JCOE成形残余应力分析.docVIP

第四章 大口径直缝焊管JCOE成型工艺参数研究 4.1 大口径直缝焊管JCOE成型过程板料变形特征分析 焊管圆度以及管内残余应力的大小和分布状况是判断JCOE大口径直缝焊管成型质量好坏的两个最重要的指标。了解大口径直缝焊管JCOE成型过程中管内残余应力的变化趋势及变化规律对于研究大口径直缝焊管JCOE成型工艺参数有着重要指导作用；此外，通过对焊管在机械扩径过程中管型变化特点分析，还可以了解到扩径率与焊管圆度的变化关系，对进一步分析JCO成型管坯圆度要求有利。 4.1.1 大口径直缝焊管JCO成型过程管内残余应力变化规律研究 利用大口径直缝焊管JCOE成型过程有限元模型模拟25个成型道次下直缝焊管的JCOE成型过程，根据文献[1]中对于预弯工艺的研究介绍以及大口径直缝焊管JCO成型理论模型和JCO成型工艺特点得出模拟所需的相关数据如下： 表4—1模拟参数明细表 预 弯 成型 道次 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 25 直边 长度mm 30 成型 卷角 （°） 23.22 11.2 11.2 11.2 11.2 11.2 11.2 11.2 11.2 11.2 11.2 11.2 11.2 预弯 卷角 (°) 15.97 压下mm 90.3 89.7 89.5 89.5 89.5 89.5 89.5 89.5 89.5 89.5 89.5 89.5 89.5 下图为模拟所得JCO成型后管坯Mises应力图和等效应变图： Mises应力图 等效应变图 图4—1 JCO成型后管坯Mises应力图和等效应变图 由图可见，无论是JCO成型后管内残余应力还是JCO成型后管坯圆周位置上各点等效应变都呈现出间断式、交替变换出现的变化规律，除两个预弯圆弧段以外，整个管坯被均匀分为23个区段，总区段数与成型道次一致，这种残余应力及等效应变分布规律说明JCO成型管坯残余应力及变形特征与成型道次相关；JCO成型后管内残余应力分布不均匀、沿板料厚度方向残余应力大小变化也不一致。下图为JCO成型后管坯内外表面残余应力随圆周位置变化的曲线图及局部放大图： 图4—2内外表面残余应力分布图 图4—2中，红线表示的是JCO成型后管坯内表面上残余应力，黑线表示的是JCO成型后管坯外表面上残余应力。由于在JCO成型过程中，板料中性层以外的部分始终受拉而中性层内侧的部分则相反始终受压；因此，JCO成型后管坯残余应力外表面为拉应力，而内表面为压应力。从图中可以看出：JCO成型管坯除预弯段以外其余各部分内外表面残余应力都呈现出近似波形的变化规律，最大残余应力大约为300Mpa，最小残余应力近似为0Mpa；此外，波峰处呈现出一段残余应力变化不大的近似稳态区间，曲线波峰波谷的变化速度快。以上残余应力大小及分布特点一方面更加清楚地反映出JCO成型管坯在沿管坯圆周位置变化方向上残余应力分布不均匀的现象；另一方面，残余应力在波峰波谷间的急剧变化也说明JCO成型管坯残余应力处于一种十分不稳定的状态，焊管存在潜在变形的危险。 为进一步清楚地了解JCO成型后管内残余应力沿板料厚度方向的分布情况，根据JCO成型管坯残余应力重复变化的规律任意选取一个成型道次完成后，板料在三个不同截面位置上的残余应力变化图如下： 图4—3板料厚度方向残余应力分布图 由图4—3中可以看出：板料变形区即截面1和截面2所在区域残余应力呈现出W形状的变化规律，中性层附近的残余应力值最大，管坯内外表面处残余应力次之，且内表面残余应力尚略大于外表面残余应力。中性层附近残余应力较大主要是由于成型加载过程中板料中性层附近材料发生弹性变形，卸载后弹性变形未能得到及时、有效释放的结果。再由截面3可以看出：板料在未发生塑性变形区域的残余应力呈现出M形状的变化规律，管坯内外表面残余应力大于中性层附近的残余应力，且残余应力值相对变形区要小得多。 由此可见，JCO成型管坯残余应力在沿板料厚度方向上分布仍然不均匀，对成型管坯稳定性也有较大影响。 4.1.2机械扩径过程管内残余应力及等效应变变化规律研究 机械扩径是大口径直缝焊管JCOE成型工艺的一个必不可少的工序，其目的主要在于对JCO成型管坯进行整圆、矫直、扩径及减小并均布管内残余应力。因此，为了充分了解JCO成型管坯在机械扩过程中管内残余应力及等效应变变化规律，本文分别选取了三种不同扩径率对JCO成型管坯进行扩径，三种扩径率分别对应机械扩径时的三种状态即整圆结束、扩径结束及管型变形。扩径率如下表所示： 表4—2扩径率明细表 状态 整圆结束 扩径结束 管型变形 扩径率% 0.8 1.2 1.7 整圆是机械扩径首先要实现的目的。研究整圆结束时管内残余应力及等效应变分布规律有助于分析JCO成型时管内残余应力对焊管成型质量的影响情况，对