X80大口徑厚壁螺旋焊管殘余應力測試分析*

熊慶人，徐 婷，馬小芳

(中國石油集團石油管工程技術研究院 陜西 西安 710077)

0 引 言

高鋼級大口徑螺旋縫埋弧焊管的殘余應力是在制管過程中板材成型、焊接過程中形成的。SAWH焊管在成型過程中帶料以一定的角度送進，經成型輥壓制成型。由于成型是一個連續動態的過程，而且帶料與焊管的周向有一定角度，所以在焊管內部存在軸向應力和周向應力。

“西氣東輸”二線工程中首次使用了X80鋼級的Φ1 219 mm螺旋縫埋弧焊管(SAWH)和直縫埋弧焊管(UOE、JCOE)，是目前國內應用的強度級別最高、口徑最大、運行壓力最高的管線，其中SAWH焊管的最大壁厚為18.4 mm。繼西氣東輸二線工程之后，國內鋼管廠又試制了X80鋼級、Φ1 219 mm×22 mm的螺旋縫埋弧焊管，這是我國首次試制該壁厚規格的X80大口徑螺旋縫埋弧焊管。

由于殘余應力對管線運行安全有重要影響，因此，掌握X80Φ1 219 mm×22 mm螺旋縫埋弧焊管的殘余應力水平及分布特點，具有非常重要的意義。目前，殘余應力的測試方法較多，如切環法[1-2]、切塊法[3]、磁性法[4]、盲孔法[5-6]、中子衍射法[7]、X射線法[8]、數值模擬[9]、解析分析[10-11]等方法。通過對不同測試方法的特點和適用性的分析以及實際測試，同時根據大口徑、高鋼級焊管的特點，本文采用盲孔法、切環法對X80Φ1 219 mm×22 mm 螺旋焊管的殘余應力進行了測試分析，對其殘余應力測試結果及產生原因進行了初步的探討，并對其殘余應力的控制指標以及成型工藝參數的制定提出了建議，以期對批量生產有所借鑒和裨益。

1 測試鋼管及測試方法

測試鋼管為SAWH鋼管，鋼級為X80，規格為Φ1 219 mm×22 mm。

盲孔法殘余應力測試采用專用殘余應力盲孔法測試儀按照參考文獻[12]進行。測試管段的長度為2.5～3 m。管體測點編號沿外表面為1～8，內外表面測點對應。測點布置如圖1所示。

圖1 管體測點分布

切環試驗的基本原理是通過沿焊管軸向將管段切開，這樣切口兩邊因殘余應力的釋放而發生位移，根據此位移可以得到相應的應變，進而按照一定程序就可以推算出殘余應力[1]。切環試驗用管段寬度分別為100 、200、300及 400 mm，切口位置為距離焊縫100 mm處。切割方法均為火焰切割。

2 測試結果

2.1 切環法試驗結果

圖2為焊管切環試驗后的變形情況。表1為切環試驗測試結果以及按照預測公式[1]推算的殘余應力值。

圖2 管段切環試驗后的變形情況

從圖2可以看出，X80 SAWH焊管切環試驗后在周向、軸向及徑向均有變形。由表1的測試結果可知，SAWH焊管切環試驗后的變形情況較為復雜，各個方向的變形量均較大，其200 mm 管段的周向張開量、軸向錯開量及徑向錯開量分別為80、81、39 mm。

表1 切環試驗結果

2.2 盲孔法殘余應力測試結果

試制X80 SAWH焊管管體沿圓周方向的外表面周向及軸向殘余應力、內表面周向及軸向殘余應力的分布如圖3所示，焊管管體內外表面周向及軸向殘余應力、內表面周向及軸向殘余應力的平均值見表2所示。

圖3 SAWH焊管沿管體圓周方向的殘余應力分布

表2 X80 SAWH焊管管體內外表面殘余應力平均值

3 分析討論

3.1 試制X80 1 219 mm×22 mm SAWH焊管殘余應力特點

從圖3及表2可以看出，SAWH焊管外表面周向及軸向殘余應力水平整體上較高，且波動較大；其外表面周向殘余應力平均值為132.1 MPa，外表面軸向殘余應力平均值為160.9 MPa。 SAWH焊管內表面周向及軸向殘余應力的幅值(絕對值)整體上較高，且波動亦較大；其內表面周向殘余應力平均值為-218.0 MPa，內表面軸向殘余應力平均值為-185.5 MPa。試制X80 SAWH焊管外表面周向及軸向殘余應力均為拉應力，內表面周向及軸向殘余應力均為壓應力，內外表面殘余應力均較大。

