HFW焊管残余应力分析

胡美娟，邵春明，李 鹤，封 辉，池 强

（1.中国石油集团石油管工程技术研究院，西安710077；2.中石油管道联合有限公司西部分公司，乌鲁木齐830013）

HFW焊管残余应力分析

胡美娟1，邵春明2，李 鹤1，封 辉1，池 强1

（1.中国石油集团石油管工程技术研究院，西安710077；2.中石油管道联合有限公司西部分公司，乌鲁木齐830013）

采用小孔检测法研究了规格Φ406.4mm×12.5mm、钢级L415MB的HFW焊管残余应力的分布情况。试验结果表明，HFW焊管整体残余应力值较小，并且轴向残余应力大于环向残余应力，轴向和环向最大值分别约为母材屈服强度的38%和29%；HFW电阻焊焊缝及其附近区域的残余应力值低于管体区域，轴向和环向残余应力的变化范围分别约为母材屈服强度的24.5%～33.6%和16.4%～21.5%；HFW电阻焊管轴向和环向残余应力的差异呈周期性变化，距离焊缝15°附近时差异最小。试验结果对于HFW电阻焊管在长输管线的应用提供理论支持。

L415MB；电阻焊管；小孔检测法；残余应力

自从1921年美国金属铸造公司Gustave Victor Johnston发明的第1388434号专利实施以来，电阻焊接得到了迅速发展。HFW焊管是非填充金属电阻焊钢管，具有壁厚均匀、易于防腐涂敷、尺寸精度高以及无内焊瘤等优点。随着焊管质量的不断提高，近年来许多发达国家已大量使用HFW直缝电阻焊管代替无缝钢管，用于石油套管、管线输送管、油管和化工管道等[1-2]。我国西气东输一线、二线等重点工程将HFW焊管广泛应用于站场内运输管线。

残余应力严重影响钢管的制造成型和接头性能。准确获得残余应力的分布规律，进而对残余应力进行调节和控制，对提高焊管结构的承载能力及延长其使用寿命有着十分重要的意义。目前对于HFW焊管的研究主要集中在生产制造过程的自动检测和控制，以及HFW焊缝易出现的碳偏析、夹渣、灰斑和制管质量不稳定等现象[3-6]。但却较少分析研究HFW焊管在工作运行时的残余应力分布情况[7-8]。笔者采用小孔检测方法对西气东输二线站场/阀室中常用的L415MB钢级Φ406.4mm×12.5mm HFW焊管残余应力的分布进行了分析，研究结果为HFW焊管在石油、天然气长输管线的应用提供理论支持。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

目前，西气东输一线、二线站场/阀室常用的HFW焊管规格分别为Φ406.4mm×12.5mm和Φ457mm×14.2mm，钢级L415MB。本研究试验材料取自宝钢生产的L415MB钢级Φ406.4mm×12.5mm HFW焊管。其化学成分见表1，力学性能见表2。

表1 L415MB焊管化学成分 %

表2 L415MB焊管力学性能

1.2 试验方法

采用小孔检测法对HFW焊管的残余应力进行测量。小孔法是常用的测定残余应力的一种半破坏性方法，是在测试残余应力的部位用钻孔工具加工一个小孔，小孔加工后，该处的金属连同其中的残余应力即被释放，原有残余应力也失去平衡，这时小孔周围将产生一定量的释放应变，其大小与被释放的应力是相应的。测量小孔附近由于小孔加工而引起的应变释放量，通过弹性力学计算即可换算出小孔处原有的残余应力值。

本研究残余应力测试采用BE120－2CA－K型应变花和CM－1L－32型静态电阻应变仪完成，盲孔钻削在钻床上进行。从应力测试标准出发，各测点之间距离应达到小孔直径的6倍以上，即12mm以上。测试过程中，结合管道的具体尺寸，对孔位置进行了较合理的安排，保证测点与边界距离保持15mm以上，各测点之间保持12mm以上距离。分别从12 m长HFW焊管上截取0.5 m宽管段两个，分别为1#和2#管段，将这两个管段的中心位置沿着焊缝、垂直焊缝两个方向进行残余应力检测，具体测量位置如图1所示。

图1 HFW焊管管段测点位置

2 试验结果和分析

2.1 试验结果

HFW焊管焊缝残余应力分布如图2所示。由图2可以看出，HFW焊管焊缝轴向残余应力整体高于环向残余应力，但是两者的幅值都较小，其中最大轴向、环向残余应力峰值位于2#管段，分别为178 MPa和114MPa，远低于材料的屈服强度，分别为焊管母材屈服强度的34%和22%。

