焊管残余应力对钢管承压能力的影响分析

马家鑫郑福恩李记科

1.中国石油天然气集团公司 石油管工程技术研究院 （陕西 西安 710065）

2.中海石油(中国)有限公司 （天津 300451）

焊管残余应力对钢管承压能力的影响分析

马家鑫1郑福恩2李记科1

1.中国石油天然气集团公司 石油管工程技术研究院 （陕西 西安 710065）

2.中海石油(中国)有限公司 （天津 300451）

相对于残余应力对钢管疲劳、断裂和应力腐蚀等能力的影响研究，业界关于残余应力对钢管承压能力的影响研究仍定论不清。通过对残余应力对焊管屈服强度和应力-应变曲线的影响分析，研究了焊管残余应力对钢管承压能力的影响。残余应力是内部平衡的力，随着载荷压力的不断增加，高应力区则先达到屈服区而进入塑性状态。随后新增加的载荷压力由未达到屈服点的弹性区承担，钢管的塑性区不断扩大，直到全截面压力达到屈服点。钢管的承载力与没有残余应力时的承载能力基本相同。

焊管 成型 残余应力 承压能力

残余应力是当物体去除外部载荷后，在物体内部存在且保持平衡的应力，是内应力的一种。在进行各种材料加工工艺时，如铸造、压力加工、焊接、热处理、机加工等都会使工件出现不同程度的残余应力[1]。油气输送焊管是由热轧卷板或钢板经过成型、焊接和定径等过程制成，在经历弹塑性变形和焊接过程后，油气输送焊管内不可避免地会存在残余应力，其中以螺旋缝埋弧焊管最为显著。在焊管服役过程中，残余应力与工作应力相互迭加，使焊管的实际受力情况变得复杂，对焊管的承压、疲劳、断裂和抗应力腐蚀等能力产生影响。因此，随着市场对焊管要求的不断提高，降低和控制焊管的残余应力是生产厂家提高焊管质量的一个重要方向[2]。

相对于残余应力对疲劳、断裂和抗应力腐蚀等能力的影响研究定论仍模糊不清[3-8]。基于上述背景,通过对残余应力对屈服强度和应力-应变曲线的影响分析，研究了焊管残余应力对钢管承压能力的影响。

1 焊管成型过程中的残余应力及产生原因

残余应力是指当物体没有外界作用时，在物体内部保持平衡的力[9]。从变形的角度看，残余应力的产生是由于金属内部组织发生了不均匀的体积变化，形成了不均匀的变形。从本质上讲，产生残余应力的原因可以归结为不均匀的塑性变形、不均匀的温度变化和不均匀的相变[10]。钢板在辊道内的变形是弹性变形和塑性变形的混合，当外力加载时，材料发生变形，卸载后弹性变形恢复，塑性变形保留，其中塑性变形部分，限制了与其相邻部分的变形恢复，因而出现了残余应力。钢板在焊接时，板料上产生局部高温的不均匀温度场，不均匀的温度场形成温度应力，并在焊接过程中随时间和温度而不断变化，即焊接应力，焊接应力较高的地方将先屈服而进入塑性变形，在冷却后将有残存于板料内的残余应力。

焊管的制造一般要经过拆卷、矫直、铣边、成型、焊接等主要工序以及探伤、平头、试压等一系列辅助工序。成型和焊接过程施加在板料上的应力在成型结束后难以全部释放，因此各种类型的焊管不可避免地存在残余应力[5]。焊管的残余应力主要包括成型过程中由于钢管壁厚方向不均匀塑性变形引起的残余应力以及焊接过程中的焊接残余应力。成型过程的残余应力与焊接残余应力迭加，使得焊管成型焊接后残留着较大的残余应力，且分布不均匀。

以某钢管厂生产的某规格的SSAW焊管为例，其周向残余应力分布如图1所示,其中周向外侧残余应力最大处已达到800MPa,超出了材料的抗拉强度。较大的残余应力数值会使得业主降低对于钢管性能的评价,尤其是对于焊管承压能力的评价。因此分析残余应力对钢管承压能力的影响势在必行。

2 残余应力对焊管承压能力影响

残余应力分为宏观应力和微观应力，对材料强度起直接影响的是组织上的微观应力[9]。宏观残余应力与微观残余应力相比，其影响就稍微不同，且为间接性的。而焊管中通过常用残余应力测试方法（盲孔法、切环法、切块法、X射线衍射法等）测得的残余应力多为宏观残余应力。宏观残余应力对焊管承压能力的影响可以从其对屈服强度和应力-应变曲线影响的角度分析。

2.1 残余应力对屈服极限的影响

图2为金属材料应力-应变曲线示意图。如果材料具有残余拉应力σt，则相当于提高了应力-应变曲线的坐标原点，而改为了σ0-ε0坐标。即相当于降低了材料的拉伸屈服极限，实际的拉伸屈服极限即为：σts=σs-σt，如果材料具有残余压应力，则相当于提高了压缩屈服极限：σ'ts=-（σs+σt），如同图中第三象限坐标σ'0-ε'0所描述。

从残余应力对屈服极限的影响上看，单个的残余拉应力会降低钢管承载能力。然而，残余应力是内部平衡的力，钢管的承载能力为静载荷，因此，残余应力对钢管承压能力的影响不能只考虑单个应力的作用。

2.2 残余应力对焊管承压能力的影响

图3所示为外载荷（内压）所造成的残余应力的变化和变形。由图3(a)可知，其壁厚方向残余应力分布为a1到b1区域为弹性区，a1到a2，b1到b2区域为塑性区，o到a2区域为残余拉应力区，o到b2区域为残余压应力区，残余拉应力和压应力分别在a1和b1（弹性区与塑性区交界处）达到最大。

