1、西安石油大学本科毕业设计（论文）IX100 直缝埋弧焊管焊接残余应力测试分析摘 要： X100 直缝埋弧焊管属于管道钢的新技术产品，通过研究其残余应力，从而可以提高其使用效率及寿命，使管道建设降低成本和损失，获得更好的经济效益。文中采用了盲孔法进行对 X100 直缝埋弧焊管焊接残余应力的测试分析，通过对实验数据及其平面图形的分析，从而了解其焊缝接头周围的轴向残余应力和周向残余应力的数值及分布情况，判断其分布规律。通过实验分析，得知 X100 直缝埋弧焊管的内表面及其外表面的焊缝接头周围的轴向残余应力和周向残余应力的峰值，并通过分析得出其分布曲线，明了其分布规律。关键词：残余应力；盲孔法；轴向；
2、周向西安石油大学本科毕业设计（论文）IIThe X100 straight seam submerged arc welded pipe welding residual stress test analysis Abstract:X100 LSAW belonging to new technology products of steel pipes.Through the study of residual stresses,could improve its efficiency and lifetime,make pipeline construction to reduce cost
3、s and losses,obtain better economic.This paper uses a blind hole method for X100 LSAW pipe welding residual stress test analysis,Of experimental data and analysis of shapes,To understand the weld joints around the axial and circumferential residual stress value and the residual stress distribution,t
4、o determine its distribution.Through experimental analysis,Learning X100LSAW pipeinner surfaceandan outer surfaceof theweld jointaround theaxial residualstressand circumferentialresidual stresspeak,By analyzing theresultsof itsdistribution curve,acknowledges itsdistribution.Key words: Residual stres
5、s;Blind - Hole Method; Axial ;Circumferential西安石油大学本科毕业设计（论文）III目 录1 绪 论 .11.1 研究背景及意义 .11.2 X100 直缝埋弧焊管 .21.2.1 高钢级管线钢发展应用概况 .21.2.2 X100 级管线钢力学性能 .31.2.3 X100 直缝埋弧焊管焊接工艺 .41.2.4 X100 管线钢的焊接性分析 .41.2.5 X100 级管线钢相关技术问题 .52 焊接残余应力简介 .72.1 焊接残余应力概述 .72.2 焊接残余应力的产生原因 .72.3 残余应力的影响 .92.4 消除残余应力的方法 .102.
