盲孔法在弯管上的应用

第２３卷第３期　江　汉　石　油　科　技　Ｖ０１．２３　Ｎｏ．３　Ｓｅｐ．２０１３　２０１３生９Ｐ］　ＪＩＡＮＧＨＡＮ　ＰＥＴＲＯＬＥＵＭ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＴＥＣＨＮＣＩＩＤＧＹ　盲孔法在弯管上的应用　曾德胜，董　军，马有军　（中国石化江汉石理局沙市钢管厂技术中心，湖北荆州４３４００１）　摘要：弯管是采用直缝埋弧焊接钢管切断为４ｍ左右的管段，采用机械弯曲和加热的方法，将铜管弯　曲成３０～９０。的用户所需的成品管。在加工弯管时，在弯曲装置上对中间部分进行弯曲，并进行高频感应加　热以保证金属变形塑性足够。因担心弯曲时变形应力太大引起问题，以及在弯曲完成回火后焊接残余应力有　多大，会影响用户的使用，运用了盲孔法测量残余应力的理论，针对制作弯管过程中存在的问题，对弯管多　处用盲孔法测量钢管外表面的残余应力。分析认为在弯管中部，应力分布不足以导致开裂，应该是塑性变形　过快造成。回火温度应设定合适。不影响力学性能。　关键词：弯管；盲孔法；残余应力　沙市钢管厂弯管厂在生产（１）５０８×１２．７　Ｘ６５直缝　授对其进行了研究测试。弯管参数见表１。　１．２盲孔法测量残余应力的理论　弯管时，为制定合适的回火工艺，希望了解弯管回　火后的残余应力分布情况，故委托沙市钢管厂进行　残余应力分析，钢管厂则结合华中科技大学材料科　学与工程学院对提供的样品弯管采用盲孔法进行了　残余应力测试，加深了对盲孔测试方法的了解。　残余应力测试技术的研究始于２Ｏ世纪３０年代，　发展至今已形成多种测量方法。大致分为两类：机　械测量方法和物理测量方法。机械测量方法包括：　盲孔法、切环法、切块法等。物理测量方法包括：　ｘ射线法、磁测法、超声波法等。近来发展起来的　数值模拟方法如有限元法则是对实际测量的有益补　充…。　１背景介绍　１．１　弯管参数　弯管是采用直缝埋弧焊接钢管切断为４ｍ左右的　管段，采用机械弯曲和加热的方法，将钢管弯曲成　３０～９０。的用户所需的成品管。其主要参数是管径　小孑Ｌ释放法是Ｊ．Ｍａｔｈａｒ－Ｔ￣１　９３４年提出来的。／Ｊ，：ｆＬ　可分为通孔、盲孔，一般采用深盲孔法。盲孔法是　通过钻削一　２ｍｍ左右的小孔，使得小孔周围的应　变释放，利用应变片记录应变，根据该应变计算残　余应力。盲孔法对构件的破坏小，在各行各业得到　Ｄ、壁厚ｔ、管长Ｌ、弯曲半径Ｒ和弯曲角度ａ。见图　１。　但在弯曲后，外观尺寸变成长度Ｌ’，宽度Ｂ，　表１弯管参数表　高度Ｄ。在弯曲部位，外侧为凸处，内侧为凹处。　在加工弯管时，在弯曲装置上对中间部分进行　弯曲，并进行高频感应加热以保证金属变形塑性足　够。在生产中，２０１１年３月份发现凸面存在开裂现　象。当担心弯曲时变形应力太大引起问题，以及在　弯曲完成回火后焊接残余应力有多大，会不会影响　用户的使用，所以弯管厂委托对焊接残余应力进行　检测，并提供３种弯管，材质均为同一炉批。钢管　厂配合华中科技大学材料科学与工程学院刘顺洪教　第一作者简介：曾德胜，男，１９９３年毕业于华中理　工大学，焊接高级工程师，主要从事螺旋、直缝埋弧焊　管焊接工艺工作。　