大口径直缝焊管O成型有限元分析.docx
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大口径直缝焊管O成型有限元分析
目录
第一章前言1
1.1引言1
1.2UOE成型法概述1
1.2国内外UOE工艺发展状况3
1.2.1国外发展状况3
1.2.2国内研究现状4
1.3UOE焊管研究新进展6
1.4本文研究材质与内容7
1.4.1研究材质7
1.4.2研究内容7
第二章O成形过程的有限元数值模拟8
2.1引言8
2.2O成型有限元模型的建立8
2.2.1选材8
2.2.2创建几何实体模型8
2.2.3划分网格12
2.2.4定义接触13
2.2.5定义约束14
2.3板料为X60的有限元分析14
2.3.1O成形过程中坯料的变形状态14
2.3.2不同时间等效应力分布图16
2.3.3应力-时间曲线图20
2.3.4不同时间等效应变分布图21
2.4小结25
第三章O成型过程材质的影响分析26
3.1引言26
3.2O成型有限元模型的建立26
3.3板材为X70的有限元分析27
3.3.1不同时间等效应力分布图27
3.3.2应力-时间曲线图30
3.4小结34
第四章O成型过程板材厚度影响分析35
4.1引言35
4.2板材厚度为22mm的有限元分析35
4.2.1创建几何实体模型35
4.2.2网格划分37
4.2.3定义约束38
4.2.4有限元模型结果分析38
4.3板材厚度为40mm的有限元分析41
4.3.1创建几何实体模型41
4.3.2有限元模型结果分析42
4.4板材厚度为50mm的有限元分析44
4.4.1创建几何实体模型44
4.4.2有限元模型结果分析45
4.5小结47
第五章结论48
参考文献49
致谢50
第一章前言
1.1引言
O成型是UOE成型法中的重要一环,而UOE成型法已在世界得到广泛运用。
特别是随着全球范围内对石油、天然气开发利用的不断普及与深化,油气输送管道作为石油和天然气的一种经济、安全、不间断的长距离输送工具得到了迅速发展,已成为与铁路、公路、水路和航空并列的五大运输行业之一。
到目前为止,全世界石油、天然气管道的总长度已超过2.7×106km[1],并以每年4×104~5×104km[2]的速度增长,而且这种发展势头在未来的几十年中仍将持续下去。
截止到2008年,我国长距离大直径输油干线管道总长度超过3.5×104km[3],其中原油管道超过9.2×103km,天然气管道超过2×104km,成品油管道超过3.8×10km,海底管道超过2.1×103km[4]。
目前,油气资源开采已逐步转向环境恶劣的偏远陆地以及海洋地区,全球管线钢管将继续向长距离、大直径、高压力、网格化方向发展,管线钢管的服役条件越来越恶劣。
未来管道工程对管线钢管性能提出的主要要求是高强度、高韧性、可焊性和耐蚀性。
按照焊接方法和焊缝形状不同,管线钢管可分为直缝埋弧焊管(LSAW)[5]、螺旋缝埋弧焊管(SSAW)和直缝高频焊管(ERW)。
直缝高频焊管一般用热轧带钢制造,只能制造直径较小、壁厚较薄的管线钢管;螺旋缝埋弧焊管也是以热轧带钢为原料,壁厚有限,钢级提高受到材料热处理的限制;由于成形工艺的原因,螺旋缝埋弧焊管焊缝长、残余应力比较大、缺陷几率高。
螺旋缝焊管事故率比直缝焊管高出40%。
与螺旋缝埋弧焊管相比,直缝埋弧焊管的成形和焊接是分开进行的,焊接作业不受成形操作的制约,而且内焊前增加了预焊,焊接在平面位置进行,焊缝的综合质量容易保证。
随着对油气输送管线钢管要求的不断提高,大直径直缝焊管正在逐步取代螺旋缝焊管[6]。
从国内外管线建设的现状来看,大直径直缝埋弧焊管已成为大部分主干线的首选用管。
在自然环境恶劣、人口稠密、海洋地区等高危重要地段,已经基本不允许使用螺旋缝埋弧焊管。
