CN108535107A - 一种无缝钢管残余应力的简易测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种无缝钢管残余应力的简易测量方法,该方法主要包括无缝钢管试样的制备和数据的测量,在制备无缝钢管试样时在需要测量的无缝钢管的端部截取下一段长度为L的无缝钢管试样,然后通过千分尺测量无缝钢管试样的壁厚和外径值,再在无缝钢管试样的长度方向上整体切开一个纵向切口,并重新测量具有切口的无缝钢管试样的外径值,最后利用测得的数据通过残余应力公式的计算得出无缝钢管试样的残余应力与实测屈服强度的比值;该测量方法方法简单高效,仅利用千分尺和带锯就可测量,能快速准确检验测量无缝钢管残余应力,适用于快速测量的作业需求。
Description
技术领域
本发明属于钢管的检测技术领域,涉及一种测量方法,具体涉及一种无缝钢管残存应力的测量方法。
背景技术
残余应力是指在没有对物体施加外力时,物体内部存在的保持自相平衡的应力系统,它是固有应力或内应力的一种。残余应力的存在,会降低材料的疲劳强度,影响抗挤毁强度,增加管体应力腐蚀,同时材料加工时会出现加工变形,因此,在工程机械、汽车、油气开采等领域,无缝钢管的残余应力应不超过实测屈服强度的5%。残余应力检测技术经过多年的发展,已形成多种方法。主要有机械测量方法和物理测量方法两种。其中机械测量方法有盲孔法、环切法、应片法;物理测量方法有X射线衍射法、超声波法、磁测法和中子衍射法。物理测量方法设备投入过大,成本高,而机械测量法操作复杂,对材料具有破坏性,且测量误差大。如盲孔法需要专用钻孔设备,但由于精度不高,不适用于低水平残余应力测试;环切法是测量钢管切开后开口尺寸,开口尺寸测量误差大,另外带锯厚度对开口尺寸也有影响;应片法是根据切开后应变片的读数来测量残余应力,对应变片的精度提出很高要求。
因此,需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术中钢管残存应力测量方法中的不足,提出一种无缝钢管残存应力的测量方法。本发明利用钢管残余应力会导致钢管变形的原理,切取一截钢管试样,沿纵向将钢管切开,测量切开前后外径的变化,从而计算出钢管释放的残余应力。本发明在切环法的基础上进行改进,利用钢管切开前后钢管外径尺寸变化来计算钢管残余应力,本测量方法简易、测量较为准确。
为了实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种无缝钢管残余应力的简易测量方法,所述无缝钢管残余应力的简易测量方法包括如下步骤:
步骤一,无缝钢管试样的制备:在需要测量的无缝钢管的端部截取下一段长度为L的无缝钢管试样,备用;
步骤二,数据的测量:
1)将所述无缝钢管试样的一端沿圆周方向均分为12等份,沿顺时针方向,分别测量所述无缝钢管试样在2点钟位置、6点钟位置、11点位置的壁厚,为S2、S6、S11,并取三个壁厚的平均值S;
2)沿顺时针方向,在所述无缝钢管试样的2点钟位置和8点钟位置的长度方向上各标记三个点,并测量2点钟位置和8点钟位置对应两个点间的直径值,即沿所述无缝钢管试样的长度方向上测量三个不同位置的外径值,分别为D1、D2、D3,并取三个外径的平均值D;
3)沿顺时针方向,在所述无缝钢管试样的11点钟位置的整个长度方向上划一条纵向直线,然后沿该直线切开一个纵向切口;并重新测量所述步骤2)中无缝钢管试样在2点钟位置和8点钟位置的长度方向上所述三个不同位置的外径值的大小,分别为D1'、D2'、D3',并取三个外径的平均值D';
4)测量所述无缝钢管试样的屈服强度为Rp0.2;
步骤三,残余应力的计算:
所述无缝钢管试样的残余应力与实际屈服强度的比值为
式一中:E为杨氏模量,钢材的杨氏模量为2.07×105Mpa;U为泊松比,钢材的泊松比为0.3;Rp0.2为无缝钢管试样的实测屈服强度,单位为Mpa;S为无缝钢管试样的壁厚,单位为mm;D为无缝钢管试样的外径,单位mm;D'为无缝钢管试样切开后的外径,单位为mm。
如上所述的简易测量方法,优选,所述步骤一中,截取的所述无缝钢管试样的长度为38mm≤L≤3D,其中D为无缝钢管试样的外径值。
如上所述的简易测量方法,优选,测量所述无缝钢管试样的壁厚S、外径值D、外径值D'时所采用的测量工具为千分尺。
如上所述的简易测量方法,优选,所述步骤二中,采用带锯在所述无缝钢管试样的11点钟位置的长度方向上整体切一开口。
