海洋工程制管工藝精細(xì)化標(biāo)準(zhǔn)研究

李林　王川　張耀　楊超　孫志偉

摘? 要：鋼結(jié)構(gòu)管是各類海洋工程結(jié)構(gòu)組塊的重要構(gòu)件，制管工藝的精度化程度關(guān)系著生產(chǎn)企業(yè)的制造水平。文章從材料的力學(xué)性能出發(fā)，分析卷管壓制過程中的延展變化，基于有限元模擬方法確定焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力對卷管的影響，綜合影響參數(shù)確定鋼板實(shí)際下料尺寸，建立卷管中壓頭與鋼板相互作用力學(xué)模型，選取對應(yīng)的壓頭尺寸。經(jīng)現(xiàn)場驗(yàn)證對比，滿足工程項(xiàng)目精度需求，為工程生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：制管工藝;焊接變形;壓頭尺寸;力學(xué)模型

中圖分類號：U661.43? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）29-0102-04

Abstract： Steel pipe is an important component of all kinds of offshore engineering structure， and the accuracy of pipe-making process is related to the manufacturing level of production. Based on the mechanical properties of materials， this paper analyses the extension changes during the rolling process of coiled pipe， determines the influence of residual stress produced by welding on coiled pipe based on finite element simulation method， determines the actual size of steel plate by synthetically influencing parameters， establishes the mechanical model of interaction between the indenter and the steel plate in coiled pipe， and chooses the corresponding indenter ruler. Through on-site verification and comparison， the accuracy requirement of the project is satisfied and the technical support for the project production is provided.

Keywords： pipe making process; welding deformation; indenter size; mechanical model

引言

海工結(jié)構(gòu)鋼管卷制過程中需要保證成型精度[1]。影響制管精度的因素包括劃線-下料-卷制-焊接等多個過程中引起的結(jié)構(gòu)變形[2-5]。以往現(xiàn)場施工以經(jīng)驗(yàn)方式為主，人員個體差異性極強(qiáng)，亟需一套標(biāo)準(zhǔn)化指導(dǎo)原則。為解決以上問題，本文從材料的力學(xué)性能出發(fā)，考慮材料的延展性及焊接殘余應(yīng)力[6-10]，結(jié)合制管工藝程序，確定下料尺寸。通過建立卷管中壓頭與鋼板相互作用力學(xué)模型，選取對應(yīng)的壓頭尺寸。并將成果應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。

1 理論基礎(chǔ)

通過對海洋工程卷管作業(yè)流程的分析[11-12]，提煉出材料延展性及焊接殘余變量對卷管精度產(chǎn)生一定的影響[13-14]。分別采用科學(xué)手段對以上兩方面進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到定量結(jié)果，從而確定實(shí)際下料尺寸。通過材料力學(xué)知識[15]，提取胎膜與鋼板材料相互作用力學(xué)模型[16]，確定壓制胎頭尺寸，并與實(shí)際工程進(jìn)行驗(yàn)證。本文的技術(shù)路線如圖1所示。

1.1 鋼板延展性分析方法

延展性是物質(zhì)的物理屬性之一。與材料內(nèi)所含元素的排列分布有較為密切的關(guān)系。研究鋼板的延展性可采用兩個手段：

1.1.1 理論方法

鋼板卷制主要是彎曲變形，形成圓筒。計(jì)算鋼板的延展性，需要確定鋼板內(nèi)部的中性層。根據(jù)材料力學(xué)相關(guān)理論，中性層不發(fā)生變形或變化，其應(yīng)力為0，對于非均勻介質(zhì)的船體高強(qiáng)度鋼板，通過用抵抗壓縮變形的力對中性層取矩的總量與抵抗拉伸變形的力對中性層取矩的總量相平衡條件可得：

通過以上條件可求得中性層距離筒體內(nèi)壁的位置H，就可以確定復(fù)合鋼板的延展長度L。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)方法

