振動時效工藝在消除膨脹波紋管殘余應(yīng)力中的應(yīng)用

第一作者 劉曉丹 女，博士，工程師，1977年生

振動時效工藝在消除膨脹波紋管殘余應(yīng)力中的應(yīng)用

劉曉丹1， 陶興華1， 韓振強2

(1. 中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京100101； 2中國石油大學 石油工程學院，北京101249)

摘要：膨脹波紋管體冷壓成型后存在較大的殘余應(yīng)力常導致管端面嚴重變形和尺寸不穩(wěn)定，已成為制約管體焊接連接質(zhì)量和效率提高技術(shù)瓶頸。探索振動時效法用于消除或減弱波紋管體殘余應(yīng)力的可行性。結(jié)合室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，建立振動時效法適用的關(guān)鍵技術(shù)、工藝參數(shù)、評價方法以及后處理分析手段。采用所建立的評價體系，通過振動時效參數(shù)曲線觀測和盲孔法殘余應(yīng)力測量，評定了該試驗振動過程及振動時效效果有效性，這證明振動時效工藝可顯著降低膨脹波紋管殘余應(yīng)力，能夠滿足膨脹波紋管焊接等工程需要，提高其尺寸穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：膨脹波紋管；殘余應(yīng)力；振動時效；尺寸穩(wěn)定性

收稿日期：2013-03-25修改稿收到日期：2014-02-29

中圖分類號:TE931；TB535文獻標志碼： A

Application of vibratory stress relief in relaxation of residual stress for expandable corrugated liners

LIUXiao-dan1,TAOXing-hua1,HANZhen-qiang2(1. SINOPEC Research Institute of Petroleum Engineering, Beijing 100101, China; 2. College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Beijing 101249, China)

Abstract:The bigger residual stress can be left in expandable corrugated liners after their cold press molding. This leads to both the serious deformation and the unstable sizes at the liner ends. This defect becomes the techinical bottleneck to restrict welding quality and efficiency of liners connection. Here, a feasible method was proposed to remove the residual stress in the liner as much as possible. A set of crucial techniques, parameters, assessing methods, and post-processing methods based on plenty of data obtained from tests and sites was developed for the vibratory stress belief method. The new assessing system was used to verify the effectiveness of the vibratory stress belief effects through monitoring the parameter curves of the vibratory stress belief and residual stress measured with the blind-hole method. The results showed that the proposed method can be applied to decrease residual stress greatly in liners, it can meet the requirements of corrugated liners welding.

Key words: expandable corrugated liner; residual stress; vibratory stress relief; dimensional stability

膨脹波紋管技術(shù)是近年來石油鉆井行業(yè)一項新興的技術(shù)。其核心工藝是對圓形管材進行冷壓處理，使圓管徑向發(fā)生塑性變形，管柱截面形狀呈“8”字形，以達到減小管外徑的目的，使其可以通過上層套管順利到達所封堵地層位置，借助液壓和機械作用，使其完全膨脹成圓管，達到封堵復雜地層的目的[1]。膨脹波紋管現(xiàn)場應(yīng)用時管體之間采用焊接連接方式，為了保證焊接質(zhì)量，要求管端面形狀一致性較高，因此膨脹波紋管冷壓成型后，需盡量消除殘余應(yīng)力以減小管端面變形。膨脹波紋管單根長度在10～12 m之間，目前采用輥底式爐熱處理消除其殘余應(yīng)力，但膨脹波紋管出爐空冷過程由于熱脹冷縮不均勻，經(jīng)常出現(xiàn)彎扭曲、翹曲等不規(guī)則變形。

振動時效(Vibratory Stress Relief，VSR)是一種常溫時效工藝，該工藝采用激振裝置對工件施以循環(huán)載荷，動應(yīng)力與工件殘余應(yīng)力疊加，使局部產(chǎn)生塑性變形，內(nèi)應(yīng)力釋放。工件殘余應(yīng)力降低，尺寸穩(wěn)定而達到時效目的[2]。沈華龍等[3]針對高強度鋁合金中存在的殘余應(yīng)力引起工件變形與尺寸不穩(wěn)定的問題，采用懸吊簡化的振動臺的方法對高強度鋁合金厚板進行了振動時效處理，試驗結(jié)果表明，雖然其殘余應(yīng)力降低程度較低，但時效后鋁板尺寸穩(wěn)定性得到很大提高。廖凱等[4]在隨后的研究中證明振動時效可以消減厚板內(nèi)微區(qū)應(yīng)力，使厚板內(nèi)部應(yīng)力均化振動，從而達到穩(wěn)定板形的目的。振動與熱時效相比具有適應(yīng)性強、周期短、成本小等優(yōu)點[5]。此外，大量試驗和實際應(yīng)用已經(jīng)證明，振動時效可使工件在長期使用中精度變化量比熱時效小，工件尺寸穩(wěn)性所需要的時間比熱時效要短[6]。