如上所述的简易测量方法,优选,所述步骤二中,测量所述无缝钢管试样的屈服强度时是按ASTM A370进行拉伸试验测量的。
与最接近的现有技术相比,本发明提供的技术方案具有如下优异效果:
本发明利用钢管残余应力会导致钢管变形的原理,切取一截钢管试样,沿纵向将钢管切开,测量切开前后外径的变化,计算钢管释放的残余应力。该测量方法方法简单高效,仅利用千分尺和带锯就可测量,能快速准确检验测量无缝钢管残余应力,适用于快速测量的作业需求。
附图说明
图1为本发明实施例中无缝钢管试样制备的主视图;
图2为图1的俯视图;
图3为本发明实施例中2点(60°)位置、6点(180°)位置、11点(330°)位置三个方向的壁厚的测量示意图;
图4为本发明实施例中2点(60°)位置、8点(240°)位置在长度方向上的三个不同位置处外径值的测量示意图;
图5为本发明实施例中在11点(330°)位置切开钢管,并重新测量2点(60°)位置和8点(240°)位置在长度方向上的三个不同位置处外径值的主视图;
图6为图5的俯视图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中,指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接;可以是直接相连,也可以通过中间部件间接相连,对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明提供一种无缝钢管残余应力的简易测量方法,该无缝钢管残余应力的简易测量方法包括如下步骤:
步骤一,无缝钢管试样的制备:在需要测量的无缝钢管的端部截取下一段长度为L的无缝钢管试样,备用;
步骤二,数据的测量:
1)将无缝钢管试样的一端沿圆周方向均分为12等份,沿顺时针方向,分别测量无缝钢管试样在2点钟位置、6点钟位置、11点位置的壁厚,为S2、S6、S11,并取三个壁厚的平均值S;
2)沿顺时针方向,在无缝钢管试样的2点钟位置和8点钟位置的长度方向上各标记三个点,并测量2点钟位置和8点钟位置对应两个点间的直径值,即沿所述无缝钢管试样的长度方向上测量三个不同位置的外径值,分别为D1、D2、D3,并取三个外径的平均值D;
3)沿顺时针方向,在所述无缝钢管试样的11点钟位置的整个长度方向上划一条纵向直线,然后沿该直线整体切开一个纵向切口(沿着长度方向整体切开,切开的宽度具体体现残余应力的大小);并重新测量所述步骤2)中无缝钢管试样在2点钟位置和8点钟位置的长度方向上所述三个不同位置的外径值的大小,分别为D1'、D2'、D3',并取三个外径的平均值D';
4)测量无缝钢管试样的屈服强度为Rp0.2;
步骤三,残余应力的计算:
无缝钢管试样的残余应力与屈服强度的比值为
式一中:E为杨氏模量,钢材的杨氏模量为2.07×105Mpa;U为泊松比,钢材的泊松比为0.3;Rp0.2为无缝钢管试样的实测屈服强度,单位为Mpa;S为无缝钢管试样的壁厚,单位为mm;D为无缝钢管试样的外径,单位mm;D'为无缝钢管试样切开后的外径,单位为mm。
在本发明的技术方案中选择测量无缝钢管试样在2点钟位置、6点钟位置、11点位置的壁厚来求平均壁厚值,是考虑到2点钟位置、6点钟位置、11点位置三个方向,主要目的是测量钢管截面整体的平均壁厚,首先钢管试样切开处的壁厚是必须要考虑的、与钢管试样切开处呈90°方向要考虑,第三个位置就考虑与钢管试样切开处呈180°左右的地方测试。基于该测试方案得出的平均壁厚值更加精确。
在本发明的技术方案中选择在无缝钢管试样的2点钟位置和8点钟位置的长度方向上各标记三个点,并测量2点钟位置和8点钟位置对应两个点间的直径值,从而求平均外径值D,虽然测量钢管试样切口位置即5点钟位置和11点钟位置方向的外径变化是最好,但是在钢管试样切开部位会对外径变化测量有较大影响,因此测量与11点钟位置垂直方向的外径值是更加精确的。
在本发明的具体实施例中,截取的所述无缝钢管试样的长度为38mm≤L≤3D,其中D为无缝钢管试样的外径值。在本发明中,L的值过小时钢管试样不能反映长度方向上的残余应力值,不便于测量长度方向上的三个外径值,且会产生端部效应;L的值过大时,不仅会增大材料的损耗,而且带锯也无法夹持,因此在不影响测量精度的情况下,L值最小为38mm,最大不超过3倍外径,截取的无缝钢管试样的长度为38mm≤L≤3D,其中D为无缝钢管试样的外径值。
进一步优选,步骤二中,测量无缝钢管试样的屈服强度时是按ASTM A370进行拉伸试验测量的。