選取鋼板試樣（EH36）， 通過對試件進(jìn)行拉伸、沖擊、硬度試驗(yàn)，提取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定材料的力學(xué)性能。

1.2 焊接致材料變形分析方法

求解焊接過程中的應(yīng)力變形問題，目前多采用熱彈塑性耦合的有限元方法。通過求解實(shí)時(shí)的溫度場分布，以材料的熱膨脹系數(shù)建立熱-力耦合作用，計(jì)算實(shí)時(shí)的應(yīng)力場和變形場。

分析方法為：

（1）建立熱-彈-塑性有限元計(jì)算的網(wǎng)格模型。

（2）采用雙橢球移動熱源模型，對選定的網(wǎng)格單元施加熱量載荷。

（3）求解熱傳導(dǎo)方程，獲得實(shí)時(shí)瞬態(tài)的溫度場分布。

（4）計(jì)算求得焊接殘余應(yīng)力及焊接變形。

1.3 胎膜尺寸確定方法

針對不同的壓制管徑需要選用合適的胎膜進(jìn)行壓制，由于板材本身的延展性，因此需針對壓制物理模型進(jìn)行力學(xué)分析，理論推導(dǎo)胎模尺寸。物理模型示意圖以及受力分析圖如圖2所示：

2 數(shù)值模型與計(jì)算結(jié)果

2.1 卷管參數(shù)

本文選取某一特定需求類型的卷管參數(shù)，具體參數(shù)如表1所示：

2.2 延展性計(jì)算結(jié)果

本文針對選用規(guī)格的鋼板材料采用實(shí)驗(yàn)方法分析材料的力學(xué)特性，得到材料的拉伸力學(xué)曲線及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖3及表2所示：

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，DH36型鋼材的材料伸長總伸長率為28.6%，（參考拉伸破壞后標(biāo)定點(diǎn)之間的位移與未實(shí)驗(yàn)前比對數(shù)據(jù)），結(jié)合圖3曲線，可根據(jù)實(shí)際卷管過程中卷制壓力，得到卷板的拉伸延展量。

2.3 焊接變形計(jì)算結(jié)果

基于ABAQUS計(jì)算軟件中的焊接模塊，建立卷管焊接熱-彈-塑性有限元計(jì)算模型，基于焊接方式，建立X型坡口，采用雙橢球移動熱源模型，對選定的網(wǎng)格單元施加熱量載荷，對模型進(jìn)行計(jì)算分析，求解卷管焊接變形。計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

結(jié)合數(shù)值數(shù)據(jù)模擬輸出可得，卷管焊接變形導(dǎo)致卷管收縮變形1.236mm。以上說明材料在X型坡口收縮變形，導(dǎo)致鋼板徑周長發(fā)生變化。

2.4 胎模選用尺寸確定

結(jié)合卷管規(guī)格制作要求，對胎模尺寸進(jìn)行計(jì)算分析。

結(jié)合規(guī)格尺寸，確定胎模理論半徑

考慮到鋼板的實(shí)際厚度，因此胎模實(shí)際半徑為：

結(jié)合以上計(jì)算結(jié)果，可以對需要胎模壓制的鋼板進(jìn)行工藝壓制。

2.5 下料尺寸理論計(jì)算

卷管機(jī)共有3個卷管軸，單軸壓縮強(qiáng)度為16MPa。結(jié)合材料延展特性曲線，確定卷制過程卷管伸長量為：

結(jié)合材料壓制過程中的延展性以及焊接中產(chǎn)生的變形，針對鋼板實(shí)際下料尺寸進(jìn)行重新計(jì)算。

理論下料長度為：

2.6 結(jié)果對比

針對理論計(jì)算結(jié)果，與實(shí)際結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況進(jìn)行對比，對比情況如表3所示。

由對比數(shù)據(jù)可知，理論計(jì)算與實(shí)際下料尺寸非常接近，表明本文計(jì)算方法在一定程度上可以很好的為工程應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)。

