CN101900615B - 厚壁大直径焊接钢管残余应力值及其分布的盲孔测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种厚壁大直径焊接钢管残余应力值及其分布的盲孔测量方法；测量管体截取长度不小于2米；测点分布在测量管体的内、外表面，测点个数相等，同一表面上测点的距离不小于40mm；焊缝区的测量点布置在截取管段1/2长度和焊缝交叉点为中心的区域，测量用电阻应变片采用X、Y、45°的3向电阻应变花；粘贴时，X、Y方向与被测管体的焊缝平行和垂直，盲孔直径范围φ1.2～1.5mm，深度范围2～2.5mm；将测量所得数据与标定得到的应力释放系数一起代入盲孔法应力测量公式就可获得各个测点残余应力值的大小及方向；实现了对螺旋管、UOE管和JCOE三种类型厚壁大直径焊接钢管采用盲孔法进行残余应力值及其分布的测量。

Description

厚壁大直径焊接钢管残余应力值及其分布的盲孔测试方法

技术领域

本发明涉及一种用盲孔法对厚壁大直径焊接钢管的残余应力值及其分布进行测试的方法。适用于直径≥600mm，壁厚≥12mm，成型焊接方式为：螺旋埋弧焊、UOE和JCOE的焊接钢管。

背景技术

残余应力通常指的是在无工作载荷作用的情况下，存在于构件内部且保持平衡的应力。焊管制造过程中的许多工序，如管体成型和焊接，都会导致在最终的焊管管体里产生残余应力。残余应力对焊管制造质量和使用性能将产生影响，是产生管体应力腐蚀和各种焊接裂纹的主要力学因素之一；在不同程度下，尤其是低温及动载荷条件下，降低焊管的承载能力和使用寿命；此外还会影响焊管的尺寸稳定性。

本盲孔法应力测试方法属于小孔释放法中的一种，其基本原理是在残余应力待测点上钻上一个小盲孔。由于孔壁原有残余应力的释放，在孔附近引起线应变，测量线应变便可换算出孔壁原有残余应力值。该方法是残余应力测量机械法中破坏性最小的一种。美国材料试验协会于1981年首次颁布ASTM标准E837-81“用钻孔应变测量决定残余应力的标准方法”。表明小孔释放法已可应用于工业。

随着管道建设迅速向长距离、高输送压力以及复杂地域发展。大直径、厚壁输送用焊管已成为当今油气输送管道的发展方向。因而，测量其残余应力值及其分布，分析产生的工艺因素，以便在制管工艺过程中控制和消除残余应力，显得十分重要。焊管残余应力产生的主要因素有2个，一个是管体成型产生的成型残余应力；另一种是焊接产生的焊接残余应力。

焊接钢管残余应力值及其分布的测量，首先要确定截取测量管段的长度，使之能有效、完整地在一定范围内保留被测管体原始残余应力状态。测量管段截取时，新出现的管端面将使管段的拘束度发生变化，导致管体应力释放和在一定长度范围内的残余应力重新分布。测量管段截取短了，即管体应力释放和残余应力重新分布的长度范围超过了截取管段长度的二分之一时，测量管段内将不存在原始管体的残余应力分布。测量管段截取过长，将造成材料浪费和测量工作量的增加。此外，与薄壁焊接钢管不同，厚壁焊接钢管在成型和焊接中，残余应力状态将有可能从2维转为3维，在壁厚方向上出现应力的梯度变化，应力在管壁内外出现正负变化，且物理中性线与几何中心线不重合。采用常规的盲孔法及测点布置，无法反映这种变化。

发明内容

本发明的目的：测量管段截取长度的确定；管体内、外壁的测点设计；焊缝区、整管测点的布置；测点位置间距要求；以及测量用电阻应变花和盲孔直径、孔深的确定等，实现对螺旋管、UOE管和JCOE三种类型厚壁大直径焊接钢管采用盲孔法进行残余应力值及其分布的测量。