為進一步了消除膨脹波紋管殘余應(yīng)力，穩(wěn)定膨脹波紋管端面尺寸形狀，擬采用振動時效工藝消除膨脹波紋管殘余應(yīng)力。并對該工藝特點、匹配性、實用性進行分析研究。結(jié)合下述振動時效室內(nèi)試驗進行分析，通過對冷壓后和振動時效后殘余應(yīng)力對比測量，結(jié)合振動時效過程中參數(shù)的變化并對其效果進行檢驗，探索并證明振動時效工藝的可行性和有效性，為膨脹波紋管應(yīng)力消除提供行之有效的方法。

1振動時效試驗

1.1振動時效設(shè)備

振動時效采用大連環(huán)宇振動時效科技開發(fā)有限公司生產(chǎn)的DLHZYN-08型振動時效設(shè)備。該設(shè)備由控制箱、激振器、拾振器等幾部分組成，控制箱具有調(diào)節(jié)振動頻率、顯示打印振動時效工藝參數(shù)的功能。激振器偏心轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速2 000～8 000 r/min，產(chǎn)生最大激振力為40 kN。

1.2振動時效試驗技術(shù)關(guān)鍵

(1) 膨脹波紋管的支撐

為了避免振動時效損壞管體，振動前需要對波紋管進行彈性支撐。一般來說，支撐應(yīng)盡量放在構(gòu)件振動的節(jié)點處，這樣可以保證構(gòu)件與支承間不產(chǎn)生相對振動而撞擊，也不產(chǎn)生噪音，不會使構(gòu)件滑動而造成加速度信號不穩(wěn)定。試驗前，先憑經(jīng)驗估計出節(jié)點的大致位置，將支撐放好，當試振達到共振時，用手摸尋找到波紋管振動節(jié)點。該試驗中波紋管長度較長，經(jīng)綜合觀測與分析，選擇在波紋管兩端各約2/9節(jié)點處用橡皮墊進行彈性支撐。

(2) 激振器的安裝

激振器是對構(gòu)件施加激振力的動力設(shè)備，因此必須安置在使構(gòu)件易于振動的位置上。通過手動試振，尋找到位于膨脹波紋管中部位置的振動波峰處，將激振器安裝在該位置，使用夾具夾緊(見圖1)。

圖1　激振器安裝 Fig.1 Installation of vibrationagitator

(3) 激振器偏心設(shè)置

激振器偏心擋位的選擇應(yīng)滿足保證構(gòu)件產(chǎn)生合適的振幅。但裝置輸出載荷不應(yīng)超過額定載荷的70%。本試驗中，經(jīng)手動試振，激振器的偏心擋位在1.5檔時，可以產(chǎn)生足夠的振幅，且幅值比較理想。

(4) 固有頻率的獲取

固定偏心，將激振力的頻率由小調(diào)大，即采用全程掃頻的方法獲得膨脹波紋管的固有頻率。選擇應(yīng)力大、頻率低的固有頻率作為主振頻率。圖2為膨脹波紋管振動時效前后的轉(zhuǎn)速-振幅曲線，由圖可見，振動時效前，當電機轉(zhuǎn)速在4 287 r/min左右，即頻率在71.45 Hz時，所產(chǎn)生的動應(yīng)力可以產(chǎn)生最大的振幅，其峰值為16.8。以此頻率作為主振頻率并按主振頻率的振型適當調(diào)整支撐點、激振點和拾振點。

圖2　振動時效前后的轉(zhuǎn)速-振幅曲線 Fig.2 Rotation rate-shake amplitude curve before and after vibratory stress relief

(5) 振動時間的確定

振動消除殘余應(yīng)力時，位錯發(fā)生移動、增殖、再移動、再增殖最后到穩(wěn)定是需要時間的，所以振動消除殘余應(yīng)力需要一定的處理時間。激振時間的選擇直接關(guān)系到時效的效果和效率。激振時間取決于工件的大小、質(zhì)量及殘余應(yīng)力的大小等。可以根據(jù)振動過程中時間-振幅曲線確定振動時間。隨著振動時效進行，構(gòu)件的殘余應(yīng)力降低，最終位錯趨于穩(wěn)定，繼續(xù)振動，殘余應(yīng)力降低效果就不明顯了。此時振幅趨于穩(wěn)定，可用這一振動過程時間判斷出此類工件的振動時效時間參數(shù)。在振動時效實施中，一般在此基礎(chǔ)上再施振3～5min以穩(wěn)固時效效果。本試驗中膨脹波紋管振動時間定為25 min。