进一步优选,测量无缝钢管试样的壁厚、外径值D、外径值D'时所采用的测量工具为千分尺。步骤二中,采用带锯在无缝钢管试样的11点钟位置的长度方向上整体切一开口。
实施例1
如图1-4所示,本实施例提供的一种无缝钢管残余应力的简易测量方法,包括无缝钢管试样的制备、数据的测量和残余应力的计算,该无缝钢管的钢号为ASTM A519 4140,规格为203.2×28.575mm的调质处理的无缝钢管,该无缝钢管残余应力的简易测量方法包括如下步骤:
步骤一,无缝钢管试样的制备:在需要测量的无缝钢管的端部截取下一段长度L为80mm的无缝钢管试样,备用;
步骤二,数据的测量:
1)将无缝钢管试样的一端沿圆周方向均分为12等份,沿顺时针方向,分别测量无缝钢管试样在2点钟位置、6点钟位置、11点位置的壁厚,为S2、S6、S11,并取三个壁厚的平均值S;
2)沿顺时针方向,在无缝钢管试样的2点钟位置和8点钟位置的长度方向上各标记三个点,并测量2点钟位置和8点钟位置对应两个点间的直径值,即沿所述无缝钢管试样的长度方向上测量三个不同位置的外径值,分别为D1、D2、D3,并取三个外径的平均值D;
3)沿顺时针方向,在无缝钢管试样的11点钟位置的长度方向上整体划一条纵向直线,然后沿该直线整体切开一开口;并重新测量步骤2)中无缝钢管试样在2点钟位置和8点钟位置的长度方向上三个不同位置的外径值的大小,分别为D1'、D2'、D3',并取三个外径的平均值D';
4)测量无缝钢管试样的屈服强度为Rp0.2,按ASTM A370进行拉伸试验测量的;
步骤三,残余应力的计算:
无缝钢管试样的残余应力与实测屈服强度的比值为:
式一中:E为杨氏模量,此处的杨氏模量E为2.07×105Mpa;U为泊松比,此处的泊松比U为0.3;Rp0.2为无缝钢管试样的实测屈服强度,单位Mpa。
本实施例中测量无缝钢管试样的壁厚、外径值D、外径值D'时所采用的测量工具为千分尺。步骤二中,采用带锯在所述无缝钢管试样的11点钟位置的长度方向上整体切一开口。
本实施例对钢号为ASTM A519 4140、规格为203.2×28.575mm的调质无缝钢管,在无缝钢管端部切取长度L为80mm的无缝钢管试样,切开前测量无缝钢管试样的壁厚和外径D,切开后测量无缝钢管试样的外径D',并按ASTM A370进行拉伸试验,测量无缝钢管试样的屈服强度,采用残余应力公式计算后可得钢管残余应力与实测屈服强度的比值,具体见表1:
表1残余应力测试值
实施例2
本实施例采用钢号为ASTM A519 4130、规格为203.2×31.75mm的调质无缝钢管,在无缝钢管端部切取长度L为50mm的无缝钢管试样,切开前测量无缝钢管试样的壁厚S和外径D,切开后测量无缝钢管试样的外径D',并按ASTM A370进行拉伸试验,测量无缝钢管试样的屈服强度,采用残余应力公式计算后可得钢管残余应力与实测屈服强度的比值,具体见表2:
表2残余应力测试值
实施例3
本实施例采用钢号为ASTM A519 4340、规格为222.25×22.225mm的调质无缝钢管,在无缝钢管端部切取长度L为250mm的无缝钢管试样,切开前测量无缝钢管试样的壁厚S和外径D,切开后测量无缝钢管试样的外径D',并按ASTM A370进行拉伸试验,测量无缝钢管试样的屈服强度,采用残余应力公式计算后可得钢管残余应力与实测屈服强度的比值,具体见表3:
表3残余应力测试值
实施例4
将钢号为ASTM A519 4140的调质管按应变片法和本发明测量方法进行对比,具体操作如下:将外径为215.9mm、壁厚为25.4mm的无缝钢管在端部截取150mm长的无缝钢管试样,先按本发明方法测量切开前无缝钢管试样的外径平均值D和壁厚平均值S,并将应变片在2点位置沿长度方向上贴3个应变片并校准系统值清零,在11点位置沿长度方向上用带锯切开,记录3个应变片的应力值并取平均值,最后测量2点和8点位置处外径平均值D',具体测量值如表4下:
表4残余应力测试值
应变片测量方法所测得的的应力值分别为26.9Mpa、27.3Mpa、26.8Mpa,平均值为27.0Mpa,与本发明方法测试结果27.2Mpa相差仅0.2Mpa,本测量方法具有较高的精度。
现有技术中钢管残余应力的计算公式为ESC/πD2(其中C为开口的宽度),现有技术中由于钢管试样测量开口宽度有以下不足:(1)一方面采用直尺测量的开口宽度误差大,另外一方面带锯的厚度对开口宽度有影响,导致计算出的结果误差大;(2)当测量残余应力为负值时,无法测量。本发明的技术方案是在此公式的基础上进行进一步转化,通过计算外径变化来计算切口宽度,从而计算残余应力,经过转换后钢管残余应力与实测屈服强度的比值为其中E为弹性模量,S为实际壁厚,D为切开前外径,D'为切开后外径,U为泊松比。
