焊管殘余應力對鋼管承壓能力的影響分析

馬家鑫鄭福恩李記科

1.中國石油天然氣集團公司 石油管工程技術研究院 （陜西 西安 710065）

2.中海石油(中國)有限公司 （天津 300451）

焊管殘余應力對鋼管承壓能力的影響分析

馬家鑫1鄭福恩2李記科1

1.中國石油天然氣集團公司 石油管工程技術研究院 （陜西 西安 710065）

2.中海石油(中國)有限公司 （天津 300451）

相對于殘余應力對鋼管疲勞、斷裂和應力腐蝕等能力的影響研究，業(yè)界關于殘余應力對鋼管承壓能力的影響研究仍定論不清。通過對殘余應力對焊管屈服強度和應力-應變曲線的影響分析，研究了焊管殘余應力對鋼管承壓能力的影響。殘余應力是內(nèi)部平衡的力，隨著載荷壓力的不斷增加，高應力區(qū)則先達到屈服區(qū)而進入塑性狀態(tài)。隨后新增加的載荷壓力由未達到屈服點的彈性區(qū)承擔，鋼管的塑性區(qū)不斷擴大，直到全截面壓力達到屈服點。鋼管的承載力與沒有殘余應力時的承載能力基本相同。

焊管 成型 殘余應力 承壓能力

殘余應力是當物體去除外部載荷后，在物體內(nèi)部存在且保持平衡的應力，是內(nèi)應力的一種。在進行各種材料加工工藝時，如鑄造、壓力加工、焊接、熱處理、機加工等都會使工件出現(xiàn)不同程度的殘余應力[1]。油氣輸送焊管是由熱軋卷板或鋼板經(jīng)過成型、焊接和定徑等過程制成，在經(jīng)歷彈塑性變形和焊接過程后，油氣輸送焊管內(nèi)不可避免地會存在殘余應力，其中以螺旋縫埋弧焊管最為顯著。在焊管服役過程中，殘余應力與工作應力相互迭加，使焊管的實際受力情況變得復雜，對焊管的承壓、疲勞、斷裂和抗應力腐蝕等能力產(chǎn)生影響。因此，隨著市場對焊管要求的不斷提高，降低和控制焊管的殘余應力是生產(chǎn)廠家提高焊管質(zhì)量的一個重要方向[2]。

相對于殘余應力對疲勞、斷裂和抗應力腐蝕等能力的影響研究定論仍模糊不清[3-8]?；谏鲜霰尘?通過對殘余應力對屈服強度和應力-應變曲線的影響分析，研究了焊管殘余應力對鋼管承壓能力的影響。

1 焊管成型過程中的殘余應力及產(chǎn)生原因

殘余應力是指當物體沒有外界作用時，在物體內(nèi)部保持平衡的力[9]。從變形的角度看，殘余應力的產(chǎn)生是由于金屬內(nèi)部組織發(fā)生了不均勻的體積變化，形成了不均勻的變形。從本質(zhì)上講，產(chǎn)生殘余應力的原因可以歸結為不均勻的塑性變形、不均勻的溫度變化和不均勻的相變[10]。鋼板在輥道內(nèi)的變形是彈性變形和塑性變形的混合，當外力加載時，材料發(fā)生變形，卸載后彈性變形恢復，塑性變形保留，其中塑性變形部分，限制了與其相鄰部分的變形恢復，因而出現(xiàn)了殘余應力。鋼板在焊接時，板料上產(chǎn)生局部高溫的不均勻溫度場，不均勻的溫度場形成溫度應力，并在焊接過程中隨時間和溫度而不斷變化，即焊接應力，焊接應力較高的地方將先屈服而進入塑性變形，在冷卻后將有殘存于板料內(nèi)的殘余應力。

焊管的制造一般要經(jīng)過拆卷、矯直、銑邊、成型、焊接等主要工序以及探傷、平頭、試壓等一系列輔助工序。成型和焊接過程施加在板料上的應力在成型結束后難以全部釋放，因此各種類型的焊管不可避免地存在殘余應力[5]。焊管的殘余應力主要包括成型過程中由于鋼管壁厚方向不均勻塑性變形引起的殘余應力以及焊接過程中的焊接殘余應力。成型過程的殘余應力與焊接殘余應力迭加，使得焊管成型焊接后殘留著較大的殘余應力，且分布不均勻。