2試驗結(jié)果與后處理分析

2.1振動時效參數(shù)曲線分析

根據(jù)機械行業(yè)標準JB/T5926-2005規(guī)定[7]，可根據(jù)振動時效過程中時間-振幅曲線或振后轉(zhuǎn)速-振幅曲線相對振前的變化來評估振動時效效果。出現(xiàn)下列情況之一時，即可判定振動時效有效：① 時間-振幅曲線中出現(xiàn)上升后變平、上升后下降然后變平；② 振后轉(zhuǎn)速-振幅曲線與振前相比出現(xiàn)振幅升高；③ 振后轉(zhuǎn)速-振幅曲線與振前相比出現(xiàn)峰線左移，即共振頻率下降。④ 轉(zhuǎn)速-振幅曲線振后的比振前的帶寬變窄；⑤ 振后轉(zhuǎn)速-振幅曲線有裂變現(xiàn)象發(fā)生。

圖3為振動處理過程時間-振幅曲線，符合上升后變平特征，反映了振動時效處理過程中及處理前后構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力的變化。因為構(gòu)件的殘余應(yīng)力起到了內(nèi)阻尼的作用，它使構(gòu)件剛性增大，由于振動處理使殘余應(yīng)力下降，阻尼減少，剛度降低，所以固有頻率下降，幅值升高。

圖3　振動處理過程時間-振幅曲線 Fig.3 Time-swing curve of vibrationlab

由圖2膨脹波紋管振動時效前后的轉(zhuǎn)數(shù)-振幅曲線對比可見，振動時效后主頻率用轉(zhuǎn)速表示為4 279 r/min左右，產(chǎn)生共振峰值為18.8。與振動時效前相比轉(zhuǎn)速左移8 r/min，振幅升高了2。這符合JB/5926-2005評估振動時效的實際效果，說明振動時效處理明顯有效。

2.2振動時效評價體系

為了定量分析振動時效去除膨脹波紋管殘余應(yīng)力效果，本試驗采用盲孔法對振動前后殘余應(yīng)力進行測量，分析殘余應(yīng)力去除程度。盲孔法是一種應(yīng)用較為廣泛的殘余應(yīng)力測試方法，該方法易于現(xiàn)場操作、工件創(chuàng)傷面積小、精度較高[8]。測量時在被測點上鉆一小孔，使被測點的應(yīng)力得到部分或全部釋放，并由事先貼在小孔周圍的應(yīng)變計測得釋放的應(yīng)變量，再根據(jù)彈性力學原理計算殘余應(yīng)力[9]。

考慮到波紋管為連續(xù)壓制而成，且具有軸對稱等結(jié)構(gòu)特點，原材料為均勻厚度的圓管，可以認為在波紋管的任何橫截面上其應(yīng)力分布均是相同的。在被測膨脹波紋管兩端距端頭約700 mm處橫截面上測量5個典型點殘余應(yīng)力，兩端共測量10個點(測點位置和編號如圖4所示)，每點測量出兩方向的應(yīng)力σ1和σ2(σ1為測點軸向應(yīng)力，σ2為測點的環(huán)向應(yīng)力)。振動時效前后同位置兩個測點距離為80 mm。

圖4　殘余應(yīng)力測點位置和編號 Fig.4 Test point arrangement and number

表1為膨脹波紋管振動前后殘余應(yīng)力變化情況。從應(yīng)力測試結(jié)果可以看出振動前的膨脹波紋管，軸向應(yīng)力水平σ1為231.2 MPa，環(huán)向應(yīng)力水平σ2為170.1 MPa，兩個方向應(yīng)力分布不均，應(yīng)力差大。經(jīng)振動時效處理后的兩根波紋管，在兩個方向上均有較大的應(yīng)力水平下降，其中σ1下降率為44.6%，σ2下降率為17.6%。圖5為σ1和σ2振動時效前后變化比較曲線，可見殘余應(yīng)力高的測量點經(jīng)振動時效后降低明顯，振動后應(yīng)力均化程度明顯提高。經(jīng)測量，振動時效后膨脹波紋管直線度保持良好，管端面尺寸變化極小，且放置較長一段時間后，管體和端面均未發(fā)生明顯變形。振動時效法在去除殘余應(yīng)力同時穩(wěn)定膨脹波紋管尺寸方面優(yōu)于熱時效。