本发明的目的是通过以下技术要求和措施来实现：

(1)测量管体截取长度：UOE、JCOE成型焊接钢管测量管段长度为管体直径的2.5倍；螺旋埋弧焊焊接钢管测量管段长度为2个完整的螺旋焊缝螺距；且测量管段长度不小于2米；

(2)残余应力测点选取：测点分布在截取测量管体的内、外表面，内、外表面的测点个数相等，测点的位置一一对应，在管壁厚度中心线上呈镜面对称，同一表面上测点的距离不小于40mm；

(3)焊缝区测点布置：焊缝区的测量点布置在截取管段1/2长度和焊缝交叉点为中心的区域，沿焊缝长度方向呈对称或不对称排列布置，焊缝区测量宽度范围以焊缝为中心不小于60mm，测点个数不少于5个点；

(4)整管测点布置：

1)螺旋埋弧焊焊接钢管的测量点分别布置在一条直线和一道环线上，直线穿越管体1/2长度和焊缝的交叉点并垂直于焊缝，在一个螺距板宽上的测点个数应为管体成型轧辊的整倍数；环线位于管体端部20～60mm范围内，测点按圆周等距分布，为偶数，不少于8个，对称分布；

2)UOE和JCOE成型焊接钢管的测量点分别布置在管体轴线不同位置的数条圆周环线上，测量环线不少于3道，每环上不少于8个测量点，其中1个测点在焊缝上，其余测点等距分布在圆周上，各条环线上的测点数量和在圆周上的位置一致；

(5)盲孔法残余应力测量：测量过程按盲孔法残余应力测量的有关规定和程序进行，测量用电阻应变片采用X、Y、45°的3向电阻应变花；粘贴时，X、Y方向与被测管体的焊缝平行和垂直，对于直缝焊接钢管UOE和JCOE成型焊接钢管是与管体的轴向及周向重合，盲孔直径范围φ1.2～1.5mm，深度范围2～2.5mm，同一个管体上盲孔直径和深度要求一致；将测量所得数据与标定得到的应力释放系数一起代入盲孔法应力测量公式就可获得各个测点残余应力值的大小及方向，采用图表或线性回归方法，分别代入测点位置及对应位置的测量数据，获得对被测管体各部位或整管的残余应力分布描述。

发明的效果

本发明针对厚壁大直径焊接钢管的残余应力值及其分布的测试，提供了一种盲孔测试方法，可产生如下效果：

(1)本发明确定了测量管段的截取长度；管体内、外壁的测点设计；焊缝区、整管测点的布置；测点位置间距要求；以及测量用电阻应变花和盲孔直径、孔深的确定等，可实现对螺旋管、UOE管和JCOE三种类型厚壁大直径焊接钢管采用盲孔法进行残余应力值及其分布的测量。

(2)本发明提供了一套完整的测试不同管型厚壁大直径焊接钢管的残余应力值及其分布的盲孔测试方法，能够较为准确、科学地评价钢管的残余应力水平及分布，填补了国内外厚壁大直径焊管残余应力测试方法的空白。

附图说明

图1管壁内外表面测点位置示意图

图2螺旋管焊缝区测点布置示意图

图3UOE和JCOE管焊缝区测点布置示意图

图4螺旋管管体测量点布置示意图

图5UOE和JCOE管管体测量点布置示意图

具体实施方式

本发明的目的是通过以下技术要求和措施来实现的：

(1)适用管型：螺旋埋弧焊焊接钢管；UOE成型焊接钢管和JCOE成型焊接钢管。(简称螺旋管、UOE管、JCOE管，下同)

(2)适用管体尺寸规格：直径≥600mm，壁厚≥12mm。直径尺寸用于保证管内操作和布置测点的空间；壁厚尺寸保证了内、外壁测点的测量值互相不受干扰和影响。

(3)测量管体截取长度：UOE、JCOE成型焊接钢管测量管段长度为管体直径的2.5倍；螺旋埋弧焊接钢管测量管段长度为2个完整的螺旋焊缝螺距；且测量管段长度不小于2米。该长度将可保证截取的管体在中心区域保留原始管体的残余应力。

(4)残余应力测点设计：首先，所有测点(即盲孔位置)分布在截取测量管体的内、外表面。内、外表面的测点个数相等，并且测点的位置一一对应，即盲孔在管壁厚度中心线上呈镜面对称，见图1，图中1、2分别为管体壁厚上的外表面和内表面盲孔。该设计将保证有效地获取同一位置壁厚内外表面的残余应力值。其次，同一表面上测点的距离不小于40mm，以保证每个测点的应力状态不受周围测点应力释放的影响。

(5)焊缝区测点布置：焊缝区残余应力及其分布盲孔法的测量点布置在截取管段长度的中心区域(即1/2长度范围附近)，螺旋管、UOE和JCOE管测点布置示意图分别见图2和图3。图2中H表示螺旋管焊缝，图中黑色小方块标记代表焊缝区的测点；图3中F表示UOE、JCOE管焊缝，图中黑色小方块标记代表焊缝区的测点。焊缝区测量宽度范围以焊缝为中心不小于60mm。该宽度可反映出焊接残余应力的主要作用范围。测点个数不少于5个点。以测量宽度范围为60mm为例，这5个测点分别在：焊缝中心，熔合线，距熔合线外2～3mm，距焊缝中心30mm，位于熔合线外2～3mm点与距焊缝中心30mm点中间，根据焊接应力的分布规律，以上测点位置，可以基本反映焊接应力分布的基本特征。根据需要也可以在设定的测量宽度范围中增加和加密测点，以细化对残余应力分布的描述。由于焊缝的对称性和自动焊过程的工艺稳定性，焊缝区各测点可以是不在垂直于焊缝的一条直线上，而是按设定的与焊缝中心的距离沿焊缝长度方向排列布置。

(6)整管测点布置：螺旋管与UOE、JCOE直缝管除了成型工艺方式不同外，焊缝形式也不同，前者是螺旋焊缝，后两种是直焊缝。因而，需要采用对应的测量点布置方式，来反映管体残余应力值及其分布。

1)螺旋管管体残余应力值及其分布的测量点分别布置在一条直线和一道环线上。测量点布置示意图见图4。图中3、4分别表示管体内、外表面测量环线，5表示管体测量直线；图中黑色小方块标记代表测点。直线穿越并垂直于管体中心焊缝，测点布置在直线上，用于测量和获取管体上相对中心焊缝不同距离处的残余应力。为了分析管体成型与残余应力之间的关系，在一个螺距板宽上的测点个数应为管体成型轧辊的整倍数。环线位于管体端部20～60mm范围内(该距离用于提供盲孔测量时应变片的粘贴及操作空间)，测点布置在环线上，用于测量和获取管体自由端(管端)距离焊缝不同距离处的残余应力。测点按圆周等距分布，为偶数，不少于8个，对称分布。以上测点均可根据测量要求增加个数和加密，细化残余应力分布的描述。

2)UOE和JCOE管都是直缝焊接钢管。管体残余应力值及其分布的测量点分别布置在管体轴线不同位置的数条圆周环线上。环线及测量点布置示意图见图5。图中表示的是管体长度不同位置处的测量环线，黑色小方块标记代表测点。考虑到对称性，为减少测量工作量，测量环线可以安排在管段长度中心线的一侧，用于描述残余应力分布的测量环线不得少于3道(见附图5)。以测量环线为3道为例，3道测量环线的位置分别为：在管体管端20～60mm处(同上，该距离用于提供盲孔测量时应变片的粘贴及操作空间)；在管体长度1/2处和在管体长度1/4处。每环上至少布置8个测量点，其中1个测点在焊缝上，其余测点等距分布在圆周上。要求各条环线上的测点数量以及在圆周上的位置一致。环线上的测点，用于测量和获取该环线所处管体轴向位置处圆周上的残余应力。所有环线在圆周同一位置上的测点，用于测量和获取管体圆周上该位置处轴向的残余应力。

