残余应力对焊管质量及可靠性的影响

石油工业技术监督·2009年5月
目前油气输送管用钢管主要为直缝焊管、螺旋缝焊管(HSAW),直缝焊管包括UOE焊管和JCOE焊管。

在西气东输一线中焊管直径已经达到1016mm,其中螺旋焊管用量125.48×104t,直缝焊管用量89.13×104t；二线直径更达到了1219mm,焊管总用量200×104t。

焊接钢管制造一般要经过拆卷、矫直、修边、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。

焊管内部存在有塑性变形，成型过程和焊接过程施加在板料上的应力在成型后难以全部释放，所以各种类型焊管中都不可避免的存在残余应力。

残余应力的存在对焊管的疲劳、腐蚀、稳定性、承压能力都有影响，研究焊管的残余应力对提高焊管的制造质量、保证管道的运行可靠性是十分必要的。

残余应力测量技术的研究始于20世纪30年代，发展至今已形成多种测量方法，概括起来可大致分为两类：①机械测量方法，包括盲孔法、切环法、切块法等；②物理测量方法，包括X射线法、磁测法、超声波法等。

另外，数值模拟方法（主要包括有限元法、有限条法）在焊管的成型及残余应力研究方面也起到了非常重要的作用。

在过去的几十年中人们对焊管残余应力及其测量方法进行了很多研究。

研究结果显示UOE焊管的残余应力较低，JCOE焊管次之，HSAW焊管的残余应力水平高、分布复杂。

其成型方式、成型焊接、水压试验、扩径等对焊管的残余应力有重要影响。

1残余应力测量技术
X射线衍射法是应用最广泛的无损应力测试方法，其原理是应力使得材料的晶格常数发生变化，通过对其变化量的测量即可得到残余应力。

该方法的优点是不会对构件造成破坏，但测试深度仅有30~ 40μm，而且受表面状态的影响非常大。

应力可以改变超声波的波速，所以通过测量入射超声波的波速可以计算残余应力。

该方法不仅是一种无损的测量方法，而且超声波法可以进行三维的测量，测量深度可达到整个厚度。

然而影响超声波测量残余应力也受到表面状态的很大影响[1]。

近年来U.S.Department of Energy的国家能源技术实验室在此方面做了很多工作，开发了新的测量装置。

利用磁致伸缩效应也可以测量残余应力，称为磁测法，无损而且测量深度可达到数毫米，无辐射，测量速度高。

仅适用于铁磁材料，而且测量后会给结构造成剩磁。

英国开发了可进行管线的在线测量的磁测装置[2]。

中子衍射法测量残余应力是通过测量样品衍射峰位置的移动，计算材料中沿某一方向的晶面间距相对于无应力状态的变化，得到应变，进而转换成应力。

HAYASHI等人利用中子衍射、X射线、应变片法测量了碳钢焊管的残余应力，根据测量结果指出中子衍射法是测量结构内部应力的最有效的方法[3]。

盲孔法是通过钻削一Φ2mm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性小，而且方便在现场进行残余应力的测量，测得的残余应力为所去除材料的平均应力，测量的深度范围约几个mm。

在此基础上人们为了测量更深位置的残余应力开发了深孔、阶梯孔等测试技术。

盲孔法的理论基础
残余应力对焊管质量及可靠性的影响
李霄
西安石油大学材料科学与工程学院（陕西西安710065）
摘要由成型及焊接过程造成的残余应力对焊管的质量及服役可靠性有重要影响，降低焊管的承压能力，易造成焊管的耐腐蚀能力降低，使焊管产生疲劳破坏，所以降低残余应力水平、改善焊管的残余应力分布是非常有意义的。

对焊管残余应力的研究方法、研究成果进行了综述。

关键词焊管质量焊接残余应力水压试验可靠性
Abstract The residual stress produced in the forming and welding process has an important influence on the quality and serving re-liability of welded pipes.It can not only lower the bearing capacity of welded pipes,but also can be liable to reduce the corrosion re-sistance capacity of welded pipes and make the welded pipes create fatigue damage easily.So it is of great significance to decrease the level of residual stress and improve the residual stress distribution of welded pipes.At last,the research method for the residual stress of welded pipe is summarized in the paper,complete with the result of this research.
Key words quality of welded pipes;welding;residual stress;hydraulic test;reliability
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扎实，在除焊管外的其他领域也得到了广泛的应用。

切块法在焊管残余应力测试中通过从焊管上切下的块所释放的应变计算残余应力，如图1所示。

切块法测量时切块的尺寸不能太大，否则焊管内的残余应力不能全部释放，而是在切块内部产生了重新的平衡，切割过程采用应变片跟踪计量释放的应变，切割时应采用冷切割的方法，以免切割过程对所测应变产生影响。

切环法是从焊管上切取一长约300mm的管段，然后沿轴向切开，利用该环在周向、轴向、径向的变形计算残余应力，如图2所示。

管段应具有一定的宽度，尤其是螺旋焊管，如果管段宽度过窄，切取可能会造成较大的应力释放，切取及剖开的过程均可采用火焰切割。

由于焊管的管径及厚度越来越大，其重力的影响是不容忽视的，在测量变形尺寸时，应尽量减小重力的作用。

各种测量方法的测量结果性质不同，盲孔法测量结果反应了表层及其附近区域约2mm范围内的残余应力；切块法结果反应的是在切块范围内、整个厚度方向应力释放平均的结果；切环法结果反应了在切环宽度内整个厚度方向的平均应力；X射线法仅能反映表面几十微米内的残余应力，磁测法能够测量几个毫米深度的残余应力，中子衍射和超声波法的测量厚度可以达到几十毫米。

