大直径螺旋焊管管端扩径的数值模拟与实验研究
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摘要
本文针对国内急需的大直径管线钢管机械扩径技术问题，采用有限元数值
模拟和实验研究方法，就大直径管线钢管管端机械扩径工艺过程及其相关技术
问题进行了研究。
数值模拟研究工作以大型非线性有限元分析软件MARC为平台，采用大变
形弹塑性有限元方法，分别按平面变形问题和轴对称问题，对管线钢管管端机
械扩径过程的横断面、纵断面变形特征作了数值分析。分析结果表明，管线钢
管机械扩径的变形过程具有十分明显的局部变形特征，整个变形过程可以分为
整圆、扩径和卸载三个阶段，每个阶段变形特点各不相同，沿周向管坯变形并
不均匀。文章基于圆度和壁厚局部减薄这两个制品质量的主要评价指标，对模
具结构参数和工艺参数进行了优选，初步揭示了扩径模具结构参数和制品质量
之间的关系，扩径率与制品形状精度的关系，给出了相应参数的合理取值范围。
实验研究以材质为X60、直径为406mm、壁厚为7.3mm、长为500mm的
埋弧螺旋焊管作为对象，在YD—315液压机上进行了扩径实验。通过实验，测
得了扩径力与液压机行程、扩径力与扩径率的关系曲线。
机械扩径时，扩径行程的正确确定，关系到制品的成形精度。本文给出了
不同扩径量、不同管坯圆度误差时机械扩径行程计算方法。
In order to satisfy the urgent requirement of large diameter line pipe with high
quality, a study was made on the process of spiral pipe end expanding by means of
FEM numerical simulation and experiment.
Based on large deformation elasto-plasticity theory, U.L. method, planar strain
and axisymmetric FEM model, the FEM nume馽al simulation research on the
mechanical expanding process was carried out, through the powerfrl, modem,
general-purpose nonlinear analysis finite element program, MARC. According to
numerical simulation results, there is an evident feature of partial deformation in the
pipe being expanded. According to different deformation feature, the process of pipe
end expanding is divided into three stages梤ounding, expanding and unloading.
Based on roundness error and wall thickness reduction, the die structure parameters
and expanding process parameter were optimized. The relationship between
expanding ratio and shape quality of pipe expanded was given, the relationship
between expanding dies and shape quality of pipe expanded was disclosed also and
the reasonable range of those parameters were given
The test pieces include ten spiral pipes, with diameter of 406mm, wall thickness
of 7.3mm and length of 500mm.The experiment was done on YD-31 5 hydraulic
press. The curve of expanding force vs. expanding stroke and the curve of expanding
force vs. expanding ratio were given.
To ensure shape quality, the practical formula of expanding stroke was given.
模拟和实验研究方法，就大直径管线钢管管端机械扩径工艺过程及其相关技术
问题进行了研究。
数值模拟研究工作以大型非线性有限元分析软件MARC为平台，采用大变
形弹塑性有限元方法，分别按平面变形问题和轴对称问题，对管线钢管管端机
械扩径过程的横断面、纵断面变形特征作了数值分析。分析结果表明，管线钢
管机械扩径的变形过程具有十分明显的局部变形特征，整个变形过程可以分为
整圆、扩径和卸载三个阶段，每个阶段变形特点各不相同，沿周向管坯变形并
不均匀。文章基于圆度和壁厚局部减薄这两个制品质量的主要评价指标，对模
具结构参数和工艺参数进行了优选，初步揭示了扩径模具结构参数和制品质量
之间的关系，扩径率与制品形状精度的关系，给出了相应参数的合理取值范围。
实验研究以材质为X60、直径为406mm、壁厚为7.3mm、长为500mm的
埋弧螺旋焊管作为对象，在YD—315液压机上进行了扩径实验。通过实验，测
得了扩径力与液压机行程、扩径力与扩径率的关系曲线。
机械扩径时，扩径行程的正确确定，关系到制品的成形精度。本文给出了
不同扩径量、不同管坯圆度误差时机械扩径行程计算方法。
In order to satisfy the urgent requirement of large diameter line pipe with high
quality, a study was made on the process of spiral pipe end expanding by means of
FEM numerical simulation and experiment.
Based on large deformation elasto-plasticity theory, U.L. method, planar strain
and axisymmetric FEM model, the FEM nume馽al simulation research on the
mechanical expanding process was carried out, through the powerfrl, modem,
general-purpose nonlinear analysis finite element program, MARC. According to
numerical simulation results, there is an evident feature of partial deformation in the
pipe being expanded. According to different deformation feature, the process of pipe
end expanding is divided into three stages梤ounding, expanding and unloading.