6、5 残余应力的测量方法 .112.5.1 传统的残余应力测量方法 .112.5.2 新型的残余应力测量方法 .132.5.3 残余应力测量的发展趋势分析 .143 残余应力测试实验 .163.1 实验方案 .163.2 盲孔法测定残余应力 .183.2.1 实验装置及材料 .183.2.2 盲孔法测残余应力的原理 .184 实验数据整理及结果分析 .224.1 实验数据整理 .224.2 实验结果分析 .223.3 实验误差分析 .255 总结 .26参考文献 .27致 谢 .28西安石油大学本科毕业设计（论文）01 绪 论对于焊接构件中残余应力的问题已经被得到广泛的关注，并取得了丰硕的研究成
7、果。本文所研究的是 X100 埋弧焊管焊接残余应力测试分析。本章首先从 X100 埋弧焊管的发展与应用、力学性能研究、焊接工艺等方面对 X100 埋弧焊管进行了综述。接着从残余应力的研究状况、测试方法等方面对残余应力加以了叙述。文章最后，讲述了研究本课题的目的及所研究的具体内容。1.1 研究背景及意义随着天然气的需求在全球范围内持续增长, 天然气供应以及现有输送系统使得天然气市场呈现供不应求的现状, 如何实现经济有效的天然气长距离输送已成为现今全球经济大环境中的重要一环。为了提高其输送效率、降低铺设管线费用, 高钢级管线钢将成为今后长距离输气管线铺设的主要用钢。残余应力水平是焊管质量的重要指标
8、，较高的残余应力会导致管线工作能力严重下降，高值拉伸残余应力会削弱其承压能力，应力集中处易产生应力腐蚀,成为管线安全的重大隐患。影响油气管线的使用安全，其对结构刚度、受压杆件的稳定性、静载强度、疲惫强度、焊件加工精度和尺寸稳定性均有影响。因此，对焊管中残余应力的产生原因及其分布特征进行分析，采取措施降低残余应力，以提高焊管质量。油气输送用钢管主要为直缝焊管、螺旋缝焊管( ) ,直缝焊管包括 焊HSAWUOE管和 焊管。随着技术的进步油气输送压力、管径、壁厚都有所提高，在西气JCOE东输线中焊管直径已经达到1016mm,螺旋焊管用量125. 4810 4t，直缝焊管89.13104t，其二线直径
9、更达到了1219mm，焊管总量 200104t。在制管过程中板材都要经过弯曲成型、焊接、水压、弯管、防腐等工艺过程，这些工艺过程造成的残余应力关系到焊管的服役寿命，不可避免地将使焊管内残留有不同程度的残余应力。指出，焊管的残余应力与其成型工艺关系重大，一般直缝焊管的残余应力水平低、分布均匀，螺旋焊管的残余应力水平高，且分布均匀性差。残余应力与管线的输送压力叠加后，会导致管线内局部的应力值过高，并对焊管的承载能力变形能力耐腐蚀性能疲劳断裂等产生重要影响。由于残余应力对管线运行安全、对焊管的疲劳、腐蚀、稳定性、承压能力都有重要影响，掌握焊管中残余应力的水平及分布状况，进而分析残余应力产生原因及调控
10、措施是非常必要的，也是当前急需解决的工程实际问题。 本文通过实验研究对 X90 直缝埋弧焊管中的焊接残余应力进行分析检测，为各种工况中选材和设计提供依据，对于改善直缝埋弧焊管使用性能提出了指导方向，对于油气管线标准的制定和改进都具有一定意义。西安石油大学本科毕业设计（论文）11.2 X100 直缝埋弧焊管直缝埋弧焊管属于管线钢的一种。管线输送石油天然气具有高效、经济、安全、无污染等特点，是长距离输送油气的有效工具。为提高输送效率、降低能耗、减少投资和降低管线运营费用，长输管线向高压、大口径发展已成趋势。这样采用高强度管线钢将更经济，同时由于管线途经的地理环境恶劣，对安全性要求高，需采用焊接方式