机械测量方法可靠性高、数据稳定性、可重复性优于物理测量方法，但对构件有破坏性，而且一般的物理测量只能对小试样进行测量，但小试样的残余应力状态与整体结构是有差别的。

在焊管残余应力研究中采用的测量方法主要包括：盲孔法、切块法、切环法、X射线法，另外超声波法、磁测法、中子衍射法也有应用。

盲孔法、切块法、X射线法在研究领域应用广泛，由于切环法简单、易行，在工程领域应用较多。

2焊管残余应力研究的主要成果
焊管的成型方式可以分为UOE、JCOE、HSAW 成型方式，由于在不同成型方式中材料的变形流动方向和程度不同，所以其残余应力也有较大差别。

文献[4]采用机械切割应力释放法测试了UOE、ERW、HSAW焊管的残余应，指出UOE焊管的残余应力分布水平较低，ERW焊管次之，HSAW 焊管的残余应力分布范围较广，且有高有低。

文献[5]采用切块法研究了X70JCOE焊管和UOE焊管的残余应力，结果显示JCOE焊管峰值周向应力约300MPa，出现在距焊缝180°的位置；UOE焊管风致周向应力约100MPa，出现位置在距焊缝30°的位置。

螺旋焊管外控成型焊管的残余应力为外表面拉应力、内表面压应力的分布特点，内胀成型螺旋焊管的外表面为压应力，而内表面为拉应力。

螺旋焊管成型下压量也是一个重要指标，有文献指出获得低结构应力焊管的途径，可以通过加大下压量，使板料过量变形，获得管径小于标准管径的管坯，在外控辊的摩擦作用下使其直径增大，获得标准管径，同时其内部的残余应力将为压应力或低值拉应力。

文献[9]采用盲孔法测试了Φ323.9mm高频焊管（ERW）的残余应力，结果显示焊管的周向及轴向残余应力均低于100MPa，仅为焊管母材屈服强度的1/4~1/3。

文献[10]通过盲孔法测试了ERW焊管的残余应力，指出ERW直缝管存在着较大的残余拉应力，个别位置上的残余应力值已达到材料的屈服极限，但焊缝及其附近区域的残余应力值较低，成型过程是其残余应力的主要来源之一。

通过自然时效处理可以显著降低ERW直缝管的残余应力水平。

不同的研究对象给出了不同的结果，说明焊管的成型
图1切块示意图
图2切环法示意图
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工艺对其残余应力的影响非常大，因此通过研究确定低应力焊管的成型工艺是非常重要的。

文献[5]采用切块法研究了X70钢级JCOE 输送管的残余应力。

周向残余应力峰值约300MPa ，而轴向残余应力的峰值约650MPa ，远高于其周向残余应力。

文献[11]采用盲孔法研究了X60UOE 焊管的残余应力，周向应力峰值约100MPa ，其轴向峰值应力为焊缝位置的530MPa 。

可见管线钢的级别越高，焊管中残余应力的水平也就越高，虽然直缝焊管的材料在轴向没有很大的流动变形，但是由于焊接过程的影响，在焊缝附近区域有很高的轴向应力。

直缝焊管在成型焊接后都经过了扩径工序，其作用与水压试验类似，通过机械的作用使焊管直径变大，从而释放原来的残余应力。

文献[5]对UOE 、
JCOE 焊管扩径前后的残余应力进行了研究，结果
说明扩径可以使残余应力分布更加均匀，幅值更低。

尤其是焊缝区的轴向应力，经过扩径后将显著减小，从约650MPa 降低到约150MPa ，且扩径率越高残余应力消除效果越好。

文献[6]采用X 射线法、盲孔法和机械切割应力释放法对X60外控成型螺旋焊管残余应力进行了测试，峰值周向应力和轴向应力均约700MPa ，且总体趋势为内表面周向受压，外表面周向受拉。

文献
[7]采用切块法研究了X60钢级螺旋缝埋弧焊管的
残余应力，外表面基本为压应力，而内表面基本为拉应力，峰值周向应力约600MPa 。

文献[8]采用切环法、切块法对水压试验的影响进行了研究，结果显示水压试验使得残余应力重新分布，从总体看残余应力的变化幅度减小，更加均匀。

水压试验有一定降低残余应力的作用，且随着水压试验压力的提高，残余应力降低的水平大幅提高。

但提高水压的同时会导致焊管尺寸较大变化，当压力达到1.13SMYS 时焊管直径超过标准要求。

文献
[6]对水压及稳压试验的影响进行了研究，指出水压
试验和稳压试验均会使螺旋缝埋弧焊管内外表面总体残余应力分布趋于均匀，并且对减小内表面残余应力效果明显，特别是对呈残余拉应力状态的焊缝区域作用更大。

将螺旋缝埋弧焊管水压试验压力从
0.9SMYS 提高到1.0SMYS ，可有效地消除或降低有
害的残余拉应力。

通过以上的数据可以确定焊管的残余应力与成型过程及参数有很大关系，但是具体下压量调整到多大，水压试验的压力、保压时间与残余应力的关系，扩径量与残余应力之间的确定关系，仍然需要进
行详细的研究，以获得满意的残余应力分布。

结语
焊管在油气输送中起着至关重要的作用。

在焊管制造中进行过弯曲成型、焊接、水压、弯管、防腐等工艺过程，由于加工造成的残余应力是关系到焊管服役可靠性的重要因素。

焊管的残余应力与其成型工艺有非常大的关系，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。

水压试验和扩径可以有效降低残余应力，但是水压和扩径的具体参数还需要进行大量研究才能确定。

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李霄(1969-),女,副教授,主要从事焊接结构方面的教学与研究工作。

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