以某鋼管廠生產(chǎn)的某規(guī)格的SSAW焊管為例，其周向殘余應力分布如圖1所示,其中周向外側(cè)殘余應力最大處已達到800MPa,超出了材料的抗拉強度。較大的殘余應力數(shù)值會使得業(yè)主降低對于鋼管性能的評價,尤其是對于焊管承壓能力的評價。因此分析殘余應力對鋼管承壓能力的影響勢在必行。

2 殘余應力對焊管承壓能力影響

殘余應力分為宏觀應力和微觀應力，對材料強度起直接影響的是組織上的微觀應力[9]。宏觀殘余應力與微觀殘余應力相比，其影響就稍微不同，且為間接性的。而焊管中通過常用殘余應力測試方法（盲孔法、切環(huán)法、切塊法、X射線衍射法等）測得的殘余應力多為宏觀殘余應力。宏觀殘余應力對焊管承壓能力的影響可以從其對屈服強度和應力-應變曲線影響的角度分析。

2.1 殘余應力對屈服極限的影響

圖2為金屬材料應力-應變曲線示意圖。如果材料具有殘余拉應力σt，則相當于提高了應力-應變曲線的坐標原點，而改為了σ0-ε0坐標。即相當于降低了材料的拉伸屈服極限，實際的拉伸屈服極限即為：σts=σs-σt，如果材料具有殘余壓應力，則相當于提高了壓縮屈服極限：σ'ts=-（σs+σt），如同圖中第三象限坐標σ'0-ε'0所描述。

從殘余應力對屈服極限的影響上看，單個的殘余拉應力會降低鋼管承載能力。然而，殘余應力是內(nèi)部平衡的力，鋼管的承載能力為靜載荷，因此，殘余應力對鋼管承壓能力的影響不能只考慮單個應力的作用。

2.2 殘余應力對焊管承壓能力的影響

圖3所示為外載荷（內(nèi)壓）所造成的殘余應力的變化和變形。由圖3(a)可知，其壁厚方向殘余應力分布為a1到b1區(qū)域為彈性區(qū)，a1到a2，b1到b2區(qū)域為塑性區(qū)，o到a2區(qū)域為殘余拉應力區(qū)，o到b2區(qū)域為殘余壓應力區(qū)，殘余拉應力和壓應力分別在a1和b1（彈性區(qū)與塑性區(qū)交界處）達到最大。

將鋼管材料看作理想彈塑性體，鋼管承受內(nèi)壓載荷后，其應力應變曲線如圖3(b)、3(c)所示。3(b)表示斷面a的變形，3(c)表示斷面b處的變形。所有情況下，圖中的點0都表示載荷為零時的殘余應力。3 (d)所示為整體上其外載荷（內(nèi)壓）與延伸率之間的關系。當加載到1點狀態(tài)時，外側(cè)斷面a處達到屈服應力，首先屈服，加載到2點時，外側(cè)斷面a達到塑性狀態(tài)，而內(nèi)側(cè)斷面b處仍處于彈性狀態(tài)。當加載到3點時，外斷面a和內(nèi)斷面b都達到了塑性狀態(tài)。因此整個鋼管壁厚的整體變形應如圖3(d)所示，1、2、3點的狀態(tài)顯示出如折線所示的變形曲線。若在這樣的狀態(tài)下去除載荷，殘余應力就會減少乃至釋放。當加載到3以后的狀態(tài)時整個斷面都達到了塑性狀態(tài)，此時直到材料發(fā)生破壞斷裂，其塑性變形與不具有殘余應力的構件是一樣的。殘余應力對于塑性材料的影響只是在全斷面達到塑性變形之前那一段變形中才存在。

綜上所述，鋼管承受的內(nèi)壓是靜載荷，鋼管在靜載荷作用下，其截面上由內(nèi)壓產(chǎn)生的應力與殘余應力相互迭加，使得鋼管出現(xiàn)不均勻的應力分布。殘余應力是自相平衡的內(nèi)應力，鋼管承壓后的應力狀態(tài)不能由單個殘余應力與工作應力數(shù)值相加得來。工作應力會影響殘余應力的分布，這種迭加是動態(tài)的，不是簡單的數(shù)值相加。隨著載荷壓力的不斷增加，高應力區(qū)則先達到屈服區(qū)而進入塑性狀態(tài)。當載荷壓力繼續(xù)增加時，新增加的載荷壓力由未達到屈服點的彈性區(qū)承擔，隨著載荷壓力的不斷增加，鋼管的塑性區(qū)不斷擴大，直到全截面壓力達到屈服點。這時，鋼管的承載力與沒有殘余應力時的承載能力基本相同。作為自相平衡的內(nèi)應力，殘余應力不影響鋼管的極限承受能力。