然而,目前我国直缝埋弧焊管的国产化率仍严重偏低。
大直径直缝埋弧焊管的制造方法有很多[7],目前在世界上比较常见的UOE法、JCOE成形法、CE成形法和PFE逐步弯曲成形法等。
而UOE成型法则更是得到普遍运用。
1.2UOE成型法概述
UOE焊管成型法最早出现于1948年,是生产大直径直缝焊管的一种重要方法。
它是将预先经过严格检查的钢板,通过刨边、打坡口和边部预弯后,依次先在U型压力机上弯曲成U形,然后在O型压力机上压合成O形管筒,最后焊接成钢管。
管坯的成型和焊接是间断进行的。
主要用于生产
406~1625mm
6~44.45mm(或更大)的长达18m的钢管。
UOE成型方法由于受到板宽的限制(目前中、厚板的最大宽度为5200mm)而不能制造直径更大的管材;由于需要大型压力机,且设备投资大、制造较复杂和困难,因此也限制了产品规格的进一步扩大。
但是,与其他大直径钢管的制造方法相比较,本方法生产过程稳定、效率高(一般成型能力为32~60根/h)、操作简便,而且能保证钢管质量。
所以,作为大批量、少品种(规格)的大直径厚壁输送管道用管的专用设备是很适宜的。
用UOE法生产管材在美国应用最早(1951年),也较为普遍。
后来,在前苏联、法国、日本、加拿大、阿尔及利亚、印度等国也得到采用和发展。
随着世界石油、天然气工业的发展,对高强度、大直径管道用管的需求量激增,使得UOE成型法用于焊管生产发展很快。
到目前为止,全世界已有40多套UOE成型机组,其中日本拥有的5套UOE焊管机组都是20世纪60年代末和70年代初建造的。
O成型工艺步骤:
UOE焊管O成型的工艺包括三个成型工序,即预弯边(C-forming)、U成形(U-forming)、O成形(O-forming)。
预弯边是在液压机上将钢板边缘部分沿长度方向实施分段弯曲的一道工序,其目的是保证最终成形焊管焊缝区域的几何形状和尺寸精度;U成形是将预弯成形后的钢板在U成形液压机上,沿宽度方向弯曲成“U”形中间毛坯的工艺过程;O成形是将U形弯曲件放入O成形模具中,沿全长一次成形为焊接管坯的成形工序。
各个工序如图1-1所示。
(a)预弯边(b)U成型(c)O成型
图1-1UOE管筒O成形工艺流程
Fig.1-1FormingprocessofUO
UOE焊管的生产工艺主要包括以下几个工序:
(1)板边加工板边加工一般用铣边机或刨边机,其目的是将钢板加工成所需要的宽度,且根据焊接工艺要求,加工出一定形状的坡口。
(2)弯边在O成形压力机上成形时,一般在圆周方向用1%以下的压缩量进行缩径加工,但边缘部分容易残留直线段,得不到良好的管形,因而在O成形前预先进行弯边。
弯边是在弯边机上实现的,弯边机又称为C成形压力机。
弯边机分辊
式弯边机和压力弯边机两种。
辊式弯边机一般用于较薄钢板的弯曲成形;压力弯边机用于厚板的弯曲成形。
对于UOE成形,弯边机的压模长4~5m,根据成品管的外径、壁厚和钢级分别选择模具和使用压力。
一块钢板一般需压3~5次,因此,压力机的吨位正常为1000~3400吨。
(3)U成形经过弯边后的钢板进入下一工序,U成形。
钢板首先在U成形压力机上定位后,在垂直压模和水平压模的作用下,弯曲成横断面为U形的中间毛坯。
(4)O成形U形钢板随后送到O成形压力机上,O成形压力机上装有两个对开的半柱面的压模,将U形毛坯成形为横断面为圆的筒形件。
其成形过程是先将U形两直壁段弯曲,使其沿压模变形形成O形,再进行O模下压和减径等变形,并控制成形后的弹性回复。
O成形压力机的压力多为50000吨左右,最高达60000吨。
1.2国内外UOE工艺发展状况
1.2.1国外发展状况
作为一种实用技术,UOE大直径管线钢管制造工艺已经被一些工业发达国家所掌握[8]。
