn)證了三輥有限元模型的準(zhǔn)確性,可滿足實(shí)際的加工要求,具有一定的工程實(shí)踐指導(dǎo)意義。

3 結(jié)論

綜上所述：在實(shí)際制管作業(yè)中,采用多道次卷制加工工藝可以使得板材的回彈量更加均勻,有利于改善了加工件的成形質(zhì)量。板材卸載回彈后最終成形半徑的仿真模擬具有一定的精確性,同時(shí)由回彈理論模型所得到的板材卸載回彈后最終成形半徑具有一定的可靠性。