第３期　曾德胜等：盲孔法在弯管上的应用　・５９・　ｌ　　ｉ蜘　　！　Ｊ　ｉ　Ｉ　；＠ＩＥＩｙ，｛　图１弯管参数图　２　ｙ　图３测试用０。，４５。，９０。应变花　这样得到是某点（Ｒ，０）处的径向应力盯”和　理论弹性力学已经研究过，在无限大平板上受　周向应力　”．。　已知单向应力时，板中带小孔的应力场分布为　当我们考虑在一个弹性、均质和连续的无限大　Ｋｉｒｓｃｈ￣。对图２中受平面应力的钻通孔无限大平　平板上施加原始应力（１３＂１，盯２），并在距离圆心　板，受到已知应力（盯１，　２）时，得到的通孔的　Ｒ的位置粘贴一个尺寸为ｂ＊ｃ的应变片后，在板中心　钻通孔直径２ｒ。此时，应变片上会因为钻孔后应力　半（１一　…　的释放而得到应变数据￡。要得到原来的圆心受力　的三个参数（仃１，ｏ　２，ｐ），需要建立相应方程式　来求解。　（　＋等一等］ｃｏｓ（２。　在未钻孔前的平板上的某点（Ｒ，０）的应力为　＿５】．　径向应力：（公式３）　＝　（・＋　］一　２　盛：　ｌ　）　）　半（　＋等］ｃ０ｓ（２。　一　・６０・　江　汉　石　设径向应力和周向应力值的变化分别为ｏｒ’ｒ和　ｒｏ０原始应力值为ｏｒ　和ｏｒ．，则：　’”’’”’ｒ　ｒ一　ｒ　ｉ　ｉ－　ｌ　根据广义虎克定律：　．　１　，　．　．、　￡ｒ　【６　ｒ一　６　ｆ）　（公式５）　丘　，厶　工　ｊ，　实际操作中，采用电阻应变片来进行应变测　量，选择应变花形式见图３。由于电阻片具有一定　长度（Ｌ＝Ｒ　－Ｒ，），若直接用于计算，当电阻片标距　大时，可能出现较大误差。为此用平均应变（线应　变）８＿来代替点应变￡　，平均应变可通过积分得　到：Ｙ．ｉ＝　￡，　ｄ—ｒ（（公式６）　６）　将各相关数据代人公式５中进行计算，并令：　ｒ　（１＋　）　２ＥＲ。Ｒ２　（公式７）　口：一　±　ｒ　兰　：　一　２　Ｅ　（１＋　）尺　，　（　ｌ２＋Ｒ　１　Ｒ　２＋ＪＲ　）　４　（公式８）　Ｒ　Ｒ　这样得到最终计算公式为：　￡ｆ＝Ａ　ｌ＋ｏ２）＋　一６，）ｃｏｓ（　）　（公式９）　也就是说，只要能用应变片同时测量圆周上　３个点的应变，得到３个公式联立求解就可以得到　３个未知量的解。　由于在很多情况下，应力并不沿孔深方向均匀　分布，为精确测量表面残余应力，需要钻盲孔来进　行测量，即钻孑Ｌ深度ｈ＝ｌ：１．２×（Ｚｒ）时，可得到稳定　的应变和较为准确的应力计算结果。那么在这种情　况下，Ａ、Ｂ值无法做理论计算，只能通过同材质条　件的试件测量得到。船舶行业标准《ＣＢ　３３９５—１９９２　残余应力测试方法》规定了测试的具体方法　。在　正确操作时，测量残余应力的误差在５％以内。　１．３设备和工艺准备　根据钢管的实际情况，具体布置应变片的情况　见图４。　使用郑州机械研究所生产的ＺＤＬ—ＩＩ型测残余应　力钻孔装置，ＹＪ一２６型静态电阻应变仪，以及黄岩　油　科　技　第２３巷　测试仪器厂的ＢＸ１２０型电阻应变计进行测量。规定　钻孔直径为１．５ｒａｍ，深度为１．５ｍｍ，应变片中心处半　径Ｒ＝３ｍｍ。根据上述规定，测量得到的Ａ＝一　０．０５８２ｕ￡／ＭＰａ，Ｂ＝　０．１２１　Ｕ　８／￣，Ｉ＇Ｐａ。　根据弯管的实际情况，在弯管中间凸凹处一　周，和管端一周各取８个点进行测试，具体取点见　图５。　