11、制管和施工，因而对管线用钢在强度、韧性、焊接性和抗腐蚀性等方面不断提出更高的严格要求。直缝埋弧焊管生产技术出现于 20 世纪 50 年代，并在随后的 20 年中得到大力发展，逐渐成熟。因其安全可靠性高，输送压力大等技术优势，在国外长期被作为长输油气管线的主要管型使用。90 年代以后，随着我国能源经济的蓬勃发展，油气输送技术向着更高的层次迈进，工程用管的要求逐渐提高，国内也开始了对直缝埋弧焊管生产线的研究工作，国内首条直缝埋弧焊管生产线已于 2002 正式运行投产。目前我国已经拥有华北、沙市、番禺等数条成熟的直缝埋弧焊管生产线，为国内近年管线建设工程提供了大量优质焊管。对于长输管线中直缝埋弧焊管
12、和螺旋埋弧焊管的选用，其他国家一直存在着截然相反的意见：美国、日本总体上是否定螺旋埋弧焊管的，认为主干线不宜使用。美国本土近二十年建造的油气输送主干线，几乎 100%使用直缝埋弧焊管；俄罗斯总体上是肯定螺旋埋弧焊管的；德国、意大利有两派不同的意见；在加拿大，螺旋埋弧焊管与直缝埋弧焊管完全处于同等地位，但主干线实际使用量，螺旋埋弧焊管占 70%左右。1.2.1 高钢级管线钢发展应用概况（1）国外情况对于 X100 级管线钢，目前国外几大钢管生产厂家均采用低碳高锰的纯净钢，结合微钛处理，在炼钢和轧钢工艺过程中通过 Nb,Mo，B 和 Ni 等合金元素的固溶强化、沉淀强化、细晶强化等作用，得到具备高
13、强度高韧性以及良好焊接性的管线钢。各厂家在生产时都十分注意 X100 级管线钢化学成分的准确控制、非再结晶区的总压下量、终冷温度以及贝氏体+ 马氏体组织的控制。日本钢铁公司 NSC ( Nippon Steel Corporation) 早在 1985 年就开始了 X100 级管线钢的研究。英国 BP 公司 9 年前开始与钢铁和制管企业合作，开发了非酸性天然气输送管道用 X100 级管线钢管，进行了冶金理化性能评价、焊接性评估以及钢管现场弯曲试验，并进行了多次全尺寸爆破试验以确定 X100 级管材对钢管长程开裂的止裂能力。1998 年起至今,加拿大管道公司 TCPL(Trans Canada
14、Pipelines Limited) 一直进行着 X100 级管线钢的开发应用等研究工作。Europipe 从 1995 年起，已有小尺寸产品问世，其管壁厚度范 围在 12. 7 25. 4 mm 之间，管径在 914. 4 西安石油大学本科毕业设计（论文）2mm 1 422. 4 mm 之间。为解决 X100 级管线钢的现场焊接性问题，意大利 SNAM 公司在对 Europipe 生产的 X100 级钢管进行了多种焊接工艺试验后得出，只要采取适当的措施，X100 级钢管现场焊接的焊缝强度和韧性可获得满意的结果 1。（2）国内情况X100 性能要求高,生产难度大，代表着管线钢的世界最高水平。开
15、发高等级管线钢是目前钢铁行业一个热点研究问题之一。国内能生产符合 API5L 标准的管线工程设计要求的管线钢仅有 10 多年的历史，首推宝钢，还有鞍钢、武钢、太钢、马钢、舞钢等，稳定生产 X60X70 级管线钢并在国际市场上占有一定的地位，目前已投入生产的 X80 级管线钢质量也达到了国际先进水平 2。我国对高钢级 X100 管线钢的研究经历了以下几个里程碑：（1）2006 年 7 月，鞍钢成功研制开发的 X100 管线钢宽厚板，成为国内首家掌握这种高钢级管线钢技术并具备生产能力的钢铁企业。（2）2007 年 8 月,武钢开发成功 X100 板卷，填补了该领域的空白。另外，南钢、舞钢等也在高钢
16、级管线钢的研发方面取得了很大进展，并相继研发成功 X100 管线钢。1.2.2 X100 级管线钢力学性能整体测试包括耐破度试验、纯弯曲测试、坍压测试、外压弯曲测试、环扩测试以及裂纹的扩展测试等。（1）X100 级管线钢的抗破能力大多数管线所承受的载荷来自于内部压力，许多管线设计指标中允许管道在压力作用下轴向应力达到指 定最小屈服强度( specified minimum yieldstrength，简称 SMYS) 的 80%。采用水压爆破试验对 X100 级钢管的变形能力进行研究，试验结果表明，平均周向断后伸长率随着管材抗拉强度增大而降低，强度最高的 X100 级管线钢起裂于热影响区，而其
