JCOE成形残余应力分析.docx
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JCOE成形残余应力分析
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—1JCO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，对于JCO工艺参数研究具有十分重要的意义。
下图为整圆前后焊管内径与圆周角度变化曲线图：
图4—4整圆前后焊管内径与圆周角度变化曲线图
由图可见，整圆后的焊管内径在整个圆周上基本保持不变，没有出现焊管局部位置变形畸变的情况，焊管内径约为593mm；整圆效果明显。
下图为整圆结束时焊管管内残余应力及等效应变分布直观图：
Mises应力图
等效应变图
图4—5整圆结束时焊管管内残余应力及等效应变分布直观图
为更加清晰地了解整圆后焊管管内残余应力分布情况，本文分别对整圆后焊管内外表面上残余应力进行了提取并绘制出相应残余应力随圆周位置变化的曲线图。
其中，圆周位置的变化用焊管圆周位置上各点与焊缝处的真实距离表示，规定顺时针方向为正，简称为真实距离。
图4—6整圆后焊管内外表面残余应力与圆周位置变化的曲线图
由图可见：
无论是焊管内表面还是外表面在整圆完成后仍然保持有JCO成型后类似的残余应力分布规律。
首先，波峰波谷总数在整圆前后并未发生改变，说明整圆并没有能消除JCO成型残余应力对焊管质量的影响；其次，整圆后焊管内外表面残余应力总体峰值变化不大，仍然在300Mpa附近小幅变动；但最小残余应力在内外表面上却发生了较大改变，平均增大约120Mpa，换句话说：
整圆后焊管内残余应力的分布情况得到了一定的改善；第三，残余应力波峰波谷之间的急剧变化情况在整圆后并未得到改善，焊管仍然存在潜在变形的危险。
下图为扩径结束后焊管内径与圆周角度变化曲线图：
图4—7扩径结束后焊管内径与圆周角度变化曲线图
从图中可以看出：
扩径完成后焊管内径在整个圆周位置上有小幅波动，最大内径和最小内径在3mm以内，但平均半径基本达到焊管要求曲率半径609.5mm。
下图为扩径后焊管管内残余应力及等效应变分布直观图：
Mises应力图
等效应变图
图4—8扩径后焊管管内残余应力及等效应变分布直观图
由图中Mises应力图可以看出：
扩径后焊管管内残余应力基本保持一致，并且处于一个相对较小的取值范围之内；结合图图4—7和图4—8中的等效应变图还可以看出扩径后焊管没有出现局部位置变形畸变的情况。
同样，为更加清楚地反应扩径后焊管内外表面上残余应力分布情况，做出相应表面上残余应力与圆周位置变化曲线图如下所示：
图4—9扩径后焊管圆周位置内外表面残余应力分布曲线图
结合图4—8中Mises应力图和图4—9可以看出：
除预弯部分位置存在较大的残余应力外，其余位置残余应力基本保持一致，且维持在200Mpa的一个较低应力水平。
JCO及整圆结束时的波形应力分布规律基本消失，因此，可以至少得出以下两条结论：
1.JCO成型残余应力对焊管最终成型质量影响较小，甚至可以忽略；
2.在保证JCO成型管坯平均半径相等的情况下，JCO成型残余应力越小，则机械扩径过程中平均分布残余应力所需的扩径率越低。
下图为对扩径后的焊管继续进行深入扩径后所得焊管内径与圆周角度变化曲线图。
深入扩径的目的主要是为更加深入地了解和分析焊管在过扩径率下的变形情况和残余应力变化情况。
图4—10过扩径后焊管内径与圆周角度变化曲线图
从图中可以看出：
采用过大的扩径率对JCO成型管坯进行扩径后，焊管内径保持扩径结束时的小范围变动，最大内径与最小内径的差值在4mm—6mm范围内，焊管平均半径增加。
此外，结合图4—4、图4—7和图4—10可以看出：
扩径后焊管内径变化规律总体走势并没有发生变化，这就说明如果JCO成型管坯成型圆度较差的话，那么即使进行后续机械扩径也基本无法实现焊管内径均匀一致的理想效果。
再者，通过比较可以发现：
经过大扩径率扩径后的焊管内径在整个圆周位置上出现了几乎等间隔变化的变形畸变，从图4—10中可以看出焊管内径总共出现了12个尖角，与扩径模瓣数目相当。