Based on roundness error and wall thickness reduction, the die structure parameters
and expanding process parameter were optimized. The relationship between
expanding ratio and shape quality of pipe expanded was given, the relationship
between expanding dies and shape quality of pipe expanded was disclosed also and
the reasonable range of those parameters were given
The test pieces include ten spiral pipes, with diameter of 406mm, wall thickness
of 7.3mm and length of 500mm.The experiment was done on YD-31 5 hydraulic
press. The curve of expanding force vs. expanding stroke and the curve of expanding
force vs. expanding ratio were given.
To ensure shape quality, the practical formula of expanding stroke was given.
引文
1 日本铁钢协会．铁钢便览．第3版．丸善株式会社．1980：1109～1154
2 青木信美，柿田和俊，杉村重幸等．寒冷地向高张力．裂铁研究．1973,(277)：45～61
3 贾十周．直流电阻焊钢管与无逢管对比．焊管．1995，18(3)：12～17
4 殷瑞钰．优化结构，引导投资，促进钢管生产技术进步．焊管．1995，18(4)：1～8
5 潘家华．我国管道钢管的发展发向．焊管．1998，21(4)：16～18
6 于长河．焊管生产技术讲座．焊管．1991，14(4)：62～43
7 杜厚益．俄罗斯钢管业的现状及前景分析．钢管．2000，29(3)：4～8
8 日本铁钢协会．铁钢技术进步．铁钢．1975，61(4)：S581
9 陈云久编译．欧盟及德国钢管工业的现状浅析．钢管．1998，27(6)：57～60
10 王霖编译．俄罗斯制管业态势．焊管．2000，23(2)：54～56
11 陈毓勋，赵振铎，王同海．特种冲压模具与成形技术．现代出版社．1989：345
12 王同海．管材塑性加工技术．机械工业出版社．1998：91
13 中国机械工程学会锻压学会．锻压手册．机械工业出版社．1993：413
14 Vernon Fend. Metalforming by expanding,shrinking and rotary roll forming.SME. 1972: MF72-518
15 Technical Research Center, Fukuyama Works. UOE造管方式厚肉钢管．日本钢管技报．1979,(80): 90～95
16 丁晓军．螺旋埋弧焊管技术发展和技术改造设想．焊管．2000，23(3)：62～83
17 付正荣．螺旋焊管冷扩径技术的试验研究．重型机械．1999，5：18～22
18 高田庸，杉江英司，连野贞夫．钢管成形时降伏応力变化．铁钢．1975，61(4)：S581
19 贺幼良，乔进先，贾春德．焊管整圆工艺研究．焊管．1998，21(3)：20～22
20 贺幼良．焊管定径整圆工艺理论研究．沈阳工业学院硕士论文．1995：16～25，26～56
21 王茂棠．大型输气管线选材中的几点看法．焊管．2000，23(3)：32～42
22 黄志潜．国外输气管道技术的发展现状和几点建议．焊管．2000，23(3)：1～20
23 王仪康．高压输送天然气管线用钢和焊接钢管．焊管．1998，21(4)：21～27
24 苗承武．西气东输工程及其管线管的选择．焊管．2000，23(3)：26～31
25 黄志潜．发展长输管道用埋弧直缝焊管适应国内外油气工业发展的需要．焊管．1998，21(4)：1～9
26 王茂棠．完善我国油气管道钢管制管体系的几个问题．焊管．1998，21(4)：35～40
27 陈三强，胡万志．从库鄯输油管线建设特点探讨西部石油管道发展对策．焊管．1999，22(1)：1～3
28 李延丰．螺旋缝埋弧焊管与直缝埋弧焊管之特点．焊管．1998，21(3)：1～2
29 潘家华．管道输送钢管的发展趋势．焊管．1994，17(2)：1～4
30 佟连勋．浅谈我国焊管行业的现状与发展．焊管．1995，18(4)：9～33
31 张培康．从陕京管道建设看国产埋弧焊管质量的提高．焊管．1998，21(4)：50～51
32 潘家华．UOE钢管与螺旋焊管可靠性分析．焊管．1991，14(2)：35～41
33 高探贵．全国油气管道展望及对管材的基本要求．焊管．1998，21(4)：10～15
34 杨继锋．我国石油天然气管道现状与输送钢管的发展．焊管．1998，21(6)：5～11
35 杨继锋．2000年我国钢管消费需求市场发展趋势．焊管．1995，18(2)：13～16
36 李鹤林．天然气输送钢管研究与应用中的几个热点问题．焊管．2000，23(3)：43～81
37 李延丰．管线钢管的包申格效应与质量．焊管．2000，23(1)：1～13
38 王仪康．高压管线材料和相关问题．焊管．2000，23(3)：84～88
39 焦百泉．管线钢性能的发展．焊管．1999，22(4)：1～7
40 高惠临，董玉华，周郝斌．管线钢的发展趋势与展望．焊管．1999，22(3)：4～8
41 寺田好男．X100管线钢管的开发．曹长娥编译．焊管．1999，22(2)：53～59
42 木佳．X100 UOE干线管．焊管．1995，18(3)：52～56
43 严子平，冯先锦编译．X100 UOE钢管的研制．钢管．1993，1：47～51
44 杨建荣，张居勤，孙悌民．日本钢管公司新开发的不锈钢UOE钢管．焊管．1991，14(2)：54～60
45 潘家华．西气东输工程．焊管．2000，23(3)：21～25
46 吴坚．轧钢设备及工艺——钢管生产．东北重型机械学院．1984：6，180～197