17、它几组试验裂纹位于母材。由此可见，裂纹起裂点位置是决定高强度管线钢总伸长率大小的重要因素 3。研究表明，焊缝、母材的强度配合以及冷裂纹敏感指数值是控制热影响区软化的重要指标。当焊缝、母材强度配合不足时，应变集中于热影响区，故应控制母材抗拉强度低于 800 MPa 以维持 X100 级管线钢焊缝与母材的强度配合，且焊材也应有强度上限和足够的韧度。另外，还应限制冷裂纹敏感指数在较窄范围内。可见，可调整的因素范围十分有限。不过，已经证明 X100 级钢管强度可满足 0. 8 倍 SMYS 水平下高压输送。（2）止裂性能输气管线用钢的动态延性裂纹扩展( dynamic ductile fracture
18、s，简称 DDF) 现象发现于 20 世纪 60 年代末 70 年代初，但那时的断裂理论研究尚未深入，因此当时利用增压管道全尺寸试验结果来确定如何控制 DDF。这些试验通常需要对几百英尺长西安石油大学本科毕业设计（论文）3的管段进行测试，但试验结果容易受到土壤和填料、被测钢材的性能和钢种、钢材韧性表示方法、增压介质以及壁厚等因素的影响。防止高压天然气管线系统延性断裂是 X100 级管线钢止裂问题的一个重要研究方向，其全尺寸裂纹扩展试验是在较高压力下进行的。Battelle 研究所在这方面的研究成果令人瞩目，所提出的 Battelle 简化方程计入了大量全尺寸试验结果，可用于 DDF 止裂韧性(
19、夏比冲击功) 预测，并被一些管线建设项目采用。但因该方程是基于 X80 钢级以下管线钢的基本数据获得的，只适用单相气体输送、冲击韧度在 100 J 以下的情况。随着材料强度和韧度的提高，该方程的预测准确性明显不足。为预测高钢级管线钢 DDF 止裂能力，可采用Battelle 双曲线方法，但对韧性较好的材料，该方法对裂纹扩展速率的低估程度非常大，需对 Battelle 裂纹速率扩展方程重新进行修正。由新日铁公司组织建立的高强度管线钢研究委员会( JISI) 从 7 个全尺寸爆破试验结果出发，提出了高强度管线( high strength line pipe，简称 HLP) 方法。这种方法采用落锤
20、撕裂试验 DWTT 吸收能表示钢材韧性( 传统采用 CVN 能量表示止裂韧性) ，并能根据气体组成，精确计算气体减压波曲线，应用于 Battelle 双曲线方法中从而计算出裂纹扩展距离和速度。但对于 X100 级管线钢，此方法预测的裂纹扩展速度和裂纹长度值普遍偏高，需要对 Battelle 初始止裂压力方程进行修正 4。大量试验结果得出，对 X100 级管线钢进行全尺寸裂纹扩展测试时采用各处均一的韧性分布方式更为合理，应优先使用全裂纹扩展长度作为判据。1.2.3 X100 直缝埋弧焊管焊接工艺板材经成型工艺压制成型后将进行焊接，焊接是直缝埋弧焊管制造中最重要的环节，焊缝及热影响区质量不但决定成
21、品直缝埋弧焊管的力学性能，更关系到管线服役过程中的安全性，焊接工艺的水平直接决定焊管品质的优劣。直缝埋弧焊管的焊接工艺由三个紧密相连的工序构成：预焊，内焊和外焊 5。预焊：预焊是直缝埋弧焊管焊接工艺中承前启后的重要组成部分：将带有开口缝的成型管坯合缝后沿全长进行焊接，其作用主要为“定位”和“打底” 。内焊与外焊：内外焊是直缝埋弧焊管焊接工艺的主体，也是最为重要的环节，焊缝及热影响区的组织性能是衡量焊管质量的首要标准。1.2.4 X100 管线钢的焊接性分析 碳当量表示碳及合金元素对焊后开裂趋势的影响，通常碳当量越大，强度增加，此时越容易出现焊接裂纹，因此需要对碳当量进行适当的控制。与其他强度级
