大口径直缝焊管整圆定径工艺过程的数值模拟

2.0% 、 3.0% ， 预 期 制 品 椭 圆 度 ≤0.5% 。 通 过 编 制
的程序实现在不同模具直径下达到最优形状精度时 施压量的选择 。 大口径直缝焊管整圆算例分析最优结果见表 1。
32.0 mm， 所 对 应 的 管 坯 椭 圆 度 为 0.6% 、 1.0% 、
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表 1 大口径直缝焊管整圆算例分析最优结果
%% 文献标识码 ： B
% 文章编号 ： 1001-2311 （2009 ）05-0070-04
Numerical Simulation of Rounding -sizing Process of Large-sized Straight Welded Pipe
Pan Xin 1， Chen Peng 1， Qian Yong 2， Li Yanfeng 2
（ 1. Material School ， Southwest Jiaotong University ， Chengdu 610031 ， China ；
2. Bohai Equipment Steel Pipe Manufacture Co. ， Ltd. ， CNPC ， Qingxian 062658 ， China ）
0 引
言
当前国际上建造高压管线的一些技术标准已明 确规定 ， 不能采用螺旋焊管来建造高压输送天然气 管线和海底管线 ， 目前这些管线多采用直缝焊接钢 管 。 根据管坯成型方法的不同 ， 大口径直缝焊管
［1］
行 ， 并造成裂纹 、 残余应力等焊接缺陷 ， 如图 1 所 示 。 残余拉应力是引起应力腐蚀开裂的主要原因之 一 。 为消除这些影响 ， 直缝焊管生产过程中多采用 机械扩径的方法来改善焊管的几何形状 ， 但由于少 量大口径直缝焊管断面的椭圆度较大 ， 很难完全满 足某些客户的特殊要求 。 文献 ［2 ］ 提出了一种整圆的方法 ： 对椭圆形焊 管沿长轴方向对径加压 ， 使焊管发生塑性变形 ， 长 轴变短 ， 短轴变长 （ 图 2 ）， 经过多次整圆力计算 ， 加载及检测 ， 来达到整圆的目的 。 但这种整圆方法 效率较低 ， 而且对模具未作要求 。 因此 ， 为了弥补 机械扩径的不足 ， 改善文献 ［2 ］ 所介绍的整圆工艺 ， 提出用 2 个半圆形模具对焊管施压 ， 使其周长产生
短轴 长轴
Φ 1 220×26.4 1 300 Φ 1 220×27.5
2.0
56.8
短轴 长轴
1.0
48.8
短轴 长轴
Φ 1 220×32.0
0.6
44.4
短轴 长轴
Φ 1 220×22.0
3.0
74.4
短轴 长轴
Φ 1 220×26.4 1 320 Φ 1 220×27.5
2.0
65.6
短轴 长轴
（a ） 对焊前的错边
1 ， 2 — 整圆定径用上 、 下部模具
（b ） 对焊后的回弹情况
3 — 待整圆钢管
1 — 带有椭圆度的焊管
2 — 理想圆形
3 — 对焊后的焊管
图 3 大口径直缝焊管周长变形整圆示意
4 — 焊后回弹方向
5 — 残余拉应力区
鉴于焊管及加工过程的对称性 ， 分析采用 1/4 平面对称模型 。 为了便于数学处理 ， 管坯的横断面 几何形状被简化为标准椭圆。 管坯为弹塑性变形 体 ， 模 具 被 简 化 为 刚 体 。 管 线 钢 材 质 为 X80 级 ， 有限元计算采用的材料模型如图 4 所示 ， 弹性模量 取 2.1×10 5 MPa ， 泊松比取 0.3。 模具与管坯的位置 如图 5 所示 。 在对称面上加有位移约束 ， 变形体的 单元类型为平面应变四边形单元 。
1.0
