海洋工程制管工藝精細化標準研究

李林　王川　張耀　楊超　孫志偉

摘? 要：鋼結構管是各類海洋工程結構組塊的重要構件，制管工藝的精度化程度關系著生產企業的制造水平。文章從材料的力學性能出發，分析卷管壓制過程中的延展變化，基于有限元模擬方法確定焊接產生的殘余應力對卷管的影響，綜合影響參數確定鋼板實際下料尺寸，建立卷管中壓頭與鋼板相互作用力學模型，選取對應的壓頭尺寸。經現場驗證對比，滿足工程項目精度需求，為工程生產提供技術支持。

關鍵詞：制管工藝;焊接變形;壓頭尺寸;力學模型

中圖分類號：U661.43? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）29-0102-04

Abstract： Steel pipe is an important component of all kinds of offshore engineering structure， and the accuracy of pipe-making process is related to the manufacturing level of production. Based on the mechanical properties of materials， this paper analyses the extension changes during the rolling process of coiled pipe， determines the influence of residual stress produced by welding on coiled pipe based on finite element simulation method， determines the actual size of steel plate by synthetically influencing parameters， establishes the mechanical model of interaction between the indenter and the steel plate in coiled pipe， and chooses the corresponding indenter ruler. Through on-site verification and comparison， the accuracy requirement of the project is satisfied and the technical support for the project production is provided.

Keywords： pipe making process; welding deformation; indenter size; mechanical model

引言

海工結構鋼管卷制過程中需要保證成型精度[1]。影響制管精度的因素包括劃線-下料-卷制-焊接等多個過程中引起的結構變形[2-5]。以往現場施工以經驗方式為主，人員個體差異性極強，亟需一套標準化指導原則。為解決以上問題，本文從材料的力學性能出發，考慮材料的延展性及焊接殘余應力[6-10]，結合制管工藝程序，確定下料尺寸。通過建立卷管中壓頭與鋼板相互作用力學模型，選取對應的壓頭尺寸。并將成果應用于實際生產。

1 理論基礎

通過對海洋工程卷管作業流程的分析[11-12]，提煉出材料延展性及焊接殘余變量對卷管精度產生一定的影響[13-14]。分別采用科學手段對以上兩方面進行數值模擬分析，得到定量結果，從而確定實際下料尺寸。通過材料力學知識[15]，提取胎膜與鋼板材料相互作用力學模型[16]，確定壓制胎頭尺寸，并與實際工程進行驗證。本文的技術路線如圖1所示。

1.1 鋼板延展性分析方法

延展性是物質的物理屬性之一。與材料內所含元素的排列分布有較為密切的關系。研究鋼板的延展性可采用兩個手段：

1.1.1 理論方法

鋼板卷制主要是彎曲變形，形成圓筒。計算鋼板的延展性，需要確定鋼板內部的中性層。根據材料力學相關理論，中性層不發生變形或變化，其應力為0，對于非均勻介質的船體高強度鋼板，通過用抵抗壓縮變形的力對中性層取矩的總量與抵抗拉伸變形的力對中性層取矩的總量相平衡條件可得：

通過以上條件可求得中性層距離筒體內壁的位置H，就可以確定復合鋼板的延展長度L。

1.1.2 實驗方法

選取鋼板試樣（EH36）， 通過對試件進行拉伸、沖擊、硬度試驗，提取試驗數據，確定材料的力學性能。

1.2 焊接致材料變形分析方法

求解焊接過程中的應力變形問題，目前多采用熱彈塑性耦合的有限元方法。通過求解實時的溫度場分布，以材料的熱膨脹系數建立熱-力耦合作用，計算實時的應力場和變形場。

分析方法為：

（1）建立熱-彈-塑性有限元計算的網格模型。

（2）采用雙橢球移動熱源模型，對選定的網格單元施加熱量載荷。

（3）求解熱傳導方程，獲得實時瞬態的溫度場分布。

（4）計算求得焊接殘余應力及焊接變形。

1.3 胎膜尺寸確定方法

針對不同的壓制管徑需要選用合適的胎膜進行壓制，由于板材本身的延展性，因此需針對壓制物理模型進行力學分析，理論推導胎模尺寸。物理模型示意圖以及受力分析圖如圖2所示：