22、别较低的管线钢相比，X 100 级管线钢的碳当量处于较高水平，目前 TM CP 工艺允许的碳当量的合适范围大约在 0. 40-0. 52 之间 6。X 100 级钢管直缝焊接时，若能在低含碳量条件下保证较高的碳当量就可以降低热影响区软化，获得良好的焊接性能。环缝的焊接性直接影响着管线的安全运行，西安石油大学本科毕业设计（论文）4但 X 100 级钢管环缝焊接总的说来未出现严重问题，焊缝金属强度和低温韧性结果都比较令人满意。环缝焊接时，焊接方法可采用焊条电弧焊(SMA)和熔化极气体保护焊(GMAW)，焊材选择要尽量满足焊缝强度与母材强度达到过匹配。因管线钢环缝焊接多采用纤维素焊条配合焊条电弧焊，
23、易产生脆硬低温转变产物，冷裂敏感性大大增加，因此有必要对 X 100 级管线钢的冷裂敏感性进行研究。铁研试验结果表明，GMAT 焊缝较少出现缺陷，具有令人满意的强韧性，因而更加适合高压大管径长距离输气管道的现场焊接。焊缝要获得良好的性能，必须采用合适的焊接工艺参数。热输入过小时，焊缝出现脆硬第二相组织，强度、硬度有所提高，但韧性大大下降;热输入过大，则组织过于粗大，韧性也会下降。同样，预热温度和层间温度过高或过低时，都会破坏韧性。通常自动焊热输入不超过 1. 0 kJ/ mm，焊条电弧焊热输入大小不超过 1. 5 kJ/ mm。试验确定的 X 100 级管线钢环缝焊接用预热温度和层间温度最低为
24、 100 0C，常用预热温度范围约在 100 一 120之间，但实际焊接时为保证所有焊道温度均在 100以上，应适当提高预热温度 7，常规焊接工艺接参数见下表 1-1：热输入/（kj.mm-1）焊接方法 预热温度Ta/层间温度Ta/根焊道 热焊道 填充焊道 盖面焊道熔化极气体保护焊 100 100-250 0.60 0.70-0.75 0.75 0.80-1.0焊条电弧焊 100 100-250 1.0 1.0 1.5 1.0表 1-1 常规焊接工艺接参数研究表明，X100 级管线钢焊接性良好，含碳量、碳当量以及冷速适中并配以合适的焊接规程时，焊接接头可获得良好的力学性能。GMAW 焊缝强度相
25、对 SMAW 焊缝要高些，基本能满足与母材强度的过匹配。环焊缝韧性较高，随着温度下降焊缝金属韧性( 冲击韧性和 CTOD 值) 呈下降变化。此外 ,CTOD 值随着下屈服强度的增加明显下降。GMAW 焊缝热影响区一般不会出现软化，薄壁管 SMAW 焊缝热影响区会出现轻微软化，但软化程度不大。1.2.5 X100 级管线钢相关技术问题根据国内外有关 X100 级管线钢已有的技术数据及资料分析后发现 ,X100 级管线钢投入实际使用之前还存在一些技术问题尚待解决。（1）下屈服强度的确定下屈服强度的测定可采用圆棒试样或扁平试样。但扁平试样所得结果通常低于圆棒试样，其扩径测定法耗费较大，不太适合高强度
26、管屈服应力的评估。而圆棒试西安石油大学本科毕业设计（论文）5样可避开包辛格效应，适于 X100 级管线钢性能试验，但应注意试样尺寸不应太小。鉴于下屈服强度、抗拉强度在 X100 管线设计中的重要性，钢管生产厂和用户应对评价程序进行讨论并达成协议。（2）焊接接头强度及现场焊接性X100 级管线钢应能满足焊接性、防止热影响区软化和焊缝金属性能三项主要性能标准。软化和过匹配问题是接头焊缝强度的控制因素。环缝焊接问题是 X100 级管线钢焊接的主要问题，焊材选择应能满足焊缝、母材强度过匹配，力求获得良好的韧性水平。为避免焊缝中产生过大残余应力，得到合适的熔深和良好焊接性，打底焊缝应选用低氢纤维素焊条;
