焊管残余应力研究进展及展望

在焊管制造过程中需进行弯曲成型、焊接、水压、弯管、防腐等工艺过程,这些工艺过程造成的残余应力关系到焊管的服役寿命。介绍了焊管残余应力的研究方法、研究成果。指出,焊管的残余应力与其成型工艺关系重大,一般直缝焊管的残余应力水平低、分布均匀,螺旋焊管的残余应力水平高,且分布均匀性差。水压试验和扩径可以有效降低残余应力,但水压和扩径参数与残余应力的具体关系仍需要进行大量研究才能确定。最后指出,对切环法与磁测法的应用、螺旋焊管成型的精确模型、残余应力沿厚度方向的分布等问题仍需要进行深入研究。     

油气输送用大直径厚壁埋弧焊管残余应力及控制研究

针对油气输送用大直径厚壁埋弧焊管的残余应力问题,采用盲孔法测试了螺旋焊管和直缝焊管的残余应力,归纳了焊管制造过程中残余应力的演变规律,探讨了钢管制造过程中不同工序下残余应力的分布及其影响因素和控制方法。研究结果显示,板材矫直和钢管成型后的残余应力保持在150～200 MPa,且螺旋成型略大于直缝成型,成型过程的压下量对残余应力的影响有限;钢管焊接是在成型应力的拘束环境下进行的,直接影响焊缝的横向变形与残余应力,使得残余应力峰值不在焊缝中心,而是靠近焊缝区,螺旋焊管和直缝焊管的该区域残余应力均最高;制管过程中后续的水压试验、喷砂和防锈涂敷等工序,使残余应力得到大幅度降低,且分布更加均匀,螺旋焊管和直缝焊管残余应力峰值均保持在200 MPa左右,直缝管更低一些。研究表明,可以通过适当提高水压试验压力和涂敷温度的方法调节焊管残余应力。     

去应力退火对X80焊管残余应力影响分析

为了提高焊接质量,降低X80直缝埋弧焊管制造过程中产生的残余应力,采用ABAQUS有限元分析软件对焊管合缝、焊接和去应力退火三个关键工序中产生的应力进行了分析计算。结果显示,合缝过程中,管坯的内、外表面应力分布从焊缝位置到焊缝180°处呈波动式增加,应力值从20 MPa升至550 MPa;焊接完成后,焊缝处和焊缝180°处焊接应力最大,约为350 MPa,从焊缝10°到180°范围内应力逐渐增大,相比较合缝工序,下降了约200 MPa,但残余应力仍然很大;以600℃去应力退火为例,退火前后,管坯内、外表面的残余应力下降了约50%。结果表明,去应力退火具有减小和均匀X80厚壁直缝埋弧焊管残余应力的作用,残余应力值随着去应力退火温度的升高而逐渐降低,焊管制造过程中,应兼顾经济效益和综合性能,选用最佳消除残余应力的工艺,提高焊管质量。     

内胀和外控成型螺旋焊管残余应力的测试和比较分析

本文使用应力完全释放法测定了用两种制管工艺制造的螺旋焊管在水压试验前后残余应力的分布。认为螺旋焊管的残余应力是成型工艺引起的残余应力和焊接残余应力叠加的结果。两种工艺制造的螺旋焊管的残余应力有较大差异，水压试验对消除残余应力有较明显的效果。从防止应力腐蚀来看，在钢管外表面，内胀管的残余应力状态比外控管要好。     

焊后热处理改善管道直焊缝残余应力的数值模拟研究

以X80钢级Φ1 219 mm直缝埋弧焊管为研究对象，采用有限元软件ABAQUS，通过顺序耦合算法和移动热源子程序及生死单元形式，对钢管直缝焊和经热处理后焊缝的残余应力进行了数值模拟，分析焊后热处理对焊缝残余应力的改善作用。结果表明，焊缝等效最大残余应力和轴向拉应力均出现在外层焊缝的中心处，局部焊后热处理能降低焊缝的残余应力，等效峰值应力由560 MPa左右降低到约430 MPa，降低了23.2%；焊缝轴向拉应力也由450 MPa降低到370 MPa。焊后热处理对残余应力分布影响不大，但能使焊接接头的应力变得更为均匀。     

基于DOE技术的X65钢UOE焊管板管力学性能优化配置研究

中国城镇化进程的清洁能源替代将有力促进城市燃气管网的大发展,城市燃气管网由基于应力设计向基于应变设计是大趋势,UOE焊管是城市燃气管网管型的最佳选择。X65钢能很好地综合平衡城市燃气管网的经济性和安全性。结合宝钢UOE焊管某X65钢城市燃气管网工程项目全流程生产实绩,将试验设计(DOE)技术引入UOE焊管板管力学性能的配置和优化中,采用夏宁变量搜索法和混料设计回归分析法,分析了影响X65钢板管力学性能的关键因素,并以实例分析和验证了该方法的有效性和可行性。     

大口径直缝焊管扩径后外表面周向残余应力的估算

通过对直缝焊管扩径过程变形机制的分析,导出了用环劈法估算扩径后焊管外表面周向残余应力的公式.实测结果证实,用该公式估算的σθ能正确反映扩径后直缝焊管外表面周向残余应力的分布状态和峰值水平.但对于扩径前的直缝焊管,用该公式估算的σθ仅近似反映焊管外表面周向残余应力分布的中值水平.     