下图为利用过大扩径率对JCO成型管坯进行扩径，在扩径模具卸载前后焊管管内残余应力及等效应变直观图：
Mises应力图
等效应变图
Mises应力图
等效应变图
图4—11扩径模具卸载前后焊管管内残余应力及等效应变直观图
由图4—11中两组Mises应力图可以看出：
在两对扩径模具圆角附近的残余应力较其他位置偏大；而等效应变图可以更加清楚地反映出扩径模具圆角处存在较大的应变。
结合图4—10可以看出，这种过大的等效应变导致了焊管发生局部变形。
下图为该状态下焊管内外表面残余应力与圆周位置变化关系曲线图：
图4—12过扩径后焊管圆周位置内外表面残余应力分布曲线图
由图可见：
过大的扩径率导致了焊管管内残余应力重新出现了波形分布规律，波峰总数与扩径模瓣数相当，焊管成形质量再次变差。
机械扩径过程中焊管在过大扩径率下的这种变形特征属于板料冷弯变形的基本特征，正如第二章中对板料冷弯变形基本特征分析的那样，板料冷变形具有金属流动性的特点，符合体积不变定律和最小阻力定律。
扩径开始后，焊管与扩径模具之间因为存在着摩擦作用，使得焊管金属材料流动性受阻，然而在扩径模瓣之间部分的焊管材料由于没有与扩径模具接触所以不受摩擦作用，金属阻力较小，故此，在扩径模瓣圆角处的金属就会较容易的向该部分流动，进而出现了如图4—11所示的残余应力和等效应变分布规律。
可见：
过大的扩径率不仅不会改善焊管的最终成型圆度，同时还可能会引起焊管管内残余应力重新获得波形分布规律，进而降低了焊管最终成型质量；严重时甚至会导致焊管破坏、失效。
4.2预弯工艺参数研究
预弯工艺是大口径直缝焊管JCOE成型工艺的重要组成部分，是生产JCOE直缝焊管的首道工序。
由上一节内容分析可知：
预弯质量的好坏，会直接严重影响到JCOE直缝焊管最终的成型质量，下图分别为未经过预弯工艺处理和经过预弯工艺处理后的板坯再经由JCOE大口径直缝焊管成型工艺生产出来的两种直缝焊管。
图形如下：
未经预弯（a）
经过预弯（b）
图4—13JCOE成型直缝焊管外形对比图
由图4—1（a）可知：
板坯未经预弯工艺处理而直接用于JCOE直缝焊管成型，最终所得焊管质量不好，焊缝处出现较大的“桃形”，圆度极差；相反，如图4—1（b）中所示：
经过预弯工艺处理的板坯再用于JCOE直缝焊管成型，最终所得焊管具有较好的圆度，成型质量要好很多。
可见：
在大口径直缝焊管JCOE成型前，对板坯进行预弯工艺处理，并保证预弯后板坯具有较好的曲率半径对于JCOE直缝焊管最终成型质量具有重要意义。
4.2.1确定预弯工艺参数研究指标
预弯效果的好坏，取决于JCO成型后管坯的圆度和噘嘴量，圆度越小、噘嘴量越趋近于零则说明板坯预弯效果越好。
据此，可以较为准确地确定预弯工艺参数研究指标。
采用方法为利用大口径直缝焊管JCOE成型过程有限元模型模拟不同预弯条件下焊管JCO成型过程，对所得管坯结果进行对比、分析，从而确定预弯工艺参数研究指标。
为便于对研究过程和研究结果进行说明和分析，本文定义了圆度偏差、等效曲率半径两个概念。
定义式分别如式4—1和4—2所示：
式（4—1）
式中：
—圆度偏差；
—JCO成型管坯最大半径；
—JCO成型管坯最小半径。
式（4—2）
式中：
—等效曲率半径；
—预弯宽度；
—直边长度；
—预弯卷角。
式（4—2）中所引用的预弯宽度是指用于预弯的板坯宽度；直边长度是指板坯经预弯后板料端部未发生塑性变形的板料宽度；预弯卷角是指预弯后板料直边长度方向与水平方向的夹角，示意图如下：
预弯前
预弯后
图4—14预弯前后板坯变形示意图
为确定预弯工艺参数研究指标，本文将主要从两个部分对其进行研究。
第一部分为使用相同型号的预弯模具对板料进行不同程度的预弯处理，然后对预弯后的板坯进行JCO成型模拟，分析JCO成型管坯成型质量。
第二部分为使用不同型号的预弯模具对板料进行预弯处理，处理的结果是要使预弯后的板料具有相同的直边长度。
最后同样是对预弯后的板坯进行JCO成型过程模拟，分析JCO成型管坯成型质量。
4.2.1.1直边长度对JCO成型管坯成型质量影响分析
