本发明属于测试技术领域，涉及一种对高钢级大口径螺旋焊管残余应力水平及分布进行测试和验证的方法，适用于钢级≥X70，直径≥900㎜，成型焊接方式为：螺旋埋弧焊。
背景技术：
为了降低成本、提高输送效率，管道建设迅速向长距离、高输送压力以及复杂地域发展。高钢级、大口径输送用焊管已成为当今油气输送管道的发展方向。螺旋埋弧焊管是由热轧板卷在成型机组中连续成型焊接而成，其成型工艺与直缝埋弧焊管不同，焊缝形式也不同。由于成型过程中成型辊下压方向与板材递送方向不一致，成型辊的调整可能造成其受力不同，而且螺旋埋弧焊管在制造过程中，无冷扩径工序，所以螺旋埋弧焊管的残余应力状态更加复杂。内部存在较大的残余拉应力是限制螺旋焊管使用的主要原因之一，亦是螺旋埋弧焊管的薄弱环节之一，而且随着焊管钢级的提高和壁厚的增大，这一问题将更加突出。
残余应力会对焊管制造质量和使用性能产生影响，是产生管体应力腐蚀和各种焊接裂纹的主要力学因素之一；在服役条件下，尤其是低温及动载荷条件下，会不同程度地降低焊管的承载能力和使用寿命；此外还会影响焊管的尺寸稳定性。而且随着钢级的提高、壁厚的增大，在成型过程中通过调整成型参数对残余应力进行控制的难度也会增大。因此，预测和测试高钢级大口径螺旋焊管残余应力，分析其产生的工艺因素，进而在制管过程中对高钢级大口径螺旋埋弧焊管的残余应力进行控制，具有非常重要的意义，可提高螺旋焊管质量、扩大其使用范围，降低管道工程建设的成本。
切环试验法简便易行，在高钢级大口径螺旋埋弧焊管的生产中应用较广。该方法的基本原理是通过沿焊管轴向将管线切开，这样切口两边往往会发生相应的位置变化，从而将管线中所储存的残余应力释放出来。根据切口两边所发生的位置变化(位移)，按照一定程序就可以推算出残余应力。
根据文献调研分析，国内外一直没有较为成熟的焊管残余应力计算公式，通常仅用切环试验作为生产中监控残余应力的方法，用切口张开间距作为衡量残余应力的指标。专利ZL2007101181324“螺旋缝埋弧焊管的残余应力计算方法”虽然提出了螺旋缝埋弧焊管中残余应力的评价计算方法，但由于高钢级大口径螺旋埋弧焊管切环后所出现的现象较为复杂，仍需要对螺旋缝埋弧焊管中残余应力的评价计算方法进行完善。并且，对于所提出的方法还应采用一种方法进行试验验证，以验证该方法的正确性。
技术实现要素：
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种针对高钢级大口径螺旋埋弧焊管切环试验后所表现出的复杂现象，提出其残余应力的评价计算方法，以便对螺旋焊管的残余应力进行评价和控制，提高螺旋焊管的质量，扩大其使用范围，降低管道工程建设的成本。针对本发明提出的高钢级大口径螺旋焊管残余应力预测公式，提出了一种在切环试验时对其进行验证的用应变片法，以验证该预测方法的正确性及可行性。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
一种高钢级大口径螺旋埋弧焊管残余应力预测及验证方法，包括下述步骤：
(1)采用切环试验对高钢级大口径螺旋埋弧焊管的残余应力进行预测：
1)采用切环试验将螺旋缝埋弧焊管沿轴向切开，管段切口两侧沿轴向会发生错动Δz、沿着周向张开ΔL，并且两边所在圆周也会发生Δr的径向错位；
2)设钢管的原始直径为D，管壁厚度为h，则沿轴向切开后，在圆柱坐标系下各方向的应变进行分析；
3)管段经切环试验切开后发生三个方向形状变化所对应的原始状态应力分布；用弹性力学的叠加原理给出了管段切开后复杂变形情况的宏观应力分布，其中轴向错位和周向张开体现了管段内宏观应力的部分，径向错位反映出管段内应力分布的不均匀性；切环试验中高钢级大口径螺旋埋弧焊管残余应力τ*残的预测公式如下：
式中：E为弹性模量，MPa；h为壁厚，mm；D为钢管外径，mm；ΔL为管段周向张开量，mm；Δz为管段轴向错位，mm；Δr为管段径向错位，mm；
(2)采用应变片法对高钢级大口径螺旋埋弧焊管残余应力预测公式进行验证：
1)对进行切环试验的螺旋缝埋焊管管段，在管壁外表面沿圆周等间距贴上若干个应变片，然后进行切环试验，将管段沿轴向切开，测试记录管段沿轴向切开前后应变片上的读数变化；
2)由应变片所测得的应变值可以计算出相应的残余应力；
3)根据各点应变片测得的应变值计算出相应的各点的残余应力τ'max，然后将各点的残余应力τ'max取平均值，得到将与基于切环试验的高钢级大口径螺旋埋弧焊管的残余应力预测值τ*残进行比较，若各点的残余应力平均值与残余应力预测值τ*残的差值在20％以内，则高钢级大口径螺旋埋弧焊管残余应力的预测公式准确可行。
进一步，所述步骤(2)-1)中，在管壁外表面沿圆周等间距贴上若干个应变片测试记录管段沿轴向切开前后应变片上的读数变化。