螺旋缝埋弧焊管的水压和稳压试验及残余应力

对外径 660mm、壁厚 7 1mm国产内胀成形X60钢级螺旋缝埋弧焊管的未水压、水压后和稳压后 3种管段样品 ,用机械切割应力释放法进行了内外表面残余应力的测试。试验结果分析表明 ,油气输送管出厂前的水压试验以及油气管道施工完毕后的稳压试验均会使螺旋缝埋弧焊管内外表面总体残余应力分布趋于均匀 ,并且明显降低内表面残余应力 ,特别是对呈残余拉应力的焊缝区域作用更大。研究分析认为 ,把我国螺旋缝埋弧焊管水压试验压力从 0 9SMYS提高到1 0SMYS ,甚至接近焊管屈服强度 ,可消除或降低螺旋缝埋弧焊管有害的残余拉应力。     

数值模拟技术在焊管成型工艺研究中的应用进展

数值模拟技术是工程领域常用的研究方法,被广泛应用于塑性成型研究中。钢管成型是典型的非线性过程,传统的研究方法在这方面有一定的局限性,数值模拟技术在焊管成型研究中发挥了重要的作用。介绍了近年来国内外数值模拟在焊管（包括ERW,UOE和JCOE焊管等）成型中的应用进展情况。     

COE新型制管工艺应用研究

为了解决小直径直缝埋弧焊管质量不稳定、效率低等生产技术难题,综合考察了UOE、JCOE、HFW焊管制造工艺。在对钢管成型技术、预焊技术和扩径技术进行分析的基础上,开发出COE直缝埋弧焊管制造工艺。应用实践表明:采用COE制管工艺极大地提高了小直径埋弧焊管的生产效率,降低了生产成本,并且焊管管体成型好,产品质量稳定,在小直径埋弧焊管制造方面具有良好的推广前景。     

X80螺旋埋弧焊管对接环焊接头失效裂纹分析

通过化学成分、微观组织、断口形貌分析等方法对某管线建设中X80螺旋埋弧焊管环焊接头裂纹产生的原因进行了研究。结果表明,裂纹出现于对接焊缝焊趾处,呈现沿晶+穿晶的开裂形貌,属于焊接冷裂纹。焊接接头气孔、夹渣和焊接死口处拘束应力过高是裂纹产生的主要原因,焊接工艺不当是裂纹产生的直接诱因,焊接前对管径周向全尺寸进行预热是防止该裂纹产生的主要途径。     

管线钢管承压时焊接接头的应力分布研究

为了掌握管线钢管承压时焊接接头的应力分布情况,采用ANSYS有限元数值模拟软件建立了直缝双面埋弧焊管二维平面模型及三维立体模型,分析了钢管内部承压时焊接接头的应力分布,结果表明:钢管焊接接头等效应力的峰值出现在热影响区;三维模型的应力值大于二维模型,且随内压的增加而增大,并向焊缝处靠近。焊缝的几何尺寸对钢管承压能力也有显著的影响,适当的内外焊缝熔宽和熔深能够提高钢管的承压能力。     

钛合金厚板焊接接头残余应力测试

采用局部逐层对称剥削材料盲孔法对51 mm厚钛合金Ti80板焊接接头残余应力进行了测试,并系统研究了其三维残余应力分布特征。结果表明,局部逐层剥削材料盲孔法能有效测量大厚度焊接件焊接接头的内部残余应力,并能准确反映大梯度变化应力状态。钛合金焊接接头,沿垂直焊缝方向在距焊缝中心-10~10 mm范围内,具有较高拉应力,应力值集中在500 MPa左右,且拉应力峰值出现在上表面距离焊缝中心10 mm位置;沿厚度方向距焊缝中心-10~10 mm范围内,为拉应力,表层应力普遍大于内部应力。在远离焊缝位置沿厚度方向为压应力,应力值为200~680 MPa,且峰值出现在距离上表面5 mm和焊缝中心20 mm位置处。     