2 數值模型與計算結果

2.1 卷管參數

本文選取某一特定需求類型的卷管參數，具體參數如表1所示：

2.2 延展性計算結果

本文針對選用規格的鋼板材料采用實驗方法分析材料的力學特性，得到材料的拉伸力學曲線及實驗數據，如圖3及表2所示：

由實驗數據可知，DH36型鋼材的材料伸長總伸長率為28.6%，（參考拉伸破壞后標定點之間的位移與未實驗前比對數據），結合圖3曲線，可根據實際卷管過程中卷制壓力，得到卷板的拉伸延展量。

2.3 焊接變形計算結果

基于ABAQUS計算軟件中的焊接模塊，建立卷管焊接熱-彈-塑性有限元計算模型，基于焊接方式，建立X型坡口，采用雙橢球移動熱源模型，對選定的網格單元施加熱量載荷，對模型進行計算分析，求解卷管焊接變形。計算結果如圖4所示。

結合數值數據模擬輸出可得，卷管焊接變形導致卷管收縮變形1.236mm。以上說明材料在X型坡口收縮變形，導致鋼板徑周長發生變化。

2.4 胎模選用尺寸確定

結合卷管規格制作要求，對胎模尺寸進行計算分析。

結合規格尺寸，確定胎模理論半徑

考慮到鋼板的實際厚度，因此胎模實際半徑為：

結合以上計算結果，可以對需要胎模壓制的鋼板進行工藝壓制。

2.5 下料尺寸理論計算

卷管機共有3個卷管軸，單軸壓縮強度為16MPa。結合材料延展特性曲線，確定卷制過程卷管伸長量為：

結合材料壓制過程中的延展性以及焊接中產生的變形，針對鋼板實際下料尺寸進行重新計算。

理論下料長度為：

2.6 結果對比

針對理論計算結果，與實際結合生產實際情況進行對比，對比情況如表3所示。

由對比數據可知，理論計算與實際下料尺寸非常接近，表明本文計算方法在一定程度上可以很好的為工程應用提供技術指導。

3 分析與比較

3.1 材料延展性分析

本文通過實驗方法獲得了DH36型鋼材的力學特性曲線，從實驗結果可知，材料的延展率達到了28.6%。根據材料的屈服強度，結合其在彈性階段的彈性曲線，可獲得其在彈性階段的延展率最高可達到5%左右。由此可知，鋼板在卷制彎曲過程中會發生一定的延展變形，同時，在彈性階段的變形要遠小于最大變形量，且此部分變形量在卷管過程中應予以考慮。而變形量的多少與卷制的壓力、卷制次數以及鋼板本身的材料有密切關系，應予以區別對待。

3.2 焊接變形計算分析

圖5為焊接后總變形圖，由圖可知焊件的最大變形量約為1.236mm，且焊接后，管材的變形由原來的直邊變形變成了具有圓度的圓弧。變形主要為從焊件的中部開始，逐漸向下彎曲而形成的角變形。而角變形產生的原因是上面的熔池大于下面的熔池，故冷卻時上面的收縮量必然大于下表面。

而在焊接過程結束后，殘余應力廣泛的分布于焊縫區域。對比上下表面的應力分布可知，較多的熱輸入導致了上表面殘余應力大于下表面。

3.3 下料尺寸分析

由于材料本身的延展特性，以及焊接過程中存在的焊接變形，因此，若實際下料的長度按照理論計算原始周長，則必然導致最后加工成型的管徑與需求管徑存在偏差，因此需要在下料尺寸中扣除焊接變形以及延展變形的余量，以保證產品成型合格。

3.4 胎模尺寸選取分析

由胎模計算結果可知，壓制914mm的管徑，需要直徑為809mm的胎模，即：胎模的直徑小于管材的直徑。其原因在于，對于大型鋼制板材，其發生彎曲變形后，會產生一定的回彈，這就使得用小的胎模壓制大的管徑與物理規律相符合。