综上所述,本发明的技术方案还具有如下有益技术效果:
本发明提出的利用钢管残余应力会导致钢管变形的原理,切取一截钢管试样,并沿纵向将钢管切开,然后利用千分尺测量切开前后外径的变化,计算钢管释放的残余应力,这种简易测量方法操作方式较为简洁快速,无需机械测量方法的复杂的操作方式,也无需物理测量方法的过大的设备投入,同时也克服了环切法的测量钢管切口后的开口尺寸的方式,由于本发明提供的方法无需测量开口的尺寸,这就避免了在测量开口尺寸时所带来的测量误差;在具体批量生产时采用本测量方法可快速准确测量钢管残余应力,并就残余应力高的钢管进行去应力退火,保证钢管残余应力在5%以下,从而达到工业生产要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均在本发明待批权利要求保护范围之内。
Claims (5)
1.一种无缝钢管残余应力的简易测量方法,其特征在于,所述无缝钢管残余应力的简易测量方法包括如下步骤:
步骤一,无缝钢管试样的制备:在需要测量的无缝钢管的端部截取下一段长度为L的无缝钢管试样,备用;
步骤二,数据的测量:
1)将所述无缝钢管试样的一端沿圆周方向均分为12等份,沿顺时针方向,分别测量所述无缝钢管试样在2点钟位置、6点钟位置、11点位置的壁厚,为S2、S6、S11,并取三个壁厚的平均值S;
2)沿顺时针方向,在所述无缝钢管试样的2点钟位置和8点钟位置的长度方向上各标记三个点,并测量2点钟位置和8点钟位置对应两个点间的直径值,即沿所述无缝钢管试样的长度方向上测量三个不同位置的外径值,分别为D1、D2、D3,并取三个外径的平均值D;
3)沿顺时针方向,在所述无缝钢管试样的11点钟位置的整个长度方向上划一条纵向直线,然后沿该直线切开一个纵向切口;并重新测量所述步骤2)中无缝钢管试样在2点钟位置和8点钟位置的长度方向上所述三个不同位置的外径值的大小,分别为D1'、D2'、D3',并取三个外径的平均值D';
4)测量所述无缝钢管试样的屈服强度为Rp0.2;
步骤三,残余应力的计算:
所述无缝钢管试样的残余应力与实际屈服强度的比值为
式一中:E为杨氏模量,钢材的杨氏模量为2.07×105Mpa;U为泊松比,钢材的泊松比为0.3;Rp0.2为无缝钢管试样的实测屈服强度,单位为Mpa;S为无缝钢管试样的壁厚,单位为mm;D为无缝钢管试样的外径,单位mm;D'为无缝钢管试样切开后的外径,单位为mm。
2.如权利要求1所述的简易测量方法,其特征在于,所述步骤一中,截取的所述无缝钢管试样的长度为38mm≤L≤3D,其中D为无缝钢管试样的外径值。
3.如权利要求1所述的简易测量方法,其特征在于,测量所述无缝钢管试样的壁厚S、外径值D、外径值D'时所采用的测量工具为千分尺。
4.如权利要求1所述的简易测量方法,其特征在于,所述步骤二中,采用带锯在所述无缝钢管试样的11点钟位置的长度方向上整体切一开口。
5.如权利要求1所述的简易测量方法,其特征在于,所述步骤二中,测量所述无缝钢管试样的屈服强度时是按ASTM A370进行拉伸试验测量的。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
CB02 | Change of applicant information |
Address after: 435001 Huangshi Road, Hubei, Huangshi, No. 316 Applicant after: Daye Special Steel Co.,Ltd. Address before: 435001 Huangshi Road, Hubei, Huangshi, No. 316 Applicant before: HUBEI XINYEGANG SPECIAL STEEL TUBE Co.,Ltd. |
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CB02 | Change of applicant information | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180914 |
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |