大口径直缝钢管一直广泛的应用于石油、化工和市政建设等国家经济的重要部门,尤其近年来国家启动的西气东输工程将我国制管业又推向了一个新的发展高潮。在管线成型和焊接的过程中,不可避免的会产生成型残余应力和焊接残余应力及变形。这些残余应力与变形必然会对管线的强度和使用性能产生不良影响,因此在焊接后还要进行管线的二次成型-扩径,以降低或消除焊管残余应力并进行整形。扩径技术是管线成形的一项关键技术。
河北蒂瑞克管道主要研究扩径技术对消除焊管成型的和焊接的残余应力的作用和效果。以弹塑性大变形理论和热-弹塑性理论为基础,利用有限元分析软件ANSYS非线性分析程序,对X70大口径直缝焊管的成型、焊接和扩径三个过程进行模拟,主要成果有以下两个方面。
其一,建立了直缝焊管的成型、焊接和扩径三个过程的三维有限元模型。分别以弹塑性大变形理论、接触摩擦理论和热-弹塑性理论以及回弹理论为基础,首次对成型、焊接和扩径三个过程进行全程模拟,得到了直缝焊管成型应力场和焊接应力场分布。并在此基础上扩径,得出扩径后直缝焊管的残余应力场分布。
其二,对带有成型和焊接残余应力的大口径直缝钢管有限元模型进行了扩径率分别为0.8%、1.0%、1.2%和1.4%的水压扩径工艺模拟,得到了不同扩径率下,X70直缝焊管扩径后的周向和轴向残余应力分布情况。对比分析了不同扩径率的扩径前后残余应力的变化以及四种扩径率对于消除残余应力的效果。
研究结果表明:扩径具有消除因成型和焊接所产生的残余应力的作用。经合理扩径后,焊缝处的残余应力峰值明显降低,管壁上的残余应力值也明显减小。在所研究(0.8%～1.4%)的扩径范围内,扩径率越大消应效果越好。对于所研究的大口径直缝钢管,从兼顾消应效果和保有材料塑性的角度考虑,选用1.2%的扩径率最为适宜。