47 陈少杰．螺旋焊管成形工艺研究．燕山大学博士论文．1997：1～20
48 张绍庆．螺旋焊接钢管的直径控制．焊管．1995，18(6)：34～38
49 刘顺洪，李志远，谢明立等．内胀和外控成型螺旋焊管残余应力的测试和比较分析．焊管．1995，18(1)：25～31
50 王关荣．压力容器整圆模的设计和应用．压力容器．1991，8(6)：40～44
51 李长穆等编译．现代钢管生产．冶金工业出版社．1982：271～280
52 郭宝锋，金淼，任运来等．大口径直缝焊管UOE成形技术及发展策略．锻压技术．2000，25(3)：22～25
53 藤本一郎，中野宏．′73裂铁机械備總攬．新产业出版株式会社．昭和48年：405
54 丸尾智彦．钢管加工管肉厚影响．第23回塑性加工连合讲演会．1972，(11)：213～216
55 Kohno,TaKuo. Recent Progress and Future Evolvement of Technology for Manufacturing Welded Pipes. Third International Conference on Steel Rolling: Technology of Pipe and Tube and Their Application. Tokyo. 1985:312～319
56 Sayama, Yasuhiro. Recent Progress in Pipemaking Technology Devolooed at Kawasaki Steel Corporation. Kawasaki Steel Technical Report. 1991,9: 38～48
57 J. Afaganis Alex, R. Barnes Keith, E. Hanson George. Development and Production of Large Diameter, High Toughness Gr.550(X8O) Linepipe at Stelco. Mechanical Working and Steel Processing Conference. Indianapolis. 1997,10: 535～544
58 M. Suzuki, S. Endo, M. Suga. Effect of PWHT on Flash Butt Welded joint of TMCP Steel UOE Pipe. Proceedings of the International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering Symposium Proceedings of the Eighth International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering. Hague. 1989,3: 277～283
59 F. Kawabata, J. Matsuyama. Girth Welding of High Grade Line Pipe for Sour Service. Proceedings of the International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering Symposium Proceedings of the Eighth International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering. Hague. 1989,3: 293～299
60 T. Taria, Takehara. Development of Arc Welded Large Diameter Stainless Steel Pipes for LNG Piping. Sheet Metal Industries. 1984,61 (1): 35～36
61 王龙．大口径直缝焊管生产用扩径机的研制．钢管．2000，29(2)：37～39
62 横山栄一，大坪宏，山県光邦等．成形过程中机械的性质变化．铁钢．1975，61(4)：S582
63 横山栄一，大坪宏，山県光邦．管厚方向强度分布推定．铁钢．1975，61(4)：S583
64 山口哲夫，平忠明，竹原準一郎．大径溶接钢管降伏応力及裂造条件影响．缺钢．1975，61(4)：S584
65 丁晓军．高强度管线钢管的技术性能及发展应用．焊管．1998，21(5)：1～8
66 彭在美．国内外直缝焊管机组的发展趋势．钢管．1998，27(4)：13～18
67 张朝生，周九龙．国外UOE电焊钢管生产技术发展状况．焊管．1992，15(3)：54～61
68 肖景容，李尚健．塑性成形模拟理论．华中理工大学出版社．1994：143～206
69 汪大年．金属塑性成形原理．机械工业出版社，1986：35～185
70 Marc Analysis Research Corporation. Marc Training Manual. USA.,1993:1～9
71 谢贻权，何福保．弹性和塑性力学中的有限元单元法．第三版．机械工业出版社，1983：178～182
72 胡世光．板料冷压成形原理．国防工业出版社，1979：75～77
2 青木信美，柿田和俊，杉村重幸等．寒冷地向高张力．裂铁研究．1973,(277)：45～61
3 贾十周．直流电阻焊钢管与无逢管对比．焊管．1995，18(3)：12～17
4 殷瑞钰．优化结构，引导投资，促进钢管生产技术进步．焊管．1995，18(4)：1～8
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9 陈云久编译．欧盟及德国钢管工业的现状浅析．钢管．1998，27(6)：57～60
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19 贺幼良，乔进先，贾春德．焊管整圆工艺研究．焊管．1998，21(3)：20～22
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24 苗承武．西气东输工程及其管线管的选择．焊管．2000，23(3)：26～31
