CN113390548A - 一种热挤压成型三通残余应力的测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种热挤压成型三通残余应力的测量方法，属于测试技术领域。通过在三通典型几何位置上合理布置应变测试位置，采用切割方法将三通沿着支管端部到腹部中心，再到主管端部完全切通，释放热挤压成型三通的残余应力。在切割过程中采用应力应变测试仪对热挤压成型三通的残余应力进行测量，比较切割前后各应变测试点变化情况，通过公式计算直接测出应力值，以便对热挤压成型三通的残余应力进行评价和控制，提高热挤压成型三通的质量。
Description
技术领域
本发明属于测试技术领域，涉及一种热挤压成型三通残余应力的测量方法。
背景技术
三通是油气输送管道的重要组成部分，能够改变管道输送方向，进行管道分支、实现特殊连接等作用，是管系载荷的集中部位，而由于流体冲刷、介质腐蚀以及疲劳载荷作用，使得三通上更容易发生腐蚀凹坑、局部减薄和疲劳裂纹等缺陷。另外，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，三通设计压力不断增大，其壁厚也相应增大。在很多情况下三通被直接应用到了高海拔或者高寒地区的非埋地长输管道站场或者阀室等，长期裸露在低温环境中；而有些三通因为管道中的天然气经主管道分到支管线经过节流阀调压，压力降低造成气体膨胀，从而导致温度降低，也会使得管件的使用温度降低。
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。在进行各种材料加工工艺时，如铸造、压力加工、焊接、热处理、机加工等都会使工件出现不同程度的残余应力。热挤压三通制造工艺复杂，毛坯管需要经历压扁、反复热鼓包、开孔、拉拔成型和热处理等多道工序，在经历以上过程后，三通管件不可避免地会存在残余应力。而在服役条件下，残余应力与工作应力相互叠加，使三通的实际受力情况变得复杂，对三通的承压、疲劳、断裂和抗应力腐蚀等能力产生影响，尤其是低温及动载荷条件下，会不同程度地降低三通的承载能力和使用寿命，而且随着钢级的提高、壁厚的增大，在成型过程中通过调整成型参数对残余应力进行控制的难度也会增大。因此，测量其残余应力值及其分布，分析产生的工艺因素，以便在制造过程中控制和消除残余应力，显得十分重要。
到目前为止，关于复杂结构的三通残余应力的测试报道较少，缺乏有效掌握三通残余应力分布的方法。
发明内容
本专利的目的在于提供一种热挤压成型三通残余应力的测量方法，以便对热挤压成型三通的残余应力进行评价和控制，提高热挤压成型三通的质量。
为达到上述目的，本发明提供一种热挤压成型三通残余应力的测量方法，包括下述步骤：
(a)在热挤压成型三通上布置有多个应变测试位置；
(b)在上述多个应变测试位置的表面粘贴应变片，采用应力应变测试仪记录多个所述应变片的初始应变值；
(c)将热挤压成型三通沿着支管的端部到腹部中心、再到主管的端部完全切通，释放热挤压成型三通的残余应力；
(d)采用应力应变测试仪记录多个所述应变片的变化应变值；
(e)比较切割前后各应变测试位置的变化情况，得到不同方向的初始应变值与变化应变值的差值ε0°、ε45°及ε90°，并通过以下公式计算直接测出应力值：
计算时，取0°方向与管件的周向平行，90°方向沿管件轴向；各个应变测试位置的主应力分别：
式中，σ1为最大主应力，单位为MPa；ε0°为三通管件周向平行方向的应变，单位为με；ε90°为三通管体轴向平行方向的应变，单位为με,ε45°为与三通管件周向成45°方向的应变，单位为με；ν为泊松比；E为弹性模量。
可选地，所述热挤压成型三通的多个应变测试位置包括主管的管端、支管的管端、相贯区、肩部及腹部。
可选地，所述应变片为三向应变片。
可选地，步骤(c)是采用不引入外力应力的切割方法进行切通。
可选地，所述不引入外力应力的切割方法为火焰切割、等离子切割、激光切割或水刀切割等。
可选地，所述热挤压成型三通的规格为：DN1000×1000×700 28mm X70、DN1000×1000×800 36mm X70或DN1000×1000×1000 48mm X70。
