CN101074919A - 螺旋缝埋弧焊管的残余应力计算方法 - Google Patents

Abstract

螺旋缝埋弧焊管的残余应力计算方法，应用于石油、天然气管道输送用螺旋缝埋弧焊管的残余应力计算、评价。特征是：取一段螺旋缝埋弧焊管，采用切环法把管段沿轴向切开；测量被切开的管段沿切线的两个边在轴向发生的错动Δz、沿着周向的张开量ΔL和两边所在圆周发生的径向错位Δr；将测量数据带入该计算公式，即可得到螺旋焊管的残余应力。效果是：克服了现有钢管残余应力推算方法不能适用于螺旋焊管沿轴向切开后所呈现出的复杂变形情况下的残余应力推算的不足。本发明用于加工制造、工程建设中对螺旋焊管的残余应力进行控制，从而降低其残余应力水平，提高质量，减少对国外大口径直缝焊管的依赖，降低管道工程建设的成本，为国家节约大量资金。

Description

螺旋缝埋弧焊管的残余应力计算方法

技术领域

本发明涉及螺旋钢管制造领域，特别涉及一种螺旋钢管的检验方法，具体是一种用于石油、天然气管道输送的螺旋缝埋弧焊管的残余应力检验和计算方法。

背景技术

油气输送用的焊管在生产过程中，要经历板材弯曲、成型、焊接等过程，形成焊管。经历了生产过程所得到的焊管内部会存在较大的残余应力。影响螺旋缝埋弧(SSAW)焊管成型工艺的因素较多，如成型角、递送功率、三辊间距、三辊相对高度、外控或内胀辊的分布等。另外，这种螺旋缝埋弧焊管焊接完毕之后没有冷扩径工序。使得焊接完毕之后焊管内部的残余应力表现形式复杂多样，如分布不均匀、峰值较高等，而且各厂家生产的螺旋缝埋弧焊管残余应力差异较大。螺旋缝埋弧焊管内部存在较大的残余拉应力是限制螺旋焊管使用的主要原因之一。这种残余拉应力一方面和输送压力叠加在一起成为裂纹失稳扩展的驱动力；另一方面由于残余应力分布的不均匀性，使螺旋缝埋弧焊管的局部存在较高的残余拉应力，该局部较高的应力与工作压力叠加后，在有腐蚀介质存在时，极易产生应力腐蚀破坏或腐蚀疲劳破坏，造成管道早期失效。这也是人们认为螺旋焊管的可靠性比UOE焊管低的原因之一。而且随着输送压力的提高和焊管钢级的提高，这一问题显得更加突出。因此，正确评估实际螺旋缝埋弧焊管的残余应力，不仅对于油气输送管的安全使用具有十分重要的意义，而且对于螺旋缝埋弧焊管残余应力的实际控制、提高焊管质量、扩大螺旋焊管的使用范围，从而降低管道工程建设的成本，均具有非常重要的现实意义和社会经济意义。

根据文献调研分析，国内外一直没有较为成熟的焊管残余应力计算公式，通常用切环法作为生产现场监控残余应力的方法，用切口张开的距离大小作为衡量残余应力大小的指标。

该方法是通过沿焊管轴向将管段管壁切开，这样切口两边往往会发生相应的位置变化，从而将钢管中所储存的残余应力释放出来。根据切口两边所发生的位置变化(位移)得到相应的应变，进而简单推算出残余应力大小。

现有的残余应力计算公式，仅需要给出针对管段切开后切口两边对称张开情况数据，这种钢管残余应力的推算方法适合于直缝埋弧焊管。不适合于螺旋缝埋弧焊管沿轴向切开后所呈现出的复杂变形情况下的残余应力的推算。由于螺旋缝埋弧焊管切环后所出现的现象较为复杂，即沿轴向切开后往往在周向、轴向及径向均发生位移和错动，目前尚没有螺旋缝埋弧焊管中残余应力的评价计算方法。

目前，管道运输是除铁路、公路、水路、航空外另一种高效运输方式，是石油、天然气一种安全、经济和不间断的大规模的输送方式。随着我国国民经济发展对能源需求的不断增加，我国将迎来管道建设的又一次高潮。管道建设尤其是干线管道建设需要大量高性能的大口径高钢级钢管，我国国内有为数众多的螺旋焊管生产厂家，内部存在较大的残余拉应力严重制约着螺旋焊管使用。在这种情况下，正确评估实际螺旋缝埋弧焊管的残余应力，不仅对于油气输送管的安全使用具有十分重要的意义，而且对于焊管残余应力的实际控制、提高焊管质量、扩大螺旋焊管的使用范围，从而降低管道工程建设的成本，均具有非常重要的现实意义和社会经济意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种螺旋缝埋弧焊管的残余应力检验计算方法，实现螺旋缝埋弧焊管应力检验。针对螺旋缝埋弧焊管切环后所表现出的复杂现象，提出螺旋缝埋弧焊管中残余应力的评价计算方法，以便对螺旋缝埋弧焊管的残余应力进行控制，提高螺旋缝埋弧焊管的质量，扩大其使用范围，从而降低管道工程建设的成本，为国家节约大量资金。

本计算方法分析、考虑了管段经切环法切开后发生三种形状变化所对应的原始状态应力分布，并利用弹性力学的叠加原理给出的管段切开后复杂变形情况的宏观应力分布。本计算方法以局部最大剪应力的极大值作为残余应力的计算参量，其中轴向错位和周向张开体现了管段内宏观应力的部分，径向错位反映出管段内应力分布的不均匀性。在有较大的径向错位情况下，宏观最大剪应力与局部最大剪应力的极大值之间有很大差别。

本发明涉及石油、天然气管道输送用螺旋缝埋弧焊管的残余应力计算方法，具体如下：

取一段螺旋缝埋弧焊管，采用环切法把螺旋缝埋弧焊管沿轴向切开，切口两边发生复杂的位置变化，从而将钢管中所储存的残余应力释放出来。螺旋缝埋弧焊管按切环法沿轴向切割后，沿切线双侧的两个边在轴向会发生错动Δz、沿着周向张开ΔL，并且两边所在圆周也会发生Δr的径向错位。

测量被切开的螺旋缝埋弧焊管沿切线双侧的两个边在轴向会发生错动Δz、沿着周向张开ΔL和两边所在圆周也会发生Δr的径向错位。

若钢管的原始直径为D，管壁厚度为h，则沿轴向切开后，在圆柱坐标系下各方向的应变进行分析。通过分析管段经切环法切开后发生三个方向形状变化所对应的原始状态应力分布；用弹性力学的叠加原理给出了管段切开后复杂变形情况的宏观应力分布，其中轴向错位和周向张开体现了管段内宏观应力的部分，径向错位反映出管段内应力分布的不均匀性；提出使用局部最大剪应力的极大值作为残余应力的计算公式：

式中：E——弹性模量，MPa

      h——壁厚，mm

      D——钢管外径，mm

      ΔL——管段周向张开量，mm

      Δz——管段轴向错位，mm

      Δr——管段径向错位，mm

将测得的被切开的螺旋缝埋弧焊管沿切线双侧的两个边在轴向会发生错动Δz、沿着周向张开ΔL和两边所在圆周也会发生Δr的径向错位资料数据带入计算公式。经计算得到螺旋缝埋弧焊管的残余应力σ_残，单位是MPa。

根据工程的实际情况和生产的要求，计算获得的σ_残值一般应控制在1/6σs～1/10σs之间，属于合格产品。既控制在螺旋缝埋弧焊管管材屈服强度的六分之一至十分之一之间。

    σs——管材屈服强度，MPa

所述的取一段螺旋缝埋弧焊管，取螺旋缝埋弧焊管的长度在100～500毫米之间，比较合适。

本发明的有益效果：

本发明针对螺旋缝埋弧焊管切环后所表现出的复杂现象，提出螺旋缝埋弧焊管中残余应力的评价计算方法，克服了现有的钢管残余应力的推算方法，不能涉及到螺旋缝埋弧焊管沿轴向切开后所呈现出的复杂变形情况下的残余应力推算的不足。

该计算方法考虑了螺旋缝埋弧焊管管段沿轴向切开后所呈现出的复杂变形情况(周向、轴向、径向均有形状变化和位移)下的残余应力推算，而目前现有的残余应力计算公式均只给出了针对管段切开后切口两边对称张开情况下，钢管残余应力的推算方法。由于成型方式的缘故，螺旋缝埋弧焊管管段沿轴向切开后往往在周向、轴向及径向均发生位移和错动，因此，本发明的残余应力计算公式更适合于螺旋缝埋弧焊管残余应力的计算和评估。

