高強(qiáng)度UOE鋼管成形建模與工藝穩(wěn)健設(shè)計.pdf

1、UOE成形法是目前應(yīng)用最廣泛的油氣輸送用大口徑焊管的成形工藝。隨著油氣管線建設(shè)向邊遠(yuǎn)地區(qū)拓展，管道的服役條件越來越惡劣，對UOE鋼管的尺寸精度及力學(xué)性能要求也越來越嚴(yán)格，采用高強(qiáng)度管線鋼(X80~X120)是UOE鋼管的發(fā)展方向。使用高強(qiáng)度鋼在提升安全性和經(jīng)濟(jì)性的同時，由于回彈量大、包辛格效應(yīng)顯著、鋼板材料性能分布不均勻、波動幅度大，也給UOE成形工藝設(shè)計帶來挑戰(zhàn)。本文針對高強(qiáng)度UOE鋼管成形中開口寬度、鋼管力學(xué)性能、橢圓度等成形質(zhì)量指

2、標(biāo)的控制難題，圍繞UOE成形建模、分析與工藝穩(wěn)健設(shè)計，深入開展了以下研究工作：
　　1.高強(qiáng)度管線鋼材料本構(gòu)模型
　　鋼板在 UOE成形過程中涉及到多次加載-卸載-反向加載的復(fù)雜變形歷程，為了建立管線鋼的材料本構(gòu)模型，首先針對鋼板在UOE成形過程中的變形特點，對X70、X80、X90鋼板進(jìn)行循環(huán)拉壓試驗，分析管線鋼的屈服和硬化規(guī)律；然后基于Chaboche混合硬化模型提出了適用于高強(qiáng)度管線鋼的改進(jìn)模型。與Chaboche模型

3、相比，該模型不僅能夠準(zhǔn)確地計算材料顯著的包辛格效應(yīng)，而且能夠描述材料的屈服平臺、彈性模量變化等現(xiàn)象，為UOE成形過程的仿真計算提供了準(zhǔn)確的材料模型。
　　2. UOE成形建模與開口寬度優(yōu)化
　　基于所提出的管線鋼材料本構(gòu)模型，采用彈塑性理論解析的方法，對UOE成形過程進(jìn)行建模，提出了C、U、O成形過程的半解析計算方法，該方法能夠快速、準(zhǔn)確的預(yù)測C、U、O成形后管坯的幾何構(gòu)型、應(yīng)力應(yīng)變分布以及最終鋼管的力學(xué)性能。與有限元法相比

4、，本文所提出的半解析模型在保證計算精度的同時，大大提高了計算效率。O成形開口寬度的影響因素分析結(jié)果表明，U模具大圓弧半徑和 O成形壓縮率是影響開口寬度的重要工藝參數(shù)，開口寬度隨著 U模具半徑和壓縮率的增大而增大。將半解析模型與遺傳算法相結(jié)合，對C、U、O成形工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，實例結(jié)果表明本文所提出的C、U、O成形參數(shù)優(yōu)化方法可以很好的控制O成形開口寬度，為開口寬度的優(yōu)化控制提供理論指導(dǎo)。
　　3. UOE成形板-管力學(xué)性能演化

5、
　　基于本文所提出的半解析模型，通過對UOE成形工藝與后續(xù)壓平過程的理論計算，揭示了高強(qiáng)度管線鋼的屈服強(qiáng)度、屈強(qiáng)比的演化規(guī)律，分析了擴(kuò)徑率和厚徑比對管材屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比的影響。結(jié)果表明：由于鋼管不同部位在UOE成形過程中的應(yīng)變歷史不同，導(dǎo)致成形后鋼管橫截面上的屈服應(yīng)力分布不均勻，包辛格效應(yīng)增加了管材屈服應(yīng)力的不均勻性程度。C、U成形工序使板料的屈服強(qiáng)度略有下降；在O成形工序中，由于板料受到周向的壓縮載荷，管坯的拉伸屈服應(yīng)力有明顯

6、的下降趨勢；擴(kuò)徑工序則使管坯的拉伸屈服應(yīng)力升高，并且使應(yīng)力分布均勻化；最終的試樣壓平工序又使鋼管的屈服強(qiáng)度有所下降。鋼管的屈強(qiáng)比與擴(kuò)徑率和厚徑比呈正相關(guān)；采用較高的擴(kuò)徑率可以提升鋼管的屈服強(qiáng)度，同時也會使鋼管的屈強(qiáng)比升高。
　　4. UOE工藝穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計
　　針對UOE鋼管質(zhì)量控制困難、良品率低的問題，考慮板材性能分布不均與波動對產(chǎn)品質(zhì)量的影響，提出了材料板塊劃分方法來描述和量化鋼板性能的隨機(jī)分布，基于支持向量機(jī)回歸與序列