将钢管材料看作理想弹塑性体，钢管承受内压载荷后，其应力应变曲线如图3(b)、3(c)所示。3(b)表示断面a的变形，3(c)表示断面b处的变形。所有情况下，图中的点0都表示载荷为零时的残余应力。3 (d)所示为整体上其外载荷（内压）与延伸率之间的关系。当加载到1点状态时，外侧断面a处达到屈服应力，首先屈服，加载到2点时，外侧断面a达到塑性状态，而内侧断面b处仍处于弹性状态。当加载到3点时，外断面a和内断面b都达到了塑性状态。因此整个钢管壁厚的整体变形应如图3(d)所示，1、2、3点的状态显示出如折线所示的变形曲线。若在这样的状态下去除载荷，残余应力就会减少乃至释放。当加载到3以后的状态时整个断面都达到了塑性状态，此时直到材料发生破坏断裂，其塑性变形与不具有残余应力的构件是一样的。残余应力对于塑性材料的影响只是在全断面达到塑性变形之前那一段变形中才存在。

综上所述，钢管承受的内压是静载荷，钢管在静载荷作用下，其截面上由内压产生的应力与残余应力相互迭加，使得钢管出现不均匀的应力分布。残余应力是自相平衡的内应力，钢管承压后的应力状态不能由单个残余应力与工作应力数值相加得来。工作应力会影响残余应力的分布，这种迭加是动态的，不是简单的数值相加。随着载荷压力的不断增加，高应力区则先达到屈服区而进入塑性状态。当载荷压力继续增加时，新增加的载荷压力由未达到屈服点的弹性区承担，随着载荷压力的不断增加，钢管的塑性区不断扩大，直到全截面压力达到屈服点。这时，钢管的承载力与没有残余应力时的承载能力基本相同。作为自相平衡的内应力，残余应力不影响钢管的极限承受能力。

3 焊管残余应力的控制措施

工业生产中，对于残余应力的控制主要是通过采取一定的工艺措施，消除一部分残余应力大小，或降低对使用性能不利的残余拉应力，或形成有益的残余压应力分布，即残余应力的调整[10]。主要有自然失效，回火热处理，振动时效（Vibration Stress Relief），施加静载，锤击、喷丸、滚压等、爆炸法等。结合焊管制造工艺特点，焊管残余应力的控制主要有以下方法：自然失效消除残余应力；整体高温回火；局部加热；机械拉伸法，即钢管的水压试验，水压试验目的是检验焊管质量，但另一方便也可以消除部分残余应力；焊管防腐处理时的喷砂除锈，在除锈的同时也消除了部分残余应力；此外，焊管制造企业采用内控成型使得焊管成形焊接后的残余应力以残余压应力为主，满足了常用技术标准中关于 “切环张开量”的限制要求，这种通过调整成型辊道而改变残余应力状态的方法成为目前控制焊管 （尤其是螺旋缝埋弧焊管）残余应力的主要方法。

4 结 论

（1）残余应力是自相平衡的内应力，钢管承压后的工作应力会影响残余应力的分布，工作应力与残余应力的迭加是动态的，不是简单的数值相加。

（2）钢管承压后的变形是一个相互协调的整体，高应力区先达到屈服区而进入塑性状态。当载荷压力继续增加时，新增加的载荷压力由未达到屈服点的弹性区承担，随着载荷压力的不断增加，钢管的塑性区不断扩大，直到全截面压力达到屈服点。钢管的承载力与没有残余应力时的承载能力完全一样。焊管成型焊接后的残余应力对钢管承压能力基本没有影响。

[1]崔克清.安全工程大辞典[M].北京:化学工业出版社出版,1995.

[2]颜峰,吉玲康,冯耀荣,等.油气输送焊管残余应力的估测[J].石油机械,1999,27(9):27-28.

[3]李英,何显光,石成江,等.螺旋钢管残余应力分析研究[J].化工设备与管道,2004,41(1):29-30.

[4]李霄.残余应力对焊管质量及可靠性的影响[J].石油工业技术监督，2009(5)：47-49.

[5]李霄,熊庆人,石凯,等.焊管残余应力研究进展及展望[J].焊管,2009 (7):12-17.

[6]冯耀荣,刁顺，霍春勇,等.油气输送焊管残余应力测试与安全评价方法研究[J].中国安全科学学报，2007,17(9):159-165.

[7]罗金桓,郑茂盛,熊庆人,等.螺旋缝埋弧焊管残余应力评价方法[J].压力容器,2008,25(3):7-12.

[8]朱维斗,李年.三种残余应力测试方法在石油输送管中的应用[J].焊管,1997(4):6-11.

[9]米谷茂.残余应力的产生和对策[M].北京:机械工业出版社,1975.

[10]程晓宇,王晓梅.残余应力的本质及其调整[J].腐蚀控制，23(7)：33-35.

Compared with the research about the influence of residual stress on the fatigue,fracture and stress corrosion of steel pipes, there is still no definite conclusion in the research about the influence of residual stress on the pressure-bearing capacity of steel pipes in this field.Through the analysis on the influence of residual stress on the yield strength,the stress-strain curve of welding pipelines,the research focuses on the influence of residual stress of welding pipeline on the pressure-bearing capacity of steel pipes. Residual stress is an internal equilibrant,and with the increase of loading pressure,high stress area first steps into yield area and then into plastic status.Afterwards,new increased load is undertaken by the elastic area not reaching the yielding point,while the plastic area is expanding continuously until the whole section gets to the yielding point.Therefore,the load-bearing capacity has no difference between the steel pipes with residual stress and without residual stress.

welding pipes;formation;residual stress;pressure-bearing capacity

马家鑫（1987-），男，助理工程师，硕士，现从事石油管工程技术服务与科研工作。

尉立岗

2012-01-10