3 焊管殘余應力的控制措施

工業(yè)生產(chǎn)中，對于殘余應力的控制主要是通過采取一定的工藝措施，消除一部分殘余應力大小，或降低對使用性能不利的殘余拉應力，或形成有益的殘余壓應力分布，即殘余應力的調(diào)整[10]。主要有自然失效，回火熱處理，振動時效（Vibration Stress Relief），施加靜載，錘擊、噴丸、滾壓等、爆炸法等。結合焊管制造工藝特點，焊管殘余應力的控制主要有以下方法：自然失效消除殘余應力；整體高溫回火；局部加熱；機械拉伸法，即鋼管的水壓試驗，水壓試驗目的是檢驗焊管質(zhì)量，但另一方便也可以消除部分殘余應力；焊管防腐處理時的噴砂除銹，在除銹的同時也消除了部分殘余應力；此外，焊管制造企業(yè)采用內(nèi)控成型使得焊管成形焊接后的殘余應力以殘余壓應力為主，滿足了常用技術標準中關于 “切環(huán)張開量”的限制要求，這種通過調(diào)整成型輥道而改變殘余應力狀態(tài)的方法成為目前控制焊管 （尤其是螺旋縫埋弧焊管）殘余應力的主要方法。

4 結 論

（1）殘余應力是自相平衡的內(nèi)應力，鋼管承壓后的工作應力會影響殘余應力的分布，工作應力與殘余應力的迭加是動態(tài)的，不是簡單的數(shù)值相加。

（2）鋼管承壓后的變形是一個相互協(xié)調(diào)的整體，高應力區(qū)先達到屈服區(qū)而進入塑性狀態(tài)。當載荷壓力繼續(xù)增加時，新增加的載荷壓力由未達到屈服點的彈性區(qū)承擔，隨著載荷壓力的不斷增加，鋼管的塑性區(qū)不斷擴大，直到全截面壓力達到屈服點。鋼管的承載力與沒有殘余應力時的承載能力完全一樣。焊管成型焊接后的殘余應力對鋼管承壓能力基本沒有影響。

[1]崔克清.安全工程大辭典[M].北京:化學工業(yè)出版社出版,1995.

[2]顏峰,吉玲康,馮耀榮,等.油氣輸送焊管殘余應力的估測[J].石油機械,1999,27(9):27-28.

[3]李英,何顯光,石成江,等.螺旋鋼管殘余應力分析研究[J].化工設備與管道,2004,41(1):29-30.

[4]李霄.殘余應力對焊管質(zhì)量及可靠性的影響[J].石油工業(yè)技術監(jiān)督，2009(5)：47-49.

[5]李霄,熊慶人,石凱,等.焊管殘余應力研究進展及展望[J].焊管,2009 (7):12-17.

[6]馮耀榮,刁順，霍春勇,等.油氣輸送焊管殘余應力測試與安全評價方法研究[J].中國安全科學學報，2007,17(9):159-165.

[7]羅金桓,鄭茂盛,熊慶人,等.螺旋縫埋弧焊管殘余應力評價方法[J].壓力容器,2008,25(3):7-12.

[8]朱維斗,李年.三種殘余應力測試方法在石油輸送管中的應用[J].焊管,1997(4):6-11.

[9]米谷茂.殘余應力的產(chǎn)生和對策[M].北京:機械工業(yè)出版社,1975.

[10]程曉宇,王曉梅.殘余應力的本質(zhì)及其調(diào)整[J].腐蝕控制，23(7)：33-35.

Compared with the research about the influence of residual stress on the fatigue,fracture and stress corrosion of steel pipes, there is still no definite conclusion in the research about the influence of residual stress on the pressure-bearing capacity of steel pipes in this field.Through the analysis on the influence of residual stress on the yield strength,the stress-strain curve of welding pipelines,the research focuses on the influence of residual stress of welding pipeline on the pressure-bearing capacity of steel pipes. Residual stress is an internal equilibrant,and with the increase of loading pressure,high stress area first steps into yield area and then into plastic status.Afterwards,new increased load is undertaken by the elastic area not reaching the yielding point,while the plastic area is expanding continuously until the whole section gets to the yielding point.Therefore,the load-bearing capacity has no difference between the steel pipes with residual stress and without residual stress.

welding pipes;formation;residual stress;pressure-bearing capacity

馬家鑫（1987-），男，助理工程師，碩士，現(xiàn)從事石油管工程技術服務與科研工作。

尉立崗

2012-01-10