根据应变片布置情况，可测量得到应变ｅ　１、　￡２、￡３，其对应角度０＝０—１３、４５—１３、９０一Ｂ。　将相关数据代人公式８，联立求解得到原始应力公　式如下：　￡　＋￡　＝—上——　一　，１　一，　兰　　＼（公式ｌ…　　ｏ）　√（２￡　－￡Ｊ　）　＋（８１－－８　３）　：兰！±　＋　４　（公式¨）　ｐ＝　等　）　公式　如果要求得ｘ轴和Ｙ轴上的应力，再次按照公式　３和４求解即可。当然也可以按照文献３的计算方法　来求解。　工作照片见图６。　２试验数据及分析　２．１　试验数据　测量得到的应力分布见图７～１０。　２．２试验数据分析　分析数据认为，在弯管中部，主要受到拉应力　作用。不回火弯管的轴向拉应力在外凸附近达到最　大值２４３ＭＰａ，周向拉应力在内凹附近达到最大值　４３０ＭＰａ。该Ｘ６５材料的屈服强度为５４５ＭＰａ，原始拉　应力最大达到屈服强度的７９％，显然会大大降低钢　管的使用寿命。　另外，在回火温度的影响上，一般认为，回火　温度越高，残余应力会越小。回火温度为３５０。Ｃ　时，中部周向残余应力平均降低约４８％；回火温度　江　汉　石　油　科　技　第２３卷　管起到良好的技术指导作用。　３结论　（１）通过理论分析，采用盲孔法可对弯管表　面残余应力进行准确测量。　（２）回火温度越高，弯管周向残余应力越　图１　１弯管爆破部位　小。但综合考虑选择力学性能的影响，采用３５０。　ｃ回火温度较好。　参考文献　为５００。ｃ时，中部残余应力平均降低约６５％。但当　进行水压爆破试验时，爆破部位往往是端部的未弯　曲部位，见图１１。分析实验数据后我们认为，端部　屈服强度、抗拉强度下降较大，导致管壁提前塑性　变形而开裂。而未回火钢管在端部爆破则是由于中　部弯曲管段因为加工硬化强度提高，端部直管段抗　拉强度不如中部而首先断裂造成。总的来说，回火　温度应不影响弯管的屈服强度和抗拉强度为宜。那　…王恒祥，石荷王泽光，等．焊管残余应力及其测试『Ｊｌ河南化　工，２０１ｏ，２７（２１：３５—３６．　【２】陆才善碱余应力测试—小孔释放法［Ｍ】．西安：西安交通　大学出版社，１９９１．　［３］ＣＢ　３３９５—１９９２残余应力测试方＇『去【ｓ］．　【４】熊庆人，李霄，霍春勇，等．三种高钢级大直径焊管残余应力　分布规律研究［Ｊ】．焊管，２０１１．３４（３）：１２—１７．　么上述钢管当结合其力学性能来综合分析，应该选　择回火温度３５０。ｃ较好。　杨雨蛀曹桂荣，阮中燕，等．金属塑性成形力学原理【ＭＨＥ　京：北京工业大学出版社，１９９９．　总的来说，使用盲孔法测量残余应力对生产弯　（编辑胡素梅）　（上接第５７页）　（６）液面差压探头外露式改为翻斗容器内部　植入式，达到防冻、防凝效果。　随着油田不断深入开发，油层采出液的气油比　下降是造成翻斗量油容器内部的翻斗被淹的主要原　因，翻斗被淹现象的频数在逐步增高。做好翻斗量　油设备、和翻斗防淹工艺的改进和技术创新是我们　今后计量工作的重点。　（编辑李智勇）　（７）液面测量方式可以改用超声波雷达探头　进行液面测量。　（８）离心泵出口安装单流阀以防离心泵停泵　时出口管线内部液体倒流至翻斗容器。　４结论