针对国内急需的大直径管线钢管机械扩径技 术问题, 燕山大学的郭宝锋、刘建军等采用大变 形弹塑性有限元方法和实验研究方法, 全面揭示 了管筒形件机械扩径过程的变形特征和规律, 并 对其主要工艺参数进行了多目标优化 [ 22~ 26] 。肖 曙红、郑时雄也对机械扩径成形机理和成形过程 进行 了 仿 真, 为 扩 径 机 组 的 开 发 提 供 理 论 依据 [ 27] 。
关键词: 大口径直缝焊管; 有限元仿真; UO /UO E; JCO /JCOE; RB /RBE 中图分类号: TG 45716 文献标识码: A 文章编号: 1001- 196X ( 2008) 04- 0001- 06
F in ite elem ent sim u lation of large d iam eter straight- w eld p ipe form ing
2008 No1 4
# 专题综述 #
重型机械
# 1#
大口径直缝焊管有限元仿真技术
高 颖 1, 2, 李 强 1, 2
( 11 燕山大学机械工程学院, 河北 秦皇岛 066004; 21 河北科技大学材料科学与工 程学院, 河北 石家庄 050054)
摘 要: 大口径直缝焊管在油气输送领域有着广泛 的应用, 掌握大口径直缝焊管的核 心制造技术 对发展我国管线钢钢管制造业有着重要意义。介绍了大 口径直缝焊管的成形方法, 综述了 有限元仿真 技术在大口径直缝焊管生产领域的近 期研究口径直缝焊管成形技术
大口径直缝焊管的焊接工艺主要采用埋弧焊 技术, 所以大 口径 直缝埋 弧焊管 简写 为 LSAW ( large diam eter long itudina l seam subm erged arc w e lded), 按成型方式的不同分为 UO /UOE、 PFP ( JCO / JCOE) 、 RB /RBE 等。 UO /UOE 工 艺是目 前世界上应用最多、最成熟、质量最被认可的大 口径直缝埋弧焊管生产工艺。在加工时, 首先将 钢板边部预先 弯曲, 然后分 别在 U 成型 机和 O 成型机内压成 U 形和 O 形。再将 O 形管筒焊接 后进行扩径 ( Expand ing ) 加工。 UO /UOE 制管工 艺投资大, 产量高, 生产效率高, 适合单一规格
Sh ijiazhuang 050018, China)
Ab strac t: L arg e- sized stra ight w elded p ipes are w ide ly used in o il and g as transm ission p ipeline. It is sign if-i cantly im po rtant to deve lop steel pipe m ak ing techno logy. T he paper rev iew s the pipe fo rm ing process, the recent ach ievem ent o f fin ite e lem ent simu la tion in larg e d iam eter pipe, and its dev elopment trend. K ey words: large diam eter stra ight-we ld pipe; finite elem ent sim ulation; UO /UOE; JCO / JCOE; R B /RBE
对于工程问题的研究通常有理论解析、实验
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研究、数值模拟三种基本方法。 理论解析主要通过采用各种假设, 依据相关
基本理论建立数学模型并求出解析解。但焊管的 UOE、 JCOE 弯曲以及焊接、扩径等材料加工过 程是非常复杂的, 在成形过程中发生的一些物理 现象 (包括金属的流动、接触面上的摩擦、变形 过程中应力应变的变化情况、材料显微组织和性 能与过程条件之间的关系等 ) 都很难预测和定量 分析, 难以用定量关系来描述。
实验研究可以得到在一些实际模型和具体工 艺参数下的实际数据, 以建立经验公式或图表指 导与实验状况相近的生产过程, 或者对理论研究 和数值模拟研究结果的正确性进行校验。但由于 完全采用实物试验时调试周期长, 实验费用高, 具有很大的局限性。
数值模拟在理论分析的指导下, 以实验研究 为基础, 充分利用其优势, 较好的克服了理论与 实验研究方法的不足, 起到了缩短试验时间, 节 省试验耗材, 降低人力物力消耗, 降低生产成本 的效果, 可以解决传统方法无法解决的问题。其 中有限元方法应用最为广泛。它采用离散化的数 值计算方法, 将连接的物体离散化, 分解为由有 限个单元组成的高效化模型, 并借助计算机针对 复杂的工程问题抽取数学模型, 然后用数值分析 方法, 得到满足工程要求的数值解。与其它数值 模拟方法 (包括有限差分法、边界元法和蒙特卡 洛法 ) 相比, 具有概 念清 晰, 单 元网 格划 分形 象、直观, 不受物体几何形状、边界条件和物理 特性的限制、适用性强、非常灵活、容易掌握等 优势 [ 19~ 21] 。
3 大口径直缝焊管成形技术研究方法