56.8
短轴 长轴
Φ 1 220×32.0
0.6
51.6
短轴
由表 1 可以看出 ， 经过有限元分析 ， 可以使焊 管达到较好的椭圆度 ， 而且通过模拟发现 ， 在整圆 的同时加工后的焊管几何形状精度有显著提高 ， 满 足了 Q/SY GJX 0104-2007 《 西气东输二线管道工程
用直缝埋弧焊管技术条件 》 的要求 。 所以 ， 本工艺 在一种加工形态下实现了整圆定径的目的 ， 并且针 对各种型号的焊管 ， 给出了模具的尺寸及对应的加 工方案 ， 可以为实际生产提供可靠的理论依据 。
1 220.56 0.070 1 219.71 1 221.08 0.085 1 220.04 1 220.51 0.045 1 219.97 1 220.76 0.002 1 220.74 1 219.77 0.080 1 220.76 1 220.28 0.070 1 221.14 1 220.43 0.034 1 220.01 1 220.75 0.003 1 220.72
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计算机研究与应用
大口径直缝焊管整圆定径工艺过程的数值模拟
潘 鑫 1， 陈 鹏 1， 钱 勇 2， 李延丰 2
（ 1. 西南交通大学材料学院 ， 四川 成都 610031 ；
2. 中国石油集团渤海装备钢管制造公司 ， 河北 青县 062658 ）
摘 要 ： 对断面椭圆度较大的大口径直缝焊管采用机械扩径法进行整圆 ， 仍存在不足之处 。 介绍了一种新的
向是焊接变形数值模拟 。
STEEL PIPE Oct． 2009 ， Vol． 38 ， No． 5
钢 管 2009 年 10 月 第 38 卷第 5 期
计算机研究与应用
0.5% 左 右 的 永 久 变 形 以 达 到 整 圆 定 径 之 目 的 的 方
法 ， 并对此工艺过程进行数值模拟 ， 为整圆定径模 具的生产及整圆定径工艺的制定提供理论依据 。
图 1 椭圆度对大口径直缝焊管对接焊的影响
P — 压力
1 — 椭圆度超标钢管
2 — 理想椭圆度钢管
图 2 大口径直缝焊管压长轴整圆示意
1 有限元分析方法的引入
新的整圆定径方法如下 ： 整圆定径模具分为上 下两部分 （ 图 3）， 其中下部分固定 ， 上部分在加工
潘 鑫等 ： 大口径直缝焊管整圆定径工艺过程的数值模拟 图 4 X80 级材料模型
STEEL PIPE Oct． 2009 ， Vol． 38 ， No． 5
计算机研究与应用
3 结
语
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的优化方法 ， 并结合实际生产来改进大口径直缝焊 管整圆定径方法 。
通过有限元分析的方法 ， 初步实现了大口径直 缝焊管 （ 直径 1 220 mm ， 钢管椭圆度不大于 3.0% ） 整圆定径过程的数值模拟 ， 从理论层面上为焊管生 产提供了新的方法及方案 。 从模拟结果看 ， 整圆定 径过程的数值模拟为大口径直缝焊管的整圆定径提 供了合适的加工工艺参数， 节省了大量的摸索时 间 ， 提高了生产效率 ； 而且 ， 同一模具可以对不同 型号的大口径直缝焊管进行加工 ， 有效降低了生产 成本 。 在今后的研究中 ， 期待能够提出一套更完善
4 参考文献
［ 1］ 荆 其 臻 ， 徐 仰 善 . 大 口 径 直 缝 焊 接 钢 管 的 生 产 和 发 展 （ 一 ）［J ］. 鞍钢技术 ， 2000 （1 ）： 8-13. ［2］ 贺幼良 ， 乔进先 ， 贾春德 . 焊管整圆工艺研究 ［J］. 焊管 ，
1998 ， 21 （3 ）： 5-8.