螺旋缝埋弧焊管管段切开后各个方向的位移对螺旋焊管残余应力：轴向错位和周向张开体现了管段内宏观应力、径向错位反映出管段内应力，是计算公式中的可变参数，本发明计算公式克服了片面性。

利用本发明计算出螺旋缝埋弧焊管的残余应力，可用于加工制造中对螺旋缝埋弧焊管的残余应力进行控制，提高螺旋缝埋弧焊管的安全可靠性，缩小螺旋缝埋弧焊管同直缝埋弧焊管的差距，扩大其使用范围。

具有较高残余应力一直是螺旋缝埋弧焊管的的薄弱环节之一，本发明提出的螺旋缝埋弧焊管残余应力评价计算方法可用于对螺旋焊管残余应力进行控制，提高螺旋焊管的质量，从而可以减少对国外大口径钢管的依赖，减少进口量，发展国家、民族经济，提高国产化程度和自主建设管线的能力，降低管道工程建设的成本，为国家节约大量资金。

附图说明

图1是所取的一段螺旋缝埋弧焊管示意图，表示R、Z和L三个坐标方向。

图2是螺旋缝埋弧焊管被切开后沿切线双侧的两个边在轴向发生的错动Δz、沿周向的张开量ΔL和两边所在圆周径向错位Δr示意图。

具体实施方式

实施例1：参阅附图1。

取一段长度为300毫米的螺旋缝埋弧焊管，直径D为1016毫米、管壁厚度h为15.3毫米。

参阅附图2。采用环切法把螺旋缝埋弧焊管沿轴向切开。螺旋缝埋弧焊管按切环法沿轴向切割后，测量沿切线双侧的两个边在轴向发生的错动Δz为48毫米、沿着周向的张开量ΔL为75毫米，两边所在圆周未发生径向错位，即Δr为0毫米。

将螺旋缝埋弧焊管的原始直径D、管壁厚度h和沿切线双侧的两个边在轴向会发生错动Δz、沿着周向张开ΔL和两边所在圆周也会发生Δr的径向错位，带入残余应力的计算公式：

  式中：E——弹性模量，MPa

        h——壁厚，mm

        D——钢管外径，mm

        ΔL——管段周向张开量，mm

        Δz——管段轴向错位，mm

        Δr——管段径向错位，mm

计算得到螺旋缝埋弧焊管的残余应力σ_残值为51.56MPa。

计算获得的σ_残值在1/9σ_s～1/10σ_s范围内，因此该钢管的残余应力控制得较好。σ_s为该螺旋缝埋弧焊管的屈服强度，其值为485MPa。

Claims (3)

1、一种螺旋缝埋弧焊管的残余应力检验计算方法，其特征是：

取一段螺旋缝埋弧焊管，采用切环法把螺旋缝埋弧焊管管段沿轴向切开，螺旋缝埋弧焊管管段按切环法沿轴向切割后，沿切线双侧的两个边可能会在轴向发生错动Δz、沿着周向张开ΔL，并且两边所在圆周也会发生Δr的径向错位，

测量被切开的螺旋缝埋弧焊管管段沿切线双侧的两个边在轴向发生的错动Δz、沿着周向的张开量ΔL和两边所在圆周发生的径向错位Δr，

将螺旋缝埋弧焊管的原始直径D、管壁厚度h和沿切线双侧的两个边在轴向发生的错动Δz、沿着周向的张开量ΔL和两边所在圆周发生的径向错位Δr，带入残余应力的计算公式：

式中：E--弹性模量，MPa

      h--壁厚，mm

      D--钢管外径，mm

      ΔL--管段周向张开量，mm

      Δz--管段轴向错位，mm

      Δr--管段径向错位，mm

计算得到螺旋缝埋弧焊管的残余应力σ_残，MPa。

2、如权力要求1所述的螺旋缝埋弧焊管的残余应力检验计算方法，其特征是：所述的取一段螺旋缝埋弧焊管，其长度在100-500毫米之间。

3、如权力要求1所述的螺旋缝埋弧焊管的残余应力计算方法，其特征是：根据工程的实际情况和生产的要求，计算获得的σ_残值一般应控制在1/6σs～1/10σs之间，σs是管材屈服强度，既控制在螺旋缝埋弧焊管管材屈服强度的六分之一至十分之一之间。

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