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摘要：螺旋钢管具有制作成本低和工艺成熟的优点，在输送用和结构用两个方面得到了很好的应用，尤其是在流体输送上的应用十分广泛。但是由于其制作工艺上通常所用的内承式和外抱式两种方式，导致钢管在制造成型后有很大的残余应力，从而降低了钢管的质量。本文通过对螺旋钢管的成型方法上讨论残余应力的产生机理，进而分别对其在输送和结构两方面的应用提出了相应的改进方案，对螺旋钢管的制造与应用具有很好的指导作用。
关键词：螺旋钢管；残余应力；成型方法
螺旋钢管不仅制作工艺成熟，而且具有制作成本低廉的优点。螺旋钢管在石油化工、城市给排水工程等流体输送领域上有着广泛的应用，尤其是在西气东输工程的建设中，长距离的输送石油和天然气的应用十分普遍。通常螺旋钢管的制造工艺是有内承式和外抱式两种方式，而钢管会在制造完成后产生弹复，这在一定程度上降低了螺旋钢管的质量。因此，针对螺旋钢管在实际应用中的这一难题，具有十分重要的意义。本文就螺旋钢管残余应力的产生机理进行分析，并提出了相关解决方案。
一、螺旋钢管的成型方法和残余应力产生机理
螺旋钢管是以带钢卷板为原材料，经常温挤压成型，以自动双丝双面埋弧焊工艺焊接而成的螺旋缝钢管。螺旋钢管的制造工艺，一般可以大致分为两种，即外抱式（又称管外加套辊方式）和内承式（又称库肯斯型的管内支撑方式），其具体的操作方式见图1。其中，外抱式是通过三排弯曲的曲辊首先对钢管进行轻微的弯曲加工操作，然后再通过外部的几排曲辊约束其外周部分，最终得到所需的钢管外径。不同于外抱式，内承式是首先通过曲辊对钢管进行强烈的弯曲处理，再从内向外扩展钢管，通过约束钢管的内径来成型的。两种不同的制造工艺，会产生半径向外扩张的残余应力和向外收缩的残余应力。
所谓的残余应力，基本定义是在不存在外力作用是，机械内部本身存在的内应力。一般对于任何一个机械物来说，在制造完成时都会或多或少的存在一定的残余应力。机械物的残余应力所产生的原因可以大致分为两种，一种是当物体收到外力作用是产生了不均匀的塑性形变，而当外力去除之后仍然参与在机械物体内的残余应力。比如锻压、打磨等机械操作就会产生类似的残余应力。另一种是由于机械物体受到了温度的影响，而最终温度在物体上分布不均匀产生的塑性形变，诸如焊接和锻造等热处理之后会产生一定的残余应力。
实验表明，机械物体产生的残余应力会严重的影响到其机械强度和尺寸大小。一般来说，如果物体内存在着大量的残余应力，会直接降低物体的机械强度、疲劳强度等；另一方面如果物体存在残余应力会影响到物体的尺寸精度，这是由于物体的物理形变而导致的。针对残余应力的危害，需要通过精确的计算来保证物体的机械强度和尺寸，但是往往由于残余应力的成因极为复杂，很难通过理论的计算来得到精确地结果，所以大多数情况下都是通过一定的经验总结加理论结合的方式来解决相关问题。
二、螺旋钢管残余应力的分析和解决方法
从上述分析可以知道螺旋钢管的残余应力十分复杂，通过经验总结加上理论分析来控制和利用残余应力具有十分重要的意义。下面将针对螺旋钢管在输送和结构两个方面的应用提出了相应的解决方案。
（1）输送用螺旋钢管的残余应力分析
当螺旋钢管作为输送用的时候，通常是通过标准屈服应力的90%的水压来进行机械性能检测的。此时残余应力对于钢管的机械能力具有很大的影响，甚至会出现塑性形变，影响到尺寸的精度。
通过分析上式可知，不论是选择90%的标定屈服应力还是100%的标定屈服应力的场合，一定会产生残余应力。也就是说，不论是以何种方式来制造螺旋钢管，在小于标准屈服应力的条件下，都会产生一定的塑性形。而外抱式和内承式相对来说是最好的减少参与应力产生的方法，加工中最好的解决塑性形变问题的方法就是增加扩管工序。
（2）结构用螺旋鋼管的残余应力分析
螺旋钢管另一个重大的用途是作结构用，诸如打桩管、作桥梁；码头、道路、建筑结构用管等。其中最典型的是用作钢管板桩，钢管板桩是经常在土木工程领域用的产品，且近些年来在应用中对其加工精度的要求越来越高，尤其是正圆度和弯曲度的公差的要求十分严格。但是，由于在其制造工艺上需要焊接的热处理，使其钢管上发生塑性形变，进而影响到钢管的尺寸精度。
一般在UOE钢管焊接时，由于残余应力和弯曲力矩都很小，所以焊接时由于产生的热量会引发圆周方向和长度方向上发生收缩变形，进而导致板桩宽度减小。此外，使用外抱式工艺制造螺旋钢管时，会使得板桩宽度发生增大的变形，这是因为焊接产生的热量使得受热钢管屈服极限会暂时减少，在残余应力和弯曲力矩的影响下，会使得板桩宽度向增大的方向进行。而为了保证尺寸的精度，通常可以有针对性的控制残余应力和弯曲力矩来达到控制板桩宽度的增大或收缩，以保证其尺寸精度。
总结
螺旋钢管具有制作成本低和工艺成熟的优点，在输送用和结构用两个方面得到了很好的应用，尤其是在流体输送上的应用十分广泛。但是由于其制作工艺上通常所用的内承式和外抱式两种方式，导致钢管在制造成型后有很大的残余应力，从而降低了钢管的质量。螺旋钢管在流体输送上具有很大的应用，本文通过分别从螺旋钢管的内承式和外抱式两种制造工艺入手，对其残余应力产生的机理进行了详细的分析。为了防止残余应力的产生对螺旋钢管的机械性能和尺寸精度的影响，文中又分别从螺旋钢管在输送和结构两个方面的应用做出了相应的分析和提出改进方案，对螺旋钢管的制造与应用具有很好的指导作用。
参考文献：
[1]李英，何显光，石成江，吴明. 螺旋钢管残余应力分析研究[J]. 化工设备与管道，2004，01：29-30+3-4.
[2]郝军，杜立新，罗金星. 螺旋埋弧焊钢管残余应力分析[J]. 试验技术与试验机，2004，Z2：28+39.
[3]王诗鹏. 钢管残余应力分析计算[J]. 焊管，2012，05：58-61.
[4]李荣锋，祝洪川，李长一，李福林. N80钢管残余应力的测试与分析[J]. 理化检验（物理分册），2009，01：65-66.
[5]李霄，熊庆人，石凯，刘彦明，李健，胥聪敏，张燕娜. 焊管残余应力研究进展及展望[J]. 焊管，2009，07：12-17.
[6]高玉魁，张志刚. 残余应力的测量与模拟分析方法[J]. 失效分析与预防，2009，04：251-254.
[7]刘顺洪，李志远，谢明立，刘世泽. 螺旋焊管残余应力的分布及影响因素[J]. 华中理工大学学报（社会科学版），1995，01：25-29.
作者简介：吕知瑜（1979—），男，长江大学机械工程学院在读工程硕士，中石化石油工程机械有限公司沙市钢管厂工程师，主要从事螺旋埋弧焊管生产及工艺技术研究