我国大口径直缝焊 管的制造 技术主要 采用 UOE、 JCOE生产工艺。由于起步晚, 管坯成型、 焊接、机械扩径等关键技术水平仍然比较落后, 缺少有参考和实用价值的技术资料以及系统的技 术研究。如 UOE、 JCOE 管坯成型的纵向预弯边 是保证最终制品焊缝区域几何形状和尺寸精度的 一道主要工序, 需要确定不同规格钢管的板边曲 率和弧 长; UOE 管坯 成 形的 U、 O 弯曲 过 程、 JCOE 管坯成形的多道次压弯过程, 需要设计与 控制模具形状、成形压力、回弹变形以及压缩减 径等成形工艺参数; 对管坯逐段扩径要求最优胀 形量、扩胀力和扩胀速度及合理实用的模具结构 等参数, 以控制管坯形状和制品精度; 在合缝预 焊、内焊、外焊加工过程中, 需要优化影响焊接 性能的各工艺参数, 提高焊接质量; 管坯成型、 焊接、机械扩径等加工影响焊管残余应力的大小 及分布, 而残余应力对管道的脆性断裂、弹塑性 断裂、应力腐蚀、氢致开裂和疲劳破坏有明显影 响。因此, 加强对焊管成型工艺全面系统的研究 是钢管制造行业获得高质量的大口径直缝焊管亟 需解决的课题 [ 19 ~ 34 ] 。
收稿日期: 2008 - 06- 02; 修订日期: 2008- 06- 14 基金项目: 河北省自然科学基金项目 ( E2008000693) 资助 作者简介: 高 颖 ( 1973 - ), 女, 燕 山大学 机械 工程 学院 博士,
河北科技大学材料科学与工程学院讲师。
大型直缝焊管机组。在我国广东番禺引进一套二 手 UOE 大型直缝焊管设备之后, 河北省青县巨 龙钢管有限公司又建立了国内第一条大型直缝焊 管 JCO 成型生产机组, 并于 2002年 6月向西气 东输工程 提 供了 国内 第一 批 合格 的 国产 JCO、 X 70钢级 的大口 径直缝焊 管 [ 1] 。湖北 沙市钢 管 厂、秦皇岛万 基钢管公司也 分别在 2002、 2003 年建设了 PFP 大型直缝焊管机组 [ 1- 7] 。 2008年 1 月 31日, 全球规模最大、装备最先进的大口径 直缝 UOE 焊管生产线在宝山钢铁股份有限公司 全线联动热负荷试车成功 [ 8] 。
大批量生产。 PFP( P rogressive F orm ing Process) 成 型法, 又称渐进式多步模压成 型, 类似于 JCO / JCOE 成型技术, 首先由预弯边机将板边预先弯 曲到合适的曲率, 在 JCO 成型机上将预弯 后的 钢板的一半多次步进冲压, 压成 / J0形, 再将钢 板的另一半同样弯曲, 压成 / C0形, 最后形成开 口的 / O0形; 成型后的钢管合缝进行连续 焊接, 扩径加工。 PFP ( JCO / JCOE ) 技术 能够兼顾 大批 量与小批量、大管径与小管径, 生产规模适中, 具有良好的适应性和经济性, 但生产效率不高。 RB /RBE 辊弯成型法, 钢板在三辊或四辊之间经 多次滚压, 最终弯曲成所需的圆筒形状, 然后进 行连续 焊接、扩径。 RB /RBE 投 资 少、 产量 适 中, 市场适应性强, 但由于设备特性限制, 产品 规格范围较窄, 不能生产管径较小、厚壁或高钢 级的钢管 [ 6, 7, 9 ~ 12, 17] 。
随 着计 算机 与数值 分析 方法 的快 速发展, 有限元仿真将成为促进 大口径直缝焊 管技术发 展的重要手段。采用有限元仿真技术, 针对不 同钢板性能、钢管尺寸 及不同加工条 件下的各 工艺参数进行分 析评价, 从而可以全 面了解影 响产品最终形状、力学 性能及使用性 能的各种 因素及影响规律 [ 18] 。大口径直缝焊管计算机仿 真技术对于发展我国管 线钢钢管制造 业具有重 要意义。
开发, 即可以进行二维、三维的电、磁、热、力 等各方面线性和非线性的有限元分析, 得到需要 的结果。
具有国际现代化先 进技术装 备水平的 宝钢 UOE 直缝埋 弧焊管机组采用了当今世界上 一系 列最新技术, 开发出适于研究管线钢管生产的有 限元分析模型, 可对各种条件下的管线管生产进 行模拟计算, 通过计算可以对各种工艺参数进行 优化选择, 进而指导生产 [ 5] 。
GAO Y ing1, 2, L I Q iang1, 2
( 11Co llege ofM echan ica l Eng ineering, Y anshan U n iversity, Q inhuangdao 066004, Ch ina; 21 College o fM ater ia l Sc ience and Eng ineering, H ebe iU niversity of Sc ience and T echno logy,
意大利巴里的 G1Pa lum bo与 L1T ricarico通过 对初 始 板料 尺 寸 为 14 000 mm @ 3 000 mm @ 2715 mm的 X70 钢管 Cy U y O 成型及校 形 ( 扩 径 )过程分别建立 2D、 3D 有限元模型, 给出了 钢管各阶段的应力应变状态, 第一、二次扩径过 程 M ises应力图如图 1所示, 指出控制钢管最终 形状不仅需要初步确定出 Cy U y O 各成形阶段 合适的工艺参数, 由于校形工具的初始位置与运 动过程强烈影响管子末端截面形状及管子长度方 向变形的校正, 所以设计工艺时还必须预测出扩 径工具的影响 [ 28 ] 。