27、 填充焊道和盖面焊道的焊材选择应满足焊缝与母材强度等匹配或轻微过匹配，药皮类型为低氢型(每 100g 熔敷金属中扩散氢含量小于 5 mL) 。但 X100 级管线钢的焊缝强度并非总是高于母材，且断裂也不总发生在母材中，焊缝与母材很难保证过匹配。对低碳 X100 级管线钢，为提高韧性应控制冷裂纹敏感指数在较低水平以保证 DDF 的止裂。（3）屈强比和塑性变形X100 级管线钢的屈强比较高，可能超过 API 要求的 0. 93。采用 TMCP 工艺不进行热处理就可生产出高强度钢板材，尽管高屈强比难以避免，该生产工艺仍适用高强管线钢板材的大规模生产。在满足经济性和生产适应性的条件下，生产商应能批量生
28、产出屈强比较低的高强度钢。此外，对涉及钢管塑性变形的任何工艺( 如现场冷弯和现场水压试验超过 100% SMYS) ，需确定标准和规程是否需要修订。（4）DDF 止裂研究及薄壁管的应用高压输送天然气时采用薄壁大口径 X100 级钢管，可大大提高输送效率，减少使用钢材、降低管道建设费用。而大口径薄壁管需具备较高的止裂韧性以防止 DDF发生，就目前 X100 级钢管韧性水平而言，需要对不带止裂器的大口径薄壁管的管径和壁厚上限进行限制，并通过全尺寸爆破试验确定止裂韧性。此外，在 X100 管线建设前，需对止裂装置进行经济性评估。西安石油大学本科毕业设计（论文）62 焊接残余应力简介 2.1 焊接残余
29、应力概述焊件在焊接过程中，热应力、相变应力、加工应力等超过屈服极限（Yield strength） ，以致冷却后焊件中留有未能消除的应力。 这样，焊接冷却后的残余在焊件中的宏观应力称为残余焊接应力。焊接过程的不均匀温度场以及由它引起的局部塑性变形和比容不同的组织是产生焊接应力和变形的根本原因。焊接残余应力，是焊接工程研究领域的重点问题。涉及焊接的各种工程应用中，都十分关注残余应力的影响。例如，在土木工程领域，对于钢结构焊接连接，残余应力对结构的疲劳性能，稳定承载力等均有影响。2.2 焊接残余应力的产生原因直缝埋弧焊管采用 JCOE 钢管成型，一条焊缝，埋弧焊接工艺，规格范围从325mm-142
30、0mm。当直缝埋弧焊管直径大于 914.4 时标准规定允许钢管有两条直焊缝。直缝埋弧焊管产品执行 GB/T3091-2008 的低压流体钢管标准、GB/T9711.1（2）-1997 石油天燃气管道执行标准、 ASTM A252 焊接结构钢管美国执行标准。直缝埋弧焊管的生产工艺灵活可生产范围内的任何规格与壁厚，生产效率较高频直缝焊钢管、螺旋焊钢管要低。直缝埋弧焊管最大优势就在于可以生产高频钢管、螺旋钢管、甚至无缝钢管都不能生产的规格型号。直缝埋弧焊管生产成本比高频钢管、螺旋钢管要高，但比起无缝钢管价格优惠空间很大。直缝埋弧焊管可以生产高频钢管以及螺旋钢管不能生产的材质，比如高频钢管通常是生产国
31、内常用规格，并批量生产库存，通常材质为 Q235B、Q345B、其他较硬钢板材质高频设备和螺旋设备目前国内还不能生产。直缝埋弧焊管在国内的重型钢结构工程和流体管道工程，基础打桩工程中得到广范应用。李志华，郭振其等人介绍了残余应力的产生原因 8。在文献泰纳线钢管采用 JCOE 成型方式、双面直缝埋弧焊工艺生产，因此，其残余应力主要产生于板材成型与焊接两个工艺过程中。JCOE 成型方式如图 2-1 所示，是在 JCO 成型机上首先将钢板的一半经过多次步进冲压，压成 J 形；再将钢板的另一半压成 C 形；最后形成开口的 O 形。E 表示机械扩径（expand） 。图 2-2 所示为钢管成型现场。在钢板步进式成型过程中，每步塑性变形均产生一定程度的残余应力；在 O 成型合缝和随后的焊接过程中，管体内残余应力进一步加大，钢管扩径对其残余应力有一定程度的改善。