由于大直径管线钢管UOE成形工艺的研究人员主要来自管线钢管的制造企业,他们所关注的问题大多集中于技术层面,一直很少有关于UOE应用的基础层面的研究成果公开发表。
在上个世纪七、八十年代,日本的一些学者对UOE成形过程中钢板的变形规律等问题进行了比较详细的研究,发表了一些成果,但由于在当时条件下,研究者只能采用近似解析的方法来分析问题,因此在求解过程中,采用了大量的假设和简化,所以其结果与实际情况偏离较大。
于是,有很多学者借助计算机仿真技术对UOE成形工艺过程进行了大量的研究,在其后的很长一段时期内,几乎没有人再去研究UOE成形工艺的应用基础问题。
在最近几年,随着国际上长输管线建设新高潮的来临,又有一些关于UOE焊管成形机理和变形规律方面的研究成果发表。
截止到2008年,国外已建和在建的UOE工程有30多项。
其中能够制造18m长高等级、厚管壁、大直径管线钢管的生产线有8条,基本上分布在发达国家。
自美国1940年首创UOE成形工艺生产大口径直缝焊管的技术以来,国外UOE焊管机组的发展经历了四个阶段。
1951年美国麦基斯波特厂建成了世界上第一台工业化生产的UOE焊管机组,产品直径为φ24~26in(φ609.6~914.4mm),最大壁厚12.7mm,最大长度12m,年生产能力
t。
这种被称为第一代的UOE焊管机组缺乏现代检测设备和自动化控制技术,没有钢板边缘弯边和预焊工艺,O成形压力机能力较小,约为160MN,内焊和外焊采用两丝焊机,钢管扩径采用水压式扩径方式。
1955~1967年期间,UOE焊管生产技术得到迅速发展。
世界上共建18套UOE焊管生产机组。
产品最大直径提高到φ42in(φ1066mm),最大壁厚达到25.4mm。
在被称为第二代的UOE焊管机组中,采用了辊式弯边机对钢板边缘进行弯曲的弯边工艺和间断式预焊工艺,O成形压力机能力提高到240MN。
除美国A.O.史密斯厂的UOE机组采用闪光焊外,其余机组的内焊和外焊仍采用两丝焊机;部分机组开始采用机械扩径方式对钢管进行扩径,并开始采用无损探伤设备对焊缝和管端进行探伤检测。
1968~1979年期间,UOE焊管生产技术的发展达到了一个鼎盛时期。
这期间世界上共建成了16套UOE焊管生产机组,并对2套旧机组进行了技术改造。
到上个世纪80年代,焊管的最大直径达到了φ64in(φ1625.6mm),最大壁厚达到了111.5in(38mm),最大管长为18.3m,管线钢管的钢级达到X70,机组的年产量约为2×
~8×
t,个别机组可达1.1×
t。
这个阶段发展起来的机组被称为第三代。
第三代UOE焊管机组采用了机械式压力机对钢板边缘进行弯边。
在成形方面,O成形压力机的能力达到了600MN,部分O成形压力机还装有钢板自动测长、自动定位和设备自动调压装置;在焊接方面,采用了保护气体连续预焊工艺,内焊和外焊分别采用了3丝和4丝焊接工艺;在扩径方面,全部采用了机械扩径工艺,并根据生产规模不同,有的机组采用了双头扩径工艺设计;在检测方面,有些机组采用超声波对钢板进行探伤检测,焊缝和管端用超声波、X光射线、磁粉探伤装置进行探伤检测,普遍采用了计算机进行控制和管理。
1980年以来,除俄罗斯外,国外无再建新UOE机组,而有的老机组停产了,有的被卖到发展中国家。
英国在1993年对哈特尔普尔厂的UOE机组进行了技术改造,将O成形机的能力提高至500MN,产品规格拓宽为φ406~1067mm,壁厚可达到50mm,内焊和外焊分别采用了4丝和5丝焊接工艺。
俄罗斯IzhorskytrubnyZavod2005年开始建设的UOE焊管生产机组是目前国外建成的最新的UOE焊管生产线,预计其产品的最大直径为φ1422.4mm,最大壁厚为40mm,最大钢级为X80。
目前,已建成的UOE焊管机组已能生产钢级为X80、外径为φ64in(φ1625mm)、壁厚为65mm、长度达18.9m的钢管,年产量可达