图2 HFW焊管焊缝残余应力分布图

图3为1#管段距离焊缝不同距离的残余应力分布情况。由图3可看出，其不同于传统的焊缝区域残余应力值较高的情况，HFW焊管焊缝不存在明显的应力集中区域，焊缝区域0～10mm内焊接应力值较低，在1#管段距离焊缝45mm处的残余应力值较高，轴向和环向残余应力分别为191 MPa和183 MPa，分别为焊管母材屈服强度的36%和35%。并且环向残余应力值整体仍然小于轴向残余应力，但是随着距焊缝距离的增加，两者的差异呈现逐渐减小的趋势。

图3 1#管段距焊缝不同距离残余应力分布图

图4为2#管段距焊缝不同距离残余应力分布情况。由图4可以看出，2#管段在距焊缝不同距离处的残余应力分布较1#管段更均匀。整体趋势仍然为轴向残余应力值高于环向残余应力。两者的差异在距离焊缝45～55mm较小，但是随着距离的继续增加，两者差异明显增大。轴向残余应力最大值位于2#管段距离焊缝100mm处，残余应力值为203 MPa和136 MPa，约为母材屈服强度的38%。环向残余应力最大值位于距离焊缝45mm处，残余应力值152 MPa，约为母材屈服强度的29%。

另外，分别对比分析了2#管段焊缝和距离焊缝100mm区域残余应力的大小。无论是轴向还是环向残余应力，距离焊缝100mm区域的残余应力都稍大于焊缝上的残余应力值，最大轴向残余应力差值为47 MPa，最大环向应力差值为45 MPa。

图4 2#管段距焊缝不同距离残余应力分布图

2.2 结果分析

HFW焊管残余应力的分布与其焊接、成型加工工艺密切相关。HFW电阻焊接是带钢在经过滚压成型后，形成一个截面断开的圆形管坯，利用高频电流的集肤效应和邻近效应使感应电流高度集中在管坯的开口角边缘上，从而使温度迅速上升到焊接温度，在挤压辊挤压下完成。焊接后的定径和水压试验都是导致轴向残余应力值大于环向残余应力值的重要工序[9-10]。高频焊接后，通过在线热处理改善焊缝和热影响区的组织和性能，导致焊缝及其附近区域的残余应力值低于管体区域，通过统计可知，焊缝轴向残余应力值约为母材屈服强度的24.5%～33.6%，环向残余应力值约为母材屈服强度的16.4%～21.5%。热处理后的定径矫直工艺导致轴向残余应力和环向残余应力之间呈差异周期性变化，随着距离焊缝距离的增大，在距离焊缝45～55mm时差异最小，在周向的角度大约为15°左右。

3 结 论

通过小孔检测法对L415MB钢级Φ406.4mm×12.5mm站场常用电阻焊管的残余应力进行检测，结果如下：

（1）HFW焊管整体残余应力值较小，轴向残余应力值大于环向残余应力值，轴向和环向最大值约为母材屈服强度的38%和29%。

（2）HFW焊焊缝及其附近区域的残余应力值低于管体区域，轴向和环向的变化范围约为母材屈服强度的24.5%～33.6%和16.4%～21.5%。

（3）HFW焊管轴向和环向残余应力的差异呈周期性变化，距离直焊缝15°附近时差异最小。

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Residual Stress Analysis of HFW Pipe

HU Meijuan1，SHAO Chunming2，LI He1，FENG Hui1，CHI Qiang1
（1.CNPC Tubular Goods Research Institute，Xi’an 710077，China；2.PetroChina West Pipeline Company，Urumqi 830013，China）

The distribution of residual stress on L415MB HFW pipe with the dimension of Φ406.4mm×12.5mm was studied by the hole-drilling technique.The results indicated that overall residual stress value was rather small.The value of axial stress was larger than that of the circumferential stress.The highest values of axial and circumferential stress were respectively about 38%and 28%of base metal yield strength.The residual stress value in the vicinity of weld seam was smaller than the value in the pipe body.The highest axial and circumferential stress values changed in the range of 24.5%～33.6%and 16.4%～21.5%.The difference of axial and circumferential residual stress changed periodically，the minimum value appeared every 15°away from the weld seam.The test results provided theoretical support for application of HFW pipe in long-distance pipeline.

L415MB；electric resistance weld pipe；hole-drilling technique；residual stress

TG404 文献标志码：B DOI：10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.04.011

胡美娟（1981—），女，河南平顶山人，工程师，主要研究方向为管线钢的焊接。

2015－12－21

李红丽