本发明提供了一种针对三通残余应力的测试方法，通过在三通典型几何位置上合理布置应变测试位置，采用切割方法释放热挤压成型三通的残余应力。在切割过程中采用应变测试仪对热挤压成型三通的残余应力进行测量，比较切割前后各应变测试点变化情况，通过公式计算直接测出应力值，以便对热挤压成型三通的残余应力进行评价和控制，提高热挤压成型三通的质量。
附图说明
图1为残余应力测点设计示意图；
图2为应变片布置在典型几何位置的示意图
图3为热挤压成型三通的残余应力释放切割方法示意图。
其中，附图标记为：1主管，2支管，3肩部，4腹部，5底部，6相贯区，7应变片。
具体实施方式
如前文所述，由于热挤压成型三通支管与主管根部独特的圆弧过渡结构，使得三通的结构强度强烈地依赖于支管与主管根部曲率半径和肩部壁厚等尺寸。实际上，不同厂家、不同生产工艺以及按不同的模具生产的同规格热挤压成型三通各部位几何尺寸并不完全相同，尤其是壁厚和主支管过渡处的曲率半径，而这两个参数对管件的强度均有较大影响。
且热挤压三通制造过程中的成型特点导致其个体厚度差别较大，并且每个三通的不同部位(如：主管的底部5、主管的侧面、主管与支管连接的肩部以及支管的管径)的壁厚均存在较大的差异。针对三通的上述特点，在大量试验的基础上，本专利提供一种热挤压成型三通残余应力的测量方法，在应力薄弱区域的肩腹部和主支管相贯区，以及主支管端部布置应变片，既包含应力薄弱区域，又包含三通不同壁厚变化区域，有效覆盖三通的典型几何位置。并根据应力分布和壁厚分布规律特点，以应变片测试方法为手段，覆盖应力薄弱区域，覆盖不同壁厚变化区域，能够有效掌握三通残余应力的分布。
下面结合附图和实施例对发明做进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。
本发明的实施例以DN1000×1000×700 28mm X70、DN1000×1000×800 36mmX70、DN1000×1000×1000 48mm X70热挤压成型三通为例，其残余应力的测量方法，包括下述步骤：(1)残余应力测点设计。
如图1和图2所示，合理布置应变测试位置，分别在三通典型几何位置(包括主管1的管端、支管2的管端、相贯区6、肩部3、腹部4)上布置应变片，并采用应力应变测试仪连接上述应变片，通过感知应变片电阻，电容或电感的变化将形变转化为能够方便进行测量的电物理量的变化，测试并记录这些应变片的初始应变值。因本发明需要获取0°、45°及90°方向的残余应力，使用三向应变片更为方便。图2中的箭头符号表示三向应变片，箭头符号的三条线的方向表示应变测试方向，依不同的测试部位调整应变片的粘贴方向。
(2)采用切割方法释放热挤压成型三通的残余应力。
如图3所示，图中的剪刀代表切割位置，采用火焰切割、离子切割、激光切割、水刀切割或化学切割等不引入外力应力的其它切割方法将三通沿着如图3中所示的折线路径从支管端部到腹部中心，再到主管端部完全切通，以释放热挤压成型三通的残余应力。
(3)采用应力应变测试仪对热挤压成型三通的残余应力进行测量。
在上述切割过程中采用应力应变测试仪对热挤压成型三通的残余应力进行测量，记录多个所述应变片的变化应变值，比较切割前后各应变测试点变化情况，得到不同方向的初始应变值与变化应变值的差值ε0°、ε45°及ε90°，再通过公式计算直接测出应力值。计算时，取0°方向与管件周向平行，90°方向沿管件轴向；则各个应变测试位置的主应力分别为：
式中，σ1为最大主应力，单位为MPa；ε0°为三通管件周向平行方向的应变，单位为με；ε90°为三通管体轴向平行方向的应变，单位为με，ε45°为与三通管件周向成45°方向的应变，单位为με；v为泊松比，取0.3；E为弹性模量，取203G。
通过上述方法的测试，本实施例不同规格热挤压成型三通的残余应力测试结果如表1、表2和表3所示。
表1 DN1000×1000×70028mm X70热挤压成型三通残余应力测试结果
| 序号 | 测试位置 | ε<sub>0°</sub>/με | ε<sub>90°</sub>/με | ε<sub>45°</sub>/με | σ<sub>1</sub>/MPa |
| 1 | 主管端部 | 378 | 224 | 141 | 115 |
| 2 | 肩部 | 301 | 198 | 76 | 101 |
| 3 | 支管端部 | 284 | 231 | 145 | 93 |