测量时，可根据需要和要求加密测量环线数和环线上的测点数。但各环上的测点数要同时增加。同时建议环线测点数为偶数，以保证与圆心的对称。

(7)盲孔法残余应力测量：测量过程按盲孔法残余应力测量的有关规定和程序进行。测量用电阻应变片采用3向(X、Y、45°)电阻应变花。粘贴时，X、Y方向与被测管体的焊缝平行和垂直，对于直缝焊接钢管UOE和JCOE管就是与管体的轴向及周向重合。盲孔直径范围φ1.2～1.5mm，深度范围2～2.5mm，但是同一个管体上盲孔直径和深度要求一致。将测量所得数据与标定得到的应力释放系数A、B一起代入盲孔法应力测量公式就可获得各个测点残余应力值的大小及方向(主应力1、主应力2及方位角)。

${\mathrm{\σ}}_1=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1(A+B\cos \mathrm{\γ})-{\mathrm{\ϵ}}_3(A-B\cos \mathrm{\γ})}{4\mathrm{AB}\cos \mathrm{\γ}}$

${\mathrm{\σ}}_2=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_3(A+B\cos \mathrm{\γ})-{\mathrm{\ϵ}}_1(A-B\cos \mathrm{\γ})}{4\mathrm{AB}\cos \mathrm{\γ}}$

$\mathrm{\γ}={\mathrm{tg}}^{-1}\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1-2{\mathrm{\ϵ}}_2+{\mathrm{\ϵ}}_3}{{\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3}$

采用图表或线性回归方法，分别代入测点位置及对应位置的测量数据，即可获得对被测管体各部位或整管的残余应力分布描述。

Claims (1)

1.一种厚壁大直径焊接钢管残余应力值及其分布的盲孔测试方法，其特征在于：

(1)测量管体截取长度：UOE、JCOE成型焊接钢管测量管段长度为管体直径的2.5倍；螺旋埋弧焊焊接钢管测量管段长度为2个完整的螺旋焊缝螺距；且测量管段长度不小于2米；

(2)残余应力测点选取：测点分布在截取测量管体的内、外表面，内、外表面的测点个数相等，测点的位置一一对应，在管壁厚度中心线上呈镜面对称，同一表面上测点的距离不小于40mm；

(3)焊缝区测点布置：焊缝区的测量点布置在截取管段1/2长度和焊缝交叉点为中心的区域，沿焊缝长度方向呈对称或不对称排列布置，以焊缝为中心不小于60mm，测点个数不得少于5个点；

(4)整管测点布置：

1)螺旋埋弧焊焊接钢管的测量点分别布置在一条直线和一道环线上，直线穿越管体1/2长度和焊缝的交叉点并垂直于焊缝，在一个螺距板宽上的测点个数应为管体成型轧辊的整倍数；环线位于管体端部20～60mm范围内，测点按圆周等距分布，测点为偶数，不少于8个，对称分布；

2)UOE和JCOE成型焊接钢管都是直缝焊接钢管的测量点分别布置在管体轴线不同位置的数条圆周环线上，测量环线不少于3道，每环上不少于8个测量点，其中1个测点在焊缝上，其余测点等距分布在圆周上，各条环线上的测点数量和在圆周上的位置一致；

(5)盲孔法残余应力测量：测量过程按盲孔法残余应力测量的有关规定和程序进行，测量用电阻应变片采用X、Y、45°的3向电阻应变花；粘贴时，X、Y方向与被测管体的焊缝平行和垂直，对于直缝焊接钢管UOE和JCOE成型焊接钢管是与管体的轴向及周向重合，盲孔直径范围φ1.2～1.5mm，深度范围2～2.5mm，同一个管体上盲孔直径和深度要求一致；将测量所得数据与标定得到的应力释放系数一起代入盲孔法应力测量公式就可获得各个测点残余应力值的大小及方向，采用图表或线性回归方法，分别代入测点位置及对应位置的测量数据，获得对被测管体各部位或整管的残余应力分布描述。

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