根据青县巨龙钢管厂提供的预弯模具选取参考标准及模拟所用材料和欲制焊管管径，确定模拟所需参数信息如下表所示：
表4—3模拟参数信息一览表
项目
材料
管径/mm
板厚/mm
预弯宽度/mm
预弯模具型号
属性
X80
φ1219
22
190
3#
表4—43#预弯模具信息一览表
名称
基圆半径/mm
渐开线起始角度/°
渐开线终止角度/°
属性
303.2
43
88
表4—5JCO成型信息一览表
名称
上模半径/mm
下模半径/mm
下模间距/mm
成型道次
属性
280
150
320
25
根据以上信息建立有限元模型并根据不同程度预弯要求获得五种不同直边长度下的JCO成型管坯相关信息如下：
表4—6直边长度与JCO成型管坯质量关系表
结果编号
直边长度/mm
圆度偏差/mm
噘嘴量/mm
1
0
14.11862
7.21253034
2
30
14.62556
7.565137753
3
45
20.17137
13.09928759
4
55
23.88983
16.84527299
5
62.5
26.71867
19.68206075
为便于直观分析，将相应结果绘制成相应曲线图如下所示：
图4—15直边长度与焊管JCO成型质量关系曲线图
由图可见：
预弯后板料直边长度在0—30mm的范围内变动时，JCO成型管坯的噘嘴量和圆度偏差都基本保持不变，且处于一个相对较低的水平，JCO成型管坯成型质量较好；当直边长度大于30mm时，JCO成型管坯的噘嘴量和圆度偏差都呈现出快速增长的趋势，对JCO成型管坯成型质量不利。
因此，预弯后的板料板端直边长度应尽量保持在30mm以内。
4.2.1.2等效曲率半径对JCO成型管坯成型质量影响分析
因为预弯模具曲线为渐开线，因此，为得到预弯后的板料具有相同直边长度不同的等效曲率半径，只需改变预弯模具渐开线的形式即可实现此目的。
故此，本文通过改变预弯模具渐开线基圆半径得出了七组不同形式的渐开线，进而得到模拟所需要的七组预弯模具。
JCO成型模具如表4—5所示。
除预弯模具以外，其余相关参数如表4—3所示。
预弯要求直边长度均达到30mm。
整个JCO成型过程结束后所得模拟结果如下表所示：
表4—7等效曲率半径与JCO成型管坯质量关系表
结果编号
等效曲率半径/mm
圆度偏差/mm
噘嘴量/mm
1
698.3777569
27.39428492
-16.92624585
2
641.4209503
25.95695994
-15.46724652
3
596.8437456
24.41873785
-13.95694566
4
581.0593444
24.31928824
-13.86656051
5
515.4191812
21.82290048
-11.36333427
6
482.3675244
17.53465065
2.402173561
7
459.2712127
20.33336872
8.046766137
根据表中数据绘得JCO成型所得管坯等效曲率半径与JCO管坯圆度偏差和噘嘴量的关系曲线图如下：
图4—16等效曲率半径与JCO管坯圆度偏差和噘嘴量的关系曲线图
结合表4—7及图4—16中等效曲率半径与圆度偏差图可知：
预弯后板料等效曲率半径为482.3675244时JCO成型焊管圆度偏差出现折点且处于低位；又由等效曲率半径与噘嘴量图可以看出当等效曲率半径小于482.3675244时焊管噘嘴量为正，说明JCO成型焊管焊缝处外噘；而当等效曲率半径为515.4191812甚至更大时JCO成型焊管噘嘴量为负即内噘嘴，而对于JCOE成型焊管来说无论是内噘嘴还是外噘嘴都会增加扩径难度及影响到焊管最终成型圆度。
因此，综上可以得出结论：
等效曲率半径的大小对JCO成型焊管成型圆度是有影响的；等效曲率半径在460mm到515mm时，JCO成型焊管具有较小圆度偏差和噘嘴量。
为能更加容易的得到圆度较好的JCO成型管坯，生产φ1219X22mm的JCOE大口径直缝焊管应尽量保证预弯后板料等效曲率半径在460mm—515mm范围区间之内。
4.2.2
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