大口径直缝焊管整圆定径方法 ， 即用 2 个半圆形模具对焊管施压 ， 使其周长产生 0.5% 左右的永久变形以达到整圆 定径之目的 ； 通过对此方法进行数值模拟验证 ， 为大口径直缝焊管整圆定径设备的研制生产及其工艺的制定提供 了理论依据 。 关键词 ： 大口径直缝焊管 ； 椭圆度 ； 整圆 ； 定径 ； 数值模拟 中图分类号 ： O242.1 ； TG335.75
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计算机研究与应用
（a ） 模具与管坯的相对位置
（b ） 成型后模具与管坯的相对位置
图 5 有限元模型
2 算例与结果分析
针对预期制品外径为 1 220 mm 的大口径直缝 焊 管 进 行 分 析 ， 壁 厚 取 值 分 别 为 22.0, 26.4, 27.5,
（ 收稿日期 ： 2009-03-05 ）
●信
息
美国钢铁公司诉请对从中国进口的部分石油管征收 90%关税
据有关网站报道 ， 2009 年 9 月 17 日 ， 美国钢铁公司向美国商务部提交了一份请愿书 ， 要求对从中国进口的部分石油管 征收高达 90% 的反倾销和反补贴关税 。 美国钢管 企 业 的 律 师 夏 格 林 表 示 ， 这 份 请 愿 书 针 对 的 目 标 是 价 值 4 亿 美 元 的 用 于 化 工 、 石油化工 、 炼油厂及相关业务的进口钢管 。 她还透露 ， 美国本土最大的制钢企业 — —— 美国钢铁公司正在寻求诉请对中国 产品征收 60% 或更多的反倾销税 ， 以及 15%~30% 的反补贴税 。 值得关注的是 ， 2009 年 9 月 9 日美国商务部决定对从中国进口的钢管征收近 31% 的关税 ， 同意美国钢铁生产商所认为 的这些进口钢管得到了不公平补贴的支持 。 该部在一份初步裁决书中表示 ， 将对每年用于油井和天然气井的价值 28 亿美元 的进口钢管平均征收 21.3% 的关税 。 中方曾对此表示强烈不满和坚决反对 。 中国 WTO 研究 会 常 务 理 事 何 伟 文 表 示 ， 中 国 向 美 国 出 口 的 油 井 管 从 2006 年 的 近 66 万 t 增 至 2008 年 的 约 200 万 t ， 每 吨单价则由 900 多美元提高到 1 300 多美元 ， 提高了 1/3 ， 并不存在低价倾销的问题 。 因此 ， 中国相关企业应积极应诉 。
制造方法有很多种 ， 但不论是哪种方法 ， 都会使焊 管的几何形状产生一定的偏差 ， 焊管断面存在椭圆 度 ； 而且在油气管道建设过程中 ， 焊管的对接是野 外作业中不可缺少的一部分 ， 由于焊管在几何形状 上有偏差 ， 对口时会产生错边 ， 使焊接操作不易进
潘 鑫 （1983- ）， 男 ， 在 读 硕 士 研 究 生 ， 主 要 研 究 方
Abstract： Certain advantages still stay with the mechanical expanding process for rounding of the large - sized straight welded pipes with rather big sectional ovality. A newly - developed rounding - sizing process for the said pipes is described ， which involves pressing the pipe with two half - round dies to produce approximately 0.5% circumferential permanent deformation for the purpose of rounding - sizing of the pipe. The process is verified by means of numerical simulation. The result is worth using as the theoretic basis for R & D of and process preparation for the equipment for rounding - sizing of the large - sized straight welded pipe. Key words ： Large - sized straight welded pipe ； Ovality ； Rounding ； Sizing ； Numerical simulation
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过程中施压 ， 使焊管发生一定塑性变形后回弹 ， 以 达到整圆定径目的 。 考虑到模具加工的难度 ， 将模 具定义为圆弧形 。 因此 ， 只需要确定模具的半径及 对应施压的距离就可以实现焊管的整圆定径 。 基于
MSC.Marc 非线性有限元分析软件 ， 结合 python 语
言对其进行二次开发 ， 实现了焊管整圆定径过程的 模拟 ， 以此确定模具半径及施压距离 。 为获得较好的制品形状 ， 将模具半径和模具施 压量等 2 个成型参数作为设计变量 ， 对大口径焊管 的机械整圆定径成型过程进行有限元分析 ， 寻求变 形程度与成型参数间的最优匹配 。
模具直径 钢管规格 管坯椭圆度 施压量 长短轴尺寸 /mm 轴线 长轴 成型前 成型后 成型后 椭圆度 /%
/mm
/mm Φ 1 220×22.0
/% 3.0
/mm 65.2
1 238.30 1 201.70 1 232.20 1 207.80 1 226.10 1 213.90 1 223.66 1 216.34 1 238.30 1 201.70 1 232.20 1 207.80 1 226.10 1 213.90 1 223.66 1 216.34