t。
1.2.2国内研究现状
国内关于UOE成形工艺方面的基础问题[9],早期只有一些零星的研究,而由于研究工作比较分散且缺乏深度,所以一直没有形成系统的应用基础体系。
十年前,UOE管线钢管制造技术在我国还是一片空白,随着西气东输工程的正式启动和数十条石油天然气长输管线建设项目的规划,UOE管线钢管制造技术开始被国内一些管线钢管制造企业和学术界所关注。
上世纪末,在河北青县、沙市石化等厂家竞相建设JCOE大直径管线钢管生产线的同时,珠江钢管有限公司通过引进二手UO成形设备和自制机械扩径机建成了国内第一条UOE生产线,开创了我国生产UOE大口径直缝埋弧焊管的先河。
随后,辽阳钢管公司国产化UOE机组投入生产。
“十一五”期间,宝钢通过国际合作开始建设我国第一条高水平的UOE生产线。
到目前为止,我国已经建成和正在建设的UOE生产线共计四条。
宝山钢铁股份有限公司UOE焊管生产线于2008年1月进行热负荷试车,成功试制出直径为φ1016mm的直缝埋弧焊管。
该生产线的板边弯曲成形压力机、U成形压力机和O成形压力机均采用了国外引进的技术,分别由第一重型机械有限公司、太原重型机械有限公司制造。
机械扩径机则采用的是从德国米尔公司引进的设备。
应该说,宝钢的UOE机组是目前世界上最先进的机组之一。
其O成形压机的最大压12力为720MN,是目前世界上最大的O成形压机。
生产线配备了两台最大拉力为15MN的机械扩径机,具备X100钢级管线钢管的生产能力。
设计年产直缝埋弧焊管5×
t,产品外径为φ508~1422.4mm,壁厚为6~40mm,长度为6~18.3m。
近年来,随着UOE生产线的建设与运行,无论是技术研发还是工业运行,工业界都表现出了对UOE成形相关基础理论知识的渴求。
因此关于这方面的研究工作也逐渐被从事材料加工工艺研究的学者和有关企业界技术人员所关注。
其中,华南理工大学、番禺珠江钢管有限公司、沙市钢管厂和燕山大学等单位都基于广泛的工程应用背景,先后开展了比较系统的应用基础研究工作。
华南理工大学的阮锋教授通过理论和数值模拟方法对UOE成形工艺进行了较深入的研究。
在弯边工序方面,推导出了根据板料强度、厚度和最终成形半径直接计算弯曲半径的回弹逆解公式,并根据计算公式给出了不同钢级的UOE焊管在弯边成形中的弯边辊半径优化设计诺谟图。
据此,可以依据材料强度、厚度和焊管名义直径迅速、简明地从图中确定弯边辊的半径。
同时指出,弯边工艺可以改善板料O成形后的曲率分布,在弯边弧度大于25时,O成形后管坯的边缘直边现象得到了明显改善。
随弯边弧度的增加,O成形后的管坯曲率逐渐趋于均一。
并且,弯边半径为焊管名义半径的1.0~1.3倍时,可以获得较好的形状。
在O成形工序方面,采用有限元分析方法研究了O成形过程的载荷、板料变形模式和曲率分布变化,揭示了O成形过程的变形机理。
根据研究结果,O成形过程可分为4个阶段:
U形件对口、直边弯曲、悬弧二次弯曲和悬弧多次弯曲。
2006年,番禺珠江钢管有限公司的研究人员通过分析UOE制管工艺O成形时钢板所受的外力和弯距,指出板料厚度和管坯直径是影响O成形载荷的主要因素,并分别给出基于板料屈服强度和校正压缩比两种O成形载荷的计算方法。
利用这两种计算方法可以在工程上对O成形载荷进行较粗略的预测。
事实上来料的几何形状对O成形工序的成形载荷也有较大影响,板边弯曲工艺的成形质量对其影响尤为突出,但在上述文献中给出的公式并未考虑这些因素的影响。
然而值得指出的是,这是目前国内唯一具有参考价值的O成形载荷计算公式。
在试验方面,番禺珠江钢管有限公司用规格为φ711mm×15.9mm×12200mm直缝焊接钢管进行了UOE全过程的实验,考察了试制样品的成形精度。