結合SAWH焊管的切環試驗結果(表1及圖2)，X80 SAWH焊管不同長度管段的周向張開量為正值，即表現為張開型，且張開量較大，軸向和徑向亦發生了較大的變形。根據不同寬度管段切環試驗結果推算的SAWH焊管的殘余應力分別為168.5、166.7、147.2、112.2 MPa(對應的管段寬度分別為100、200、300、400 mm)，平均值為148.7 MPa。可見，X80 1 219 mm×22 mm SAWH焊管的切環試驗結果與其盲孔法的測試結果基本吻合。

通過上述分析可以看出，X80 1 219 mm×22 mm SAWH焊管的殘余應力水平較高，且分布不均勻。

3.2 試制X80 1 219 mm×22 mm SAWH焊管殘余應力的控制

如前所述，試驗用SAWH焊管為國內首次試制的X80 1 219 mm×22 mm SAWH焊管。如圖4 所示，SAWH焊管的成型是一個連續動態的過程，且帶料與焊管的周向有一定角度，所以在焊管內部存在軸向應力和周向應力。SAWH焊管殘余應力的大小及分布狀態與成型輥的壓下量及帶料的遞送均有關系。試制SAWH焊管各管段的周向張開量均為正值，且周向張開量較大，各管段的軸向錯開量和徑向錯開量也較大，屬于周向張開+徑向錯開型變形形式。

圖4 SAWH焊管的成型

這說明試制X80 SAWH鋼管在成型時壓下量不足，板材變形不充分，且成型時不同部位板材受力不均勻，使得周向各處的曲率半徑不一致，從而造成了周向張開以及徑向的錯位。具體來說，就是在成型開始時由于壓下量不足，造成成型后半徑大于所要求的半徑，內表面受拉，外表面受壓，應變量偏低。接著通過工藝措施使半徑較大的圓弧變為半徑較小的圓弧，致使其中的殘余應力外表面為拉應力，內表面為壓應力，且壓應力值較低，厚度截面上總體上呈拉伸狀態。同時在此過程中，板材沿圓周方向不同部位受力不均勻，使得其徑向變形差異較大。反映在切環試驗中，管段就會產生較大的周向張開及徑向、軸向錯開。盲孔法的測試結果亦說明了這一點(圖3及表2)。

對于高壓大口徑油氣輸送管道，一般要求焊管的殘余應力應小于σt0.5，即93 MPa，因此，試制的X80 1 219 mm×22 mm SAWH焊管還需對其殘余應力進行進一步控制。

西氣東輸二線用X80 1 219 mm×18.4 mm SAWH焊管殘余應力試驗的要求為“切口張開間距不應大于90 mm，同時應測量軸向及徑向的錯開量，供參考。”這種情況下，對應的殘余應力值為83.9 MPa。根據對高壓大口徑油氣管道用焊管殘余應力的要求，結合西氣東輸二線用X80 1 219 mm×18.4 mm SAWH焊管殘余應力試驗的要求，用于高壓大口徑輸送管線的X80 1 219 mm×22 mm SAWH焊管殘余應力試驗要求建議為“切口張開間距不應大于80 mm，同時應測量軸向及徑向的錯開量，供參考。”此時對應的殘余應力值為85.6 MPa。針對該試制焊管的測試結果，X80 1 219 mm×22 mm SAWH焊管生產時應適當增加壓下量，同時在成型輥布置和調整時應盡量使板材不同部位受力均勻。

4 結 論

1) 試制X80 1 219 mm×22 mm SAWH焊管切環試驗后管段的變形形式較為復雜，張開量較大，且軸向及徑向相對位移較大，顯示其殘余應力較高。

2)試制SAWH焊管的外表面周向及軸向平均殘余應力分別為132.1、160.9 MPa，內表面周向及軸向平均殘余應力分別為-218.0、-185.5 MPa，整體殘余應力水平較高。

3)根據測試結果，對首次試制的X80 1 219 mm×22 mm SAWH焊管殘余應力的控制指標以及成型工藝參數的制定提出了建議。