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26 王茂棠．完善我国油气管道钢管制管体系的几个问题．焊管．1998，21(4)：35～40
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28 李延丰．螺旋缝埋弧焊管与直缝埋弧焊管之特点．焊管．1998，21(3)：1～2
29 潘家华．管道输送钢管的发展趋势．焊管．1994，17(2)：1～4
30 佟连勋．浅谈我国焊管行业的现状与发展．焊管．1995，18(4)：9～33
31 张培康．从陕京管道建设看国产埋弧焊管质量的提高．焊管．1998，21(4)：50～51
32 潘家华．UOE钢管与螺旋焊管可靠性分析．焊管．1991，14(2)：35～41
33 高探贵．全国油气管道展望及对管材的基本要求．焊管．1998，21(4)：10～15
34 杨继锋．我国石油天然气管道现状与输送钢管的发展．焊管．1998，21(6)：5～11
35 杨继锋．2000年我国钢管消费需求市场发展趋势．焊管．1995，18(2)：13～16
36 李鹤林．天然气输送钢管研究与应用中的几个热点问题．焊管．2000，23(3)：43～81
37 李延丰．管线钢管的包申格效应与质量．焊管．2000，23(1)：1～13
38 王仪康．高压管线材料和相关问题．焊管．2000，23(3)：84～88
39 焦百泉．管线钢性能的发展．焊管．1999，22(4)：1～7
40 高惠临，董玉华，周郝斌．管线钢的发展趋势与展望．焊管．1999，22(3)：4～8
41 寺田好男．X100管线钢管的开发．曹长娥编译．焊管．1999，22(2)：53～59
42 木佳．X100 UOE干线管．焊管．1995，18(3)：52～56
43 严子平，冯先锦编译．X100 UOE钢管的研制．钢管．1993，1：47～51
44 杨建荣，张居勤，孙悌民．日本钢管公司新开发的不锈钢UOE钢管．焊管．1991，14(2)：54～60
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47 陈少杰．螺旋焊管成形工艺研究．燕山大学博士论文．1997：1～20
48 张绍庆．螺旋焊接钢管的直径控制．焊管．1995，18(6)：34～38
49 刘顺洪，李志远，谢明立等．内胀和外控成型螺旋焊管残余应力的测试和比较分析．焊管．1995，18(1)：25～31
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51 李长穆等编译．现代钢管生产．冶金工业出版社．1982：271～280
52 郭宝锋，金淼，任运来等．大口径直缝焊管UOE成形技术及发展策略．锻压技术．2000，25(3)：22～25
53 藤本一郎，中野宏．′73裂铁机械備總攬．新产业出版株式会社．昭和48年：405
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56 Sayama, Yasuhiro. Recent Progress in Pipemaking Technology Devolooed at Kawasaki Steel Corporation. Kawasaki Steel Technical Report. 1991,9: 38～48
57 J. Afaganis Alex, R. Barnes Keith, E. Hanson George. Development and Production of Large Diameter, High Toughness Gr.550(X8O) Linepipe at Stelco. Mechanical Working and Steel Processing Conference. Indianapolis. 1997,10: 535～544
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59 F. Kawabata, J. Matsuyama. Girth Welding of High Grade Line Pipe for Sour Service. Proceedings of the International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering Symposium Proceedings of the Eighth International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering. Hague. 1989,3: 293～299
60 T. Taria, Takehara. Development of Arc Welded Large Diameter Stainless Steel Pipes for LNG Piping. Sheet Metal Industries. 1984,61 (1): 35～36
61 王龙．大口径直缝焊管生产用扩径机的研制．钢管．2000，29(2)：37～39
62 横山栄一，大坪宏，山県光邦等．成形过程中机械的性质变化．铁钢．1975，61(4)：S582
63 横山栄一，大坪宏，山県光邦．管厚方向强度分布推定．铁钢．1975，61(4)：S583
64 山口哲夫，平忠明，竹原準一郎．大径溶接钢管降伏応力及裂造条件影响．缺钢．1975，61(4)：S584
65 丁晓军．高强度管线钢管的技术性能及发展应用．焊管．1998，21(5)：1～8
66 彭在美．国内外直缝焊管机组的发展趋势．钢管．1998，27(4)：13～18
67 张朝生，周九龙．国外UOE电焊钢管生产技术发展状况．焊管．1992，15(3)：54～61
68 肖景容，李尚健．塑性成形模拟理论．华中理工大学出版社．1994：143～206
69 汪大年．金属塑性成形原理．机械工业出版社，1986：35～185
70 Marc Analysis Research Corporation. Marc Training Manual. USA.,1993:1～9
71 谢贻权，何福保．弹性和塑性力学中的有限元单元法．第三版．机械工业出版社，1983：178～182
72 胡世光．板料冷压成形原理．国防工业出版社，1979：75～77