摘要：椭圆度是大口径直缝埋弧焊管的一项重要质量指标，它直接关系到现场环焊施工能否顺利进行，而扩径工艺可以提高产品尺寸精度、消除残余应力、降低Bauschinger 效应，对保证成品管的最终质量至关重要。本文基于平面弹塑性理论建立有限元模型，对机械扩径过程进行数值模拟，探讨机械扩径对椭圆度的影响规律。计算结果表明，机械扩径可以大大改善管坯的原始椭圆度，而且扩径率在[0.5%, 1.5%]区间变化时，成品管的椭圆度并无显著差异，研究结果为扩径工艺参数的制定提供了理论指导。
关键词：机械扩径，椭圆度，有限元分析
1 引言
众所周知，大口径直缝埋弧焊管的成型方法多种多样，如UOE、JCOE、RBE、CFE、PFP、HU-METAL等等[1]。这些成型方法各有自己不同的特点，但都有一个共同之处，即最后一道成型工序都是扩径（Expanding），其目的在于提高尺寸精度，消除残余应力，降低Bauschinger效应，以保证成品管的最终质量[2]。扩径机一般分水压式和机械式两种，其中机械扩径机效率高、钢管内径尺寸精确、施工方便，因而，上世纪六十年代以后几乎都采用机械扩径机，如图1所示[3]。宝钢UOE机组的扩径机为机械式，扩径力最大为15MN，是目前世界上扩径能力最大的扩径机[4]。本文采用大型非线性有限元分析软件MSC.Marc/Mentat，对钢管的机械扩径过程进行数值模拟，研究机械扩径过程中椭圆度的变化规律，从而为机械扩径工艺参数的制定提供理论指导。
1—缸体；2—钢管；3 锥形体；4—扇形块
图1 机械扩径示意图
2 有限元模型建立
本文采用大型非线性有限元分析软件MSC.Marc/Mentat，以X70 钢级1016mm³21mm 规格UOE 焊管作为研究对象，在HP xw8400 工作站上进行建模和计算。根据弹塑性理论，机械扩径过程可简化为平面应变问题考虑，有限元模型如图3 所示，为平面应变模型，其中：管坯为弹塑性变形体，扇形块均为刚体，管坯与扇形块之间的摩擦类型为库仑摩擦，摩擦系数为0.1；管坯共划分为6456 个单元，7271 个节点，单元类型为四节点四边形全积分单元。根据结构对称性，Y 轴上的所有节点，约束其X 向位移及Z 向转动。
图2 机械扩径有限元模型
3 计算结果分析
图3 所示为机械扩径过程中的变形状态与应力分布情况。扩径前，扇形块处于收拢状态，如图3(a)。扩径时，扇形块沿径向外移，彼此间趋于分离状态，外接圆尺寸逐渐变大，对管坯施加径向载荷，从而使管坯相继发生弹性和塑性变形。根据管坯的变形特点，整个扩径过程可以细分为整圆、扩径和卸载回弹三个阶段。在整圆阶段，管坯基本上不产生塑性变形，只是体现在管坯的截面形状变化。随着扇形块向外扩张，成型过程进入到扩径阶段。在扩径阶段，管坯的塑性变形基本集中于扇形块间隙的悬空段，具有显著的局部变形特征。受扇形块不均匀加载的影响，塑性变形首先出现在相邻两扇形块末端的悬空处的管坯外表面，最大应力也位于该处，如图3(b)。随着扩径行程的增加，此前出现的局部塑性变形逐渐扩展到管坯内壁。与此同时，管坯内表面、相邻两扇形块末端悬空处的材料，也开始进入塑性状态。此时，对于整个管坯而言，绝大部分区域尚未产生塑性变形。之后，随着扩径量的增加，管坯全部进入塑性状态，如图3(c)。扩径过程完成时，管坯内部应力状态几乎全为拉应力。在卸载阶段，管坯的变形主要为弹性回复，等效残余应力较大的区域都分布在相邻两扇形块末端的管坯上，如图3(d)。
图4 为椭圆度与扩径率之间的关系曲线。从图中可以看出，扩径率在[0, 0.5%]区间变化时，对椭圆度的影响显著；而扩径率由0.5%逐步增至2.0%的过程中，椭圆度并无明显变化，扩径率在此区间可视为椭圆度的非主要影响因素。同时，在扩径率为[0.5%, 2.0%]范围内，初始椭圆度为3.0%的管坯经过机械扩径后，椭圆度的改善幅度达到95%以上，说明机械扩径工艺可以明显的改善管坯的原始椭圆度。
（a）
(b)
(c)
(d)
图3 扩径过程中的变形状态与应力分布
图4 椭圆度与扩径率的关系
4 结论
（1）基于平面弹塑性理论建立有限元模型，对机械扩径过程进行数值模拟，研究了机械扩径对椭圆度的影响规律。经现场工艺试验验证表明，模型计算结果与实际生产数据吻合较好，对现场生产具有实际指导意义。
（2）椭圆度是管坯成型过程中难以实现均匀弯曲变形而形成的一种形状缺陷。机械扩径可以大大改善管坯的原始椭圆度，对保证现场环焊施工正常进行起着关键性作用；同时研究表明，扩径率在[0.5%, 2.0%]区间变化时，成品管的椭圆度并无显著差异。
（3）机械扩径在改善原始椭圆度的同时，其本身也不可避免管坯的不均匀变形。如果盲目试图增大扩径率来寻求稳定一致的管子几何形态，不但不会获得预期效果，反而会带来一些负面影响。因此，扩径率合理取值非常关键。
参 考 文 献
[1] 兰兴昌.我国建设大直径直缝埋弧焊管机组的机组选型[J].焊管,1998,21(4):41-45.
[2] 肖曙红, 郑时雄. 大口径直缝焊管机械扩径成形机理研究[J]. 锻压装备与制造技术,2004,(5):81-84.
[3] 余大典,王啸修.直缝焊管机械扩径工艺技术研究[J].宝钢技术,2008,(3):62-65.
[4] 王宗南,马彦东.宝钢UOE 机组的装备水平与工艺技术[J].宝钢技术,2007,(2):52-56.(end)
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