表1　膨脹波紋管振動前后殘余應(yīng)力變化情況

圖5　σ 1和σ 2振動時效前后變化比較 Fig.5 Comparison of σ 1 and σ 2 before and after VSR

2.3振動時效后處理

膨脹波紋管采用無縫鋼管壓制而成。入井后需要重新膨脹為圓管后使用，因此需要管體材料具有良好的塑性變形能力，要求延伸率δ>20%。膨脹波紋管的凹陷處(即圖4中“3”點和“8”點所示位置)為塑性變形最大區(qū)域，在該位置沿管縱向截取適當長度樣品進行力學性能測試，與冷壓前管體力學性能對比見表2，可見經(jīng)過冷壓和振動時效后，由于加工硬化和振動時效的疲勞強化作用，管體的屈服強度和抗拉強度提高，延伸率有所降低，但仍滿足膨脹要求，因此可以用振動時效工藝替代熱時效去除冷壓膨脹波紋管殘余應(yīng)力以提高其端面形狀穩(wěn)定性。

表2　圓管和振動時效后膨脹波紋管力學性能

3結(jié)論

(1) 根據(jù)JB/5926-2005標準，應(yīng)用振動前后的轉(zhuǎn)速-振幅曲線和振動過程中的時間-振幅曲線對振動時效工藝效果進行評定，結(jié)果表明振動時效去除膨脹波紋管殘余應(yīng)力有效。

(2) 應(yīng)用盲孔法對膨脹波紋管振動時效前后殘余應(yīng)力對比測量，結(jié)果表明，振動后膨脹波紋管軸向和環(huán)向殘余應(yīng)力分別下降44.6%和17.6%，定量的證明了膨脹波紋管殘余應(yīng)力去除效果良好。

(3) 力學性能測試結(jié)果表明，振動時效后膨脹波紋管延伸率滿足膨脹要求，可以用振動時效法替代熱時效去除膨脹波紋管殘余應(yīng)力。

參 考 文 獻

[1] 陶興華，馬開華，吳波，等．膨脹波紋管技術(shù)現(xiàn)場試驗綜述及存在問題分析[J]．石油鉆探技術(shù)，2007，35(4)：63-66.

TAOXing-hua, MA Kai-hua, WU Bo, et al. Summary of expandable bellows field test and existing problem analysis[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2007, 35(4): 63-66.

[2] 房德馨．金屬的殘余應(yīng)力與振動處理技術(shù)[M]．大連：大連理工大學出版社，1989.

[3] 沈華龍，吳運新，郭俊康．高強度鋁合金厚板振動時效工藝的研究[J]．振動與沖擊，2009，28(8)：191-194.

SHEN Hua-long, WU Yun-xin, GUO Jun-kang. VSR technology used in high intensity aluminum alloy thick plates[J]. Journal of Vibration and Shock, 2009, 28(8): 191-194.

[4] 廖凱，吳運新，郭俊康．振動時效在鋁合金厚板應(yīng)力消減中的局限與應(yīng)用[J]．振動與沖擊，2012，31(14)：70-73.

LIAO Kai, WU Yun-xin, GUO Jun-kang. Application of VSR technique in stress reduction of aluminum alloy thick plate and its limitation[J]. Journal of Vibration and Shock, 2012, 31(14): 70-73.

[5] Mehrabadi S J, Azizmoradi M, Emami M M. Stress relief and material properties improvement through vibration vs.common thermal method[J]. Journal of Solid Mechanics, 2012, 4(2): 170-176.

[6] 陶春，袁海洋，胡永會．振動時效在低合金高強鋼焊接板中的應(yīng)用[J]．熱加工工藝，2012，41(15)：208-209.

TAO Chun, YUAN Hai-yang,HU Yong-hui. Application of VSR in welded sheet of low-alloy high-strength steel[J]. Hot Working Technology, 2012, 41(15): 208-209.

[7] JB/T5926-2005 振動時效效果評定方法[S]．北京：機械工業(yè)出版社，2002.

[8] Ponslet E, Steinzig M. Technology application series: Residual stress measurement using the hole drilling method and laser speckle interferometry-PartIII: Analysis technique[J]．Experimental Techniques, 2003, 27(3): 45-48.

[9] 米谷茂[日]．殘余應(yīng)力的產(chǎn)生和對策[M]．朱荊璞，邵合孟，譯．北京：機械工業(yè)出版社，1983.