3 分析與比較

3.1 材料延展性分析

本文通過實(shí)驗(yàn)方法獲得了DH36型鋼材的力學(xué)特性曲線，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，材料的延展率達(dá)到了28.6%。根據(jù)材料的屈服強(qiáng)度，結(jié)合其在彈性階段的彈性曲線，可獲得其在彈性階段的延展率最高可達(dá)到5%左右。由此可知，鋼板在卷制彎曲過程中會發(fā)生一定的延展變形，同時(shí)，在彈性階段的變形要遠(yuǎn)小于最大變形量，且此部分變形量在卷管過程中應(yīng)予以考慮。而變形量的多少與卷制的壓力、卷制次數(shù)以及鋼板本身的材料有密切關(guān)系，應(yīng)予以區(qū)別對待。

3.2 焊接變形計(jì)算分析

圖5為焊接后總變形圖，由圖可知焊件的最大變形量約為1.236mm，且焊接后，管材的變形由原來的直邊變形變成了具有圓度的圓弧。變形主要為從焊件的中部開始，逐漸向下彎曲而形成的角變形。而角變形產(chǎn)生的原因是上面的熔池大于下面的熔池，故冷卻時(shí)上面的收縮量必然大于下表面。

而在焊接過程結(jié)束后，殘余應(yīng)力廣泛的分布于焊縫區(qū)域。對比上下表面的應(yīng)力分布可知，較多的熱輸入導(dǎo)致了上表面殘余應(yīng)力大于下表面。

3.3 下料尺寸分析

由于材料本身的延展特性，以及焊接過程中存在的焊接變形，因此，若實(shí)際下料的長度按照理論計(jì)算原始周長，則必然導(dǎo)致最后加工成型的管徑與需求管徑存在偏差，因此需要在下料尺寸中扣除焊接變形以及延展變形的余量，以保證產(chǎn)品成型合格。

3.4 胎模尺寸選取分析

由胎模計(jì)算結(jié)果可知，壓制914mm的管徑，需要直徑為809mm的胎模，即：胎模的直徑小于管材的直徑。其原因在于，對于大型鋼制板材，其發(fā)生彎曲變形后，會產(chǎn)生一定的回彈，這就使得用小的胎模壓制大的管徑與物理規(guī)律相符合。

通過現(xiàn)場現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)追蹤，與實(shí)際結(jié)果進(jìn)行比較可知，本文的研究方法與實(shí)際現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)較為符合，可以進(jìn)一步拓展形成數(shù)據(jù)指導(dǎo)庫。

4 結(jié)論

本文旨在研究一種海洋工程制管工藝的精度控制方法。作者從工程應(yīng)用出發(fā)，提煉數(shù)學(xué)應(yīng)用模型，分別采用力學(xué)實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬以及理論分析方法研究了DH36鋼板的拉伸特性、焊接變形以及胎模尺寸確定方法，從而形成一套較為完整的工藝精度控制理論。主要結(jié)論如下：

（1）鋼板在卷曲過程中，會發(fā)生延展，其變形量與其拉伸力學(xué)特曲線有關(guān)，延展量可應(yīng)用？駐l=■·l進(jìn)行估算。

（2）焊接過程中，由于殘余應(yīng)力及上下作用不一致，導(dǎo)致板材發(fā)生收縮變形，變形量可采用有限元計(jì)算方法進(jìn)行數(shù)值模擬。一般搶礦下，焊接變形量較小，但為保證卷管精度，仍需要進(jìn)行綜合考慮。

（3）由于鋼材本身的回彈作用，因此一般在選取壓制胎模時(shí)，胎模本身直徑比卷管直徑小，胎模半徑的選取方法可參考本文理論方法操作。

（4）板材下料長度應(yīng)綜合考慮焊接變形與板材延伸兩個方面，綜合作用下對理論下料長度進(jìn)行修正。獲得較為精確的長度，經(jīng)過與現(xiàn)場實(shí)際操作比較，精度良好，證明了本文方法理論的有效性。

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