各项测试结果表明,所拟定的UOE成形工艺技术路线合理,并通过实际生产证明了板料成形过程所采用的弯边、U成形、O成形以及扩径等工序相结合的逐次成形方法在高精度直缝焊接钢管产品的生产中非常有效。
湖北沙市钢管厂的李宏、谢志民等人于2006年和2007年分别发表文章,先后对弯边工艺进行了详细的分析。
文中推导了上模曲率半径、弯边长度、弯边卷角和弯边力等主要弯边工艺参数的计算公式。
运用这些公式确定的弯边工艺参数被应用于生产实际中,使弯边质量达到了工艺要求。
虽然目前已经有一些研究成果陆续公开发表,但由于UOE成形工艺路线较长,涉及的成形工艺参数和模具结构参数多,加之各种参数对最终制品的成形质量交互影响,其变形机理和变形规律相对复杂。
目前,将UOE工艺各工序连续变形统筹考虑,建立一种有利于保障成形质量的质量评价体系及质量控制策略的研究工作还未见报导。
1.3UOE焊管研究新进展
在理论方面,针对UOE成形过程,研究者和工程技术人员主要从模具工艺参数、成形力、弯曲回弹、材料性能等方面进行了深入研究。
根据小曲率弯曲成形的特点[10],考虑了板料弯曲的纯弹性变形部分对回弹的影响,基于平面和纯弯曲假设,推导出根据板料强度、厚度和最终成形半径直接计算弯曲半径的回弹逆解公式,并给出B~X100钢级板料UOE焊管预弯成形的预弯辊半径优化设计诺谟图,将其应用于UOE大口径焊管预弯成形的设计上。
研究发现,在预弯半径为焊管名义半径的1~1.3倍时不仅可以获得理想的O成形形状,而且可以降低O成形压力。
采用有限元分析方法研究了焊管UOE成形预弯弧度和预弯半径对O成形的影响[11]。
分析中假定板料变形过程为平面应变,采取平面模型,控制缩径率为0.4%,弯边模具采用标准圆弧。
研究发现,预弯工艺可以改善板料O成形后的曲率分布,预弯半径为焊管名义半径的1.0~1.3倍时,可以获得较好的形状,过大或过小都会使O成形后管坯的曲率沿弧长方向急剧变化。
在相同缩径率的情况下,在上述合理的预弯半径范围内所需成形载荷较大。
这两篇文献主要侧重于预弯模具对O成形后管坯的影响,文献[10]还通过理论计算对预弯辊半径进行了优化。
上述所提的预弯辊都为标准圆弧。
通过分析UOE制管工艺O成形时钢板所受的力和弯距[12],,揭示出影响成形压力的主要因素——板厚和管径。
给出两种计算钢板O成形所需压力的计算方法。
一种是根据板料屈服强度计算成形压力,另一种是基于校正压缩比计算成形压力。
与实际情况比较,两种方法都有一定的误差,主要原因是板料性能的参数波动所致。
根据板料屈服强度计算的压力压缩比不同时,偏差较大;而根据压缩比的计算方法,物理意义更为明确,压力偏也相对较小。
研究表明,随板厚增加、钢级提高、板宽加大,O成形所需压力增大;随管径增大,O成形所需压力降低。
基于板料屈服强度可以估算O成形所需压力,而基于压缩比的方法,由于考虑板料校正过程的塑性应变,物理意义更为明确,计算偏差较小,较适合工程应用。
1.4本文研究材质与内容
1.4.1研究材质
表1.1性能参数
材料类型
弹性模量E
(Pa)
泊松比ν
屈服应力(Pa)
切线模量E
(Pa)
密度
(Kg/m3)
X70
2.11
0.3
6.09
1.475
7800
X60
2.54
0.3
5.10
1.475
7800
1.4.2研究内容
本文通过数值模拟和优化对大口径直缝焊管O成型工艺进行更加深入细致的研究。
主要研究内容如下:
(1)针对O成型过程,建立有限元模型,并利用ANSYS/LS-DYNA进行模拟,分析O成型过程中应力和应变的分布情况。
(2)针对O成型过程,选用不同的板料材质参数和厚度进行模拟比较,分析O成型过程中应力和应变的分布情况。
第二章O成形过程的有限元数值模拟
2.1引言
建立有限元分析模型的一般过程通常一个有限元数值模拟分析需要经过以下几个步骤:
1、零件产品二维几何模型的建立;
2、模具及坯料的二维几何建模;
3、有限元模型的建立;
4、有限元分析计算;
5、仿真结果的后处理;
6、仿真结果的分析及应用。
其中,有限元模型的建立是整个有限元数值模拟分析的关键,正确、合理的将产品的几何模型转化为有限元分析模型将直接影响有限元求解的最终结果。
2.2O成型有限元模型的建立
2.2.1选材
选X60为焊管材质,焊管厚度为22mm。
有限元模型参数如表:
密度(kg/m3)
弹性模量
(Pa)
泊松比
v
屈服应力
(Pa)
切线模量
(Pa)
板料
7800
2.54
0.3
5.10
1.475
上模
7100
1.70
0.25
7.00
下模
7100
1.70
0.25
7.00
2.2.2创建几何实体模型
(1)选择Main>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Circle>SolidCircle,在弹出的窗口WPX中输入0,0,0.516;WPY中输入0,0.538;Radius中输入-180,如图所示
点击OK,即可创建U型板料中的圆弧部分如图2-1所示:
图2-1U形板料圆弧部分
(2)选择Main>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Rectangle>ByDimensions,在弹出的窗口X1,X2中输入0.516,0.538,Y1,Y2中输入0,1.1106,如图所示
点击Apply,然后再在X1,X2中输入-0.516,-0.538,Y1,Y2中输入0,1.1106点击OK即可,即U型板模型建立。
如图2-2所示:
图2-2U形板材建模
(3)与步骤
(1)同方法即可建立接头处模型,先建立图(a),点击Apply,再建立图(b),再点击OK即可建立图(c)所示,如图所示:
(a)(b)
(c)
(4)与步骤
(1)相同,只是输入值不同,先在WPX中输入0,0.0594,0.5974;WPY中输入0,0.760;Radius中输入-180,点击Apply,然后再在WPX中输入0,0.85,0.5974;WPY中输入0,0.760;Radius中输入180,即可建立上下O模,如图2-3所示:
2-3整个模具和板料的几何模型
2.2.3划分网格
划分网格是一个很重要的步骤,选择MainMenu>Preprocessor>Meshing>SizeCntrls>ManualSize>Global>Size命令,然后在图形显示区选择想要划分的区域,即可建立模型的网格划分。
如图2-4所示:
图2-4模具整体及板料网格划分
2.2.4定义接触
选择MainMenu>Preprocessor>LS-DYNAOptions>Contact>DefineContact命令,在弹出的对话框中,依次选择如图2-5所示:
图2-5定义接触
然后完成OK按钮完成接触的定义。
2.2.5定义约束
上模、下模在模拟成型过程中将下模定义为刚体,约束所有自由度,上模也定义为刚体,约束了X、Y方向的平动自由度以及X、Y、Z三个方向上的转动自由度。
坯料为自由体,没有设定任何自由度的约束。
对上模施加-Y方向的位移加载,其加载曲线如图2-6,下模和坯料没有任何加载条件。
图2-6上模位移-时间曲线
UOE成形过程受材质、变形条件、模具尺寸及其他一些因素的影响。
但是,有些因素对实际变形过程的影响很小,因此可以进行一些必要的简化和假设。
本文在后续的数值模拟中所采取的模型简化及假设包括:
(1)板料长度方向的变形忽略不计,变形区为平面应变状态。
(2)忽略温度变化及热效应对管坯性能的影响。
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