通過現場現有經驗追蹤，與實際結果進行比較可知，本文的研究方法與實際現有經驗較為符合，可以進一步拓展形成數據指導庫。

4 結論

本文旨在研究一種海洋工程制管工藝的精度控制方法。作者從工程應用出發，提煉數學應用模型，分別采用力學實驗、數值模擬以及理論分析方法研究了DH36鋼板的拉伸特性、焊接變形以及胎模尺寸確定方法，從而形成一套較為完整的工藝精度控制理論。主要結論如下：

（1）鋼板在卷曲過程中，會發生延展，其變形量與其拉伸力學特曲線有關，延展量可應用？駐l=■·l進行估算。

（2）焊接過程中，由于殘余應力及上下作用不一致，導致板材發生收縮變形，變形量可采用有限元計算方法進行數值模擬。一般搶礦下，焊接變形量較小，但為保證卷管精度，仍需要進行綜合考慮。

（3）由于鋼材本身的回彈作用，因此一般在選取壓制胎模時，胎模本身直徑比卷管直徑小，胎模半徑的選取方法可參考本文理論方法操作。

（4）板材下料長度應綜合考慮焊接變形與板材延伸兩個方面，綜合作用下對理論下料長度進行修正。獲得較為精確的長度，經過與現場實際操作比較，精度良好，證明了本文方法理論的有效性。

參考文獻：

[1]仲繼彬，王路，束海燕，等.海洋工程鋼結構管壓制預彎數學模型分析[J].機械制造，2018，56（12）：81-84.

[2]楊艷華，柳浩.調質工藝對EH36船板鋼組織和力學性能的影響[J].熱加工工藝，2016，45（12）：213-215+218.

[3]梁國俐.EH36船板鋼埋弧焊接頭的組織和力學性能[J].機械工程材料，2016，40（01）：28-31.

[4]Burak Can Cerik，Byoungjae Park，Sung-Ju Park，Joonmo Choung. Modeling， testing and calibration of ductile crack formation in grade DH36 ship plates[J]. Marine Structures，2019，66.

[5]Gatani， M. Argüello， R. Sesín， S. Effect of chemical treatments on the mechanical properties of peanut shell and cement blends[J]. Materiales de Construccion， 2010，60（298）.

[6]B. Bertoncelj， K. Vojisavljevic， J. Rihtarsic et al.. A Voronoi-diagram analysis of the microstructures in bulk-molding compounds and its correlation with the mechanical properties[J]. EXPRESS Polymer Letters， 2016，10（6）.

[7]Jia-Bao Yan， Jian Xie. Experimental studies on mechanical properties of steel reinforcements under cryogenic temperatures[J]. Construction and Building Materials， 2017，151.

[8]王丹陽.復合鋼板延展性在實際生產中的應用[A].中國機械工程學會.第六屆全國壓力容器學術會議壓力容器先進技術精選集[C].中國機械工程學會：中國機械工程學會，2005：4.

[9]紀浩然.大型復雜結構焊接變形熱彈塑性有限元分析[J].中國金屬通報，2019（03）：136+138.

[10]郇學東.海工高強鋼激光-電弧復合焊數值模擬研究[D].東南大學，2017.

[11]蘆曉輝，高珊，張才毅.我國船舶與海工用特種鋼材的發展[J].金屬加工（熱加工），2015（06）：8-11.

[12]張翔，徐秀清，馬飛.國內外海洋工程用高強鋼研究進展[J].石油儀器，2015，1（01）：9-11.

[13]譚安全，林虹兆，劉元丹.滾裝貨船薄板焊接變形及對策分析[J].機械制造文摘（焊接分冊），2019（02）：29-33.

[14]孫有輝，曹軍，李凡，等.海洋石油平臺制管焊接新工藝的開發與評價[J].中國海上油氣，2009，21（2）：142-144.

[15]蔣平.工程力學基礎（Ⅰ）：理論力學（2版）[M].北京：高等教育出版社，2008.

[16]SY/T 10002-2000.結構鋼管制造規范[S].