DN1 200 mm钢管螺旋焊缝焊接温度场及应力场有限元分析

为了研究X80管线钢在焊接过程中温度场及应力场的分布情况,以DN 1 200 mm X80螺旋焊管为研究对象,采用有限元分析软件Abaqus分别沿着管道的内螺旋线和外螺旋线进行焊接模拟。结果表明,焊接过程中热源中心最高温度可达1 650 ℃。在焊接内圈时,温度场对称分布;而在焊接外圈时,温度场分布不对称。在焊接完内圈的瞬间,接头最高温度约1 200 ℃,管道内侧的应力峰值为850 MPa。在焊接完外圈的瞬间,接头最高温度为1 300 ℃左右,管道内侧的应力峰值约为620 MPa。管道内侧焊接完成后,在对管道外侧焊接过程中,外侧焊缝处产生的应力场不仅使峰值应力降低,还使应力分布变得更加均匀。试验表明,通过分析内外螺旋焊缝的温度场和应力场分布以及形变情况,对于在焊接过程中内焊裂纹的预防有重要意义。     

X70焊管焊接接头热影响区冲击试样缺口位置的探讨

通过金相试验、夏比冲击试验研究了X70螺旋埋弧焊管焊接接头热影响区试样不同缺口位置的金相组织、冲击功及剪切面积的分布情况。试验结果显示,冲击功和剪切面积的大小与缺口位置在粗晶区、细晶区、部分相变区和内焊缝所占的比例相关,内焊缝所占比例越低,冲击功和剪切面积越大。综合分析试验结果和相关标准,得出了X70焊管焊接接头热影响区试样缺口位置的确定方法,即热影响区冲击试样的缺口轴线应在试样上表面与外焊缝熔合线交界处,冲击试样边缘距外焊缝边缘1～2 mm为宜。     

真空隔热油管内外管环焊搭接接头评价方法研究

为了评价真空隔热油管的内外管环焊缝性能,开发了一种新型环焊搭接试验方法。该方法以N80-1隔热管为试验材料,采用CO2气体保护焊进行环焊焊接,并对焊接接头进行了拉伸试验、DR检测以及金相分析。试验结果表明,在筛选出的最佳工艺下焊接的隔热油管内外管封焊缝的平均抗拉强度大于700 MPa,接近管体的抗拉强度;内外管封焊缝金属与母材熔合良好,表明所选工艺合理,且DR检测结果表明焊缝没有出现夹杂、气孔等缺陷。     

国产X80大直径厚壁螺旋埋弧焊管开发

为了进一步降低管道建设成本,采用低C、低Mn和Mo-Cr-Ni-Nb-V-Ti合金设计,开发出了以针状铁素体为主的X80级22 mm/21.4 mm厚壁热轧卷板;通过制管工艺优化和控制,开发出了X80级Φ1 219 mm×22 mm和X80级Φ1 422 mm×21.4 mm国产大直径、厚壁螺旋缝埋弧焊管。产品性能检测结果表明,管体屈服强度、抗拉强度、焊接接头拉伸强度以及管母、焊缝、HAZ冲击韧性、DWTT等指标均达到或超过西气东输三线和中俄东线技术条件要求和API 5L标准要求;钢管静水压爆破试验起爆点位于母材,爆破口呈100%韧断;环切法测得环向弹复量为-55~-220 mm,盲孔法测得环向残余应力为-179~264 MPa,与同规格、同钢级直缝管相当,具有较低的残余应力。产品经国家油气管材质量监督检验中心检测,并经管道局环焊试验,符合管道工程技术条件和API5L及相关标准要求。产品千吨级试制表明,国内具备工业化批量生产能力。     

承插搭接焊埋地钢管接头结构特性研究与应用

为了研究轴向荷载下承插搭接焊钢管接头的应力分布规律和应力集中现象,根据焊接类型和角焊缝型式的不同组合,采用有限元软件ANSYS建立了9种接头计算模型,开展应力分析工作。分析结果显示,轴向荷载作用下,凸角焊缝虽增加了焊材用量和焊接工作量,但结构受力最好,平角次之,凹角焊缝虽节省焊材,但结构受力最差。研究表明,相同荷载作用下,内外双焊接头应力最小,可利用搭接区钢材分担受力,但焊接工作量最大;外焊接头整体应力分布较为均匀,但焊接在管外留槽施工,较为不便;内焊接头处管壁应力分布不均匀,内焊缝和承口扩径段管壁应力最高,但焊接可以在管内施工,较为方便,可以优先考虑使用。     

X90螺旋埋弧焊管焊缝横向裂纹分析

为了提高X90螺旋埋弧焊管的焊缝质量,推动其工程服役的快速发展,对X90螺旋埋弧焊管的焊接接头以及焊缝横向裂纹进行了金相分析,并对横向裂纹的产生原因进行了分析与讨论。焊缝横向裂纹显微形貌和能谱检验结果表明,在焊接工艺不稳定情况下,制管工序中焊缝承受的多种拉应力叠加后作用于焊缝内残留焊剂部位,导致该部位的拉应力超越材料强度极限引发裂纹萌生和扩展;横向裂纹在纵向截面上起源于焊缝中的残留焊剂,由内焊缝向外焊缝扩展,而其在水平截面上由焊缝向母材扩展;随着远离起裂源点,裂纹断口形貌呈现由准解离断裂向解离断口渐变,整体表现出脆性断裂特征。