进一步，所述步骤(2)-2)中，由应变片所测得的应变值计算出相应的残余应力，通过下述方法得到：
计算时，取0°方向与周向平行，90°方向沿管道轴向；则主应力为：
式中，σ1为最大主应力，MPa；σ2为最小主应力，MPa；
ε0°为焊管0°方向的应变，με；ε90°为焊管90°方向的应变，με；ε45°为即与焊管周向成45°方向的应变，με；ν为泊松比；E为弹性模量；
相应的最大剪应力为，
最大主应力与0°方向的夹角2φ：
进一步，所述0°方向即与焊管周向平行的方向。
进一步，所述90°方向即沿焊管轴向的方向。
本发明针对高钢级大口径螺旋埋弧焊管残余应力预测及验证，提出了一种基于切环试验的方法的残余应力预测计算方法以及基于应变片法的验证方法，可产生如下效果：
(1)本发明提出的高钢级大口径螺旋埋弧焊管残余应力评价计算方法可用于对其残余应力进行评价和控制，从而提高高钢级大口径螺旋焊管的质量，扩大其使用范围，降低管道工程建设的成本。
(2)本发明提出的对高钢级大口径螺旋焊管残余应力预测公式进行验证的方法可用于对本发明提出的高钢级大口径螺旋焊管残余应力预测公式进行验证，以证实其正确性和可行性；也可在进行切环试验时同时使用，以实现对高钢级大口径螺旋焊管残余应力的预测和测试。
附图说明
图1(a)、(b)为切环法沿轴向切割后的焊管外观示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。
本发明一种高钢级大口径螺旋埋弧焊管残余应力预测及验证方法，包括下述步骤：
(1)采用切环试验对高钢级大口径螺旋埋弧焊管的残余应力进行预测：
1)采用切环试验将螺旋缝埋弧焊管沿轴向切开，管段切口两侧沿轴向会发生错动Δz、沿着周向张开ΔL，并且两边所在圆周也会发生Δr的径向错位；
2)设钢管的原始直径为D，管壁厚度为h，则沿轴向切开后，在圆柱坐标系下各方向的应变进行分析；
3)管段经切环试验切开后发生三个方向形状变化所对应的原始状态应力分布；用弹性力学的叠加原理给出了管段切开后复杂变形情况的宏观应力分布，其中轴向错位和周向张开体现了管段内宏观应力的部分，径向错位反映出管段内应力分布的不均匀性；切环试验中高钢级大口径螺旋埋弧焊管残余应力τ*残的预测公式如下：
式中：E为弹性模量，MPa；h为壁厚，mm；D为钢管外径，mm；ΔL为管段周向张开量，mm；Δz为管段轴向错位，mm；Δr为管段径向错位，mm；
(2)采用应变片法对高钢级大口径螺旋埋弧焊管残余应力预测公式进行验证：
1)对进行切环试验的螺旋缝埋焊管管段，在管壁外表面沿圆周等间距贴上若干个应变片，然后进行切环试验，将管段沿轴向切开，测试记录管段沿轴向切开前后应变片上的读数变化；
2)由应变片所测得的应变值可以计算出相应的残余应力；
计算时，取0°方向与周向平行，90°方向沿管道轴向；则主应力为：
式中，σ1为最大主应力，MPa；σ2为最小主应力，MPa；
ε0°为焊管0°方向(即与焊管周向平行的方向)的应变，με；ε90°为焊管90°方向(即沿焊管轴向的方向)的应变，με；ε45°为即与焊管周向成45°方向的应变，με；ν为泊松比；E为弹性模量；
相应的最大剪应力为，
最大主应力与0°方向的夹角2φ：
3)根据各点应变片测得的应变值计算出相应的各点的残余应力τ'max，然后将各点的残余应力τ'max取平均值，得到将与基于切环试验的高钢级大口径螺旋埋弧焊管的残余应力预测值τ*残进行比较，若各点的残余应力平均值与残余应力预测值τ*残的差值在20％以内，则高钢级大口径螺旋埋弧焊管残余应力的预测公式准确可行。切环法沿轴向切割后的焊管外观见图1(a)、(b)。
下面给出具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
对于X80 1219mm×18.4mm螺旋埋弧焊管，切取长度为200mm管段进行切环试验，切口周向张开量为50mm，轴向错开量为0mm径向错开量为10mm，则采用本发明提出的高钢级大口径螺旋埋弧焊管残余应力预测方法，该焊管的残余应力为57.4MPa。
对于上述X 80 1219mm×18.4mm螺旋埋弧焊管长度为200mm的管段，在管壁外测沿圆周均匀的贴上8个应变片，然后将管段沿轴向切开，并测试管段沿轴向切开前后应变片上的读数变化以及管段切开后的周向张开量、切口两侧沿轴向的位移量和沿径向的错位量。表1为按本发明提出的切环试验残余应力预测公式给出的残余应力值与应变片法测试结果的对比。可见，管段各点的残余应力平均值与残余应力预测值τ*残的差值约为17％。
表1本发明提出的切环试验残余应力预测公式给出的残余应力值与应变片法测试结果对比
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。