直缝埋弧焊管端头段机械扩径工艺研究

直缝埋弧焊管端头段机械扩径工艺研究

论文摘要

直缝埋弧焊管是长距离输送石油、天然气的主要管线产品,钢管由厚钢板压制成形。扩径是直缝埋弧焊管生产过程的一个重要环节,一方面对焊管进行整形,提高焊管的直线度和圆度;另一方面是为了两根焊管连接的需要。因此,研究直缝埋弧焊管的扩径技术具有重要的意义。本文以X52直缝埋弧焊管为研究对象,开展对大直径厚壁埋弧焊管端口扩径过程的研究,首先结合静力平衡原理和主应力法,分析和推导了钢管端口扩径力的计算公式,这为选择设备提供了一定的依据;详细分析了管端机械扩径的变形过程,总结了机械扩径成形条件;通过对整圆、扩径阶段的分析,给出了卸载回弹变形量计算公式;采用有限元软件MSC.Marc对埋弧焊管端口扩径过程分别进行了二维和三维模拟,得到了变形过程中的应力、应变以及制品壁厚及径向尺寸的分布规律。研究表明,用多个扇形模具块对焊管端口进行机械扩径时,椭圆管坯的塑性变形具有显著的局部特性,且主要集中于悬空段。制品的断面轮廓和壁厚呈现不均匀的分布状态。在管坯横截面上,与模具边缘角相接触区域以及悬空区域的管坯,在扩径过程中,壁厚减薄较大,并存在凹陷现象,且随着扩径率的增大,有被拉直的趋势。而与模具工作表面相接触的管坯,其变形则较为均匀,材料壁厚减薄较小,达到扩径整形的目的。在纵截面上,根据变形区形态,可沿轴向将变形区分为端口变形区、过渡变形区和未变形区。未变形区的存在使得端口变形区在轴向受到拉应力限制作用,端口变形区的长度会小于模具扩径长度,因而在管线钢管的管端机械扩径时,必需保证最小扩径长度。本例的最小扩径长度为60 mm。管材端口通过机械扩径以后,内壁尺寸整体上都能达到对接要求,但由于悬空段管材的凹陷,端口局部区域的内径会减小,对接时会受到一定影响,产生错边,因此建议采用二次扩径整形的办法来解决。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 致谢
  • 第一章 绪论
  • 1.1 直缝埋弧焊管的应用与发展
  • 1.2 直缝埋弧焊管成形工艺
  • 1.3 扩径工艺介绍
  • 1.4 国内外焊管扩径技术的发展现状
  • 1.5 直缝埋弧焊管扩径技术存在的问题
  • 1.6 课题来源及研究内容
  • 1.6.1 课题来源
  • 1.6.2 课题研究内容
  • 第二章 弹塑性成形及模拟的基本理论
  • 2.1 弹塑性成形工艺特点
  • 2.2 弹塑性材料行为
  • 2.2.1 材料本构关系
  • 2.2.2 屈服准则
  • 2.3 弹塑性有限元法
  • 2.4 塑性成形数值模拟方法及分析的一般步骤
  • 2.5 模拟软件介绍[51,52]
  • 2.5.1 MSC.Marc 简介
  • 2.5.2 MSC.Marc 非线性方程组的求解方法
  • 2.5.3 MSC.Marc 非线性迭代的收敛判据
  • 2.5.4 利用MSC.Mentat 进行弹塑性分析
  • 第三章 直缝焊管管端机械扩径的力学分析
  • 3.1 钢管管端扩径受力分析
  • 3.1.1 扩径力的推导
  • 3.1.2 管坯内壁受到的正压力p 的求解
  • 3.1.2.1 弹性变形分析
  • 3.1.2.2 弹塑性变形分析
  • 3.1.2.3 全塑性状态
  • 3.2 钢管端口机械扩径成形条件
  • 3.2.1 应力分析
  • 3.2.2 管端机械扩径成形极限分析
  • 3.2.3 卸载回弹
  • 3.3 本章小结
  • 第四章 管端扩径二维有限元模拟及分析
  • 4.1 钢管端口扩径平面应变模型
  • 4.1.1 模型建立
  • 4.1.2 平面应变模拟结果分析
  • 4.2 轴对称模型
  • 4.2.1 模型建立
  • 4.2.2 轴对称模拟结果分析
  • 4.3 本章小结
  • 第五章 直缝埋弧焊管端口扩径变形三维有限元模拟
  • 5.1 工艺分析
  • 5.2 有限元模拟及分析
  • 5.2.1 三维有限元模型
  • 5.2.2 三维有限元模拟结果分析
  • 5.3 本章小结
  • 第六章 结论与展望
  • 6.1 结论
  • 6.2 展望
  • 参考文献
  • 攻读硕士学位期间发表的论文
  • 参加的科研项目
  • 相关论文文献

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