| 4 | 腹部中心 | 165 | 102 | 34 | 55 |
| 5 | 相贯线 | 65 | 45 | 76 | 20 |
表2 DN1000×1000×80036mm X70热挤压成型三通残余应力测试结果
| 序号 | 测试位置 | ε<sub>0°</sub>/με | ε<sub>90°</sub>/με | ε<sub>45°</sub>/με | σ<sub>1</sub>/MPa |
| 1 | 主管端部 | 386 | 235 | 161 | 116 |
| 2 | 肩部 | 246 | 230 | 101 | 90 |
| 3 | 支管端部 | 246 | 214 | 150 | 79 |
| 4 | 腹部中心 | 115 | 84 | 23 | 41 |
| 5 | 相贯线 | 56 | 72 | 53 | 21 |
表3 DN1000×1000×100048mm X70热挤压成型三通残余应力测试结果
| 序号 | 测试位置 | ε<sub>0°</sub>/με | ε<sub>90°</sub>/με | ε<sub>45°</sub>/με | σ<sub>1</sub>/MPa |
| 1 | 主管端部 | 428 | 237 | 141 | 132 |
| 2 | 肩部 | 281 | 210 | 80 | 99 |
| 3 | 支管端部 | 288 | 220 | 185 | 87 |
| 4 | 腹部中心 | 124 | 97 | -34 | 56 |
| 5 | 相贯线 | 44 | 63 | 82 | 21 |
通过上表可以直观的得出不同规格热挤压成型三通的典型几何位置应力分布情况。借此，本发明的一种针对三通残余应力的测试方法，通过在三通典型几何位置上合理布置应变测试位置，采用切割方法释放热挤压成型三通的残余应力。在切割过程中采用应变测试仪对热挤压成型三通的残余应力进行测量，比较切割前后各应变测试点变化情况，通过公式计算直接测出应力值，以便对热挤压成型三通的残余应力进行评价和控制，提高热挤压成型三通的质量。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (6)
1.一种热挤压成型三通残余应力的测量方法，其特征在于，包括下述步骤：
步骤(a)在热挤压成型三通上布置有多个应变测试位置；
步骤(b)在上述多个应变测试位置的表面粘贴应变片，采用应力应变测试仪记录多个所述应变片的初始应变值；
步骤(c)将热挤压成型三通沿着支管的端部到腹部中心、再到主管的端部完全切通，释放热挤压成型三通的残余应力；
步骤(d)采用应力应变测试仪记录多个所述应变片的变化应变值；
步骤(e)比较切割前后各应变测试位置的变化情况，得到不同方向的初始应变值与变化应变值的差值ε0°、ε45°及ε90°，并通过以下公式计算直接测出应力值：
计算时，取0°方向与管件的周向平行，90°方向沿管件轴向；则各个应变测试位置的主应力分别为：
式中，σ1为最大主应力，单位为MPa；ε0°为三通管件周向平行方向的应变，单位为με；ε90°为三通管体轴向平行方向的应变，单位为με,ε45°为与三通管件周向成45°方向的应变，单位为με；ν为泊松比；E为弹性模量。
2.根据权利要求1所述的热挤压成型三通残余应力的测量方法，其特征在于：所述热挤压成型三通的多个应变测试位置包括主管的管端、支管的管端、相贯区、肩部及腹部。
3.根据权利要求1所述的热挤压成型三通残余应力的测量方法，其特征在于：所述应变片为三向应变片。
4.根据权利要求1所述的热挤压成型三通残余应力的测量方法，其特征在于：步骤(c)是采用不引入外力应力的切割方法进行切通。
5.根据权利要求4所述的热挤压成型三通残余应力的测量方法，其特征在于：所述不引入外力应力的切割方法为火焰切割、等离子切割、激光切割或水刀切割。
6.根据权利要求1至5任一项所述的热挤压成型三通残余应力的测量方法，其特征在于：所述热挤压成型三通的规格为：DN1000×1000×700 28mm X70、DN1000×1000×80036mm X70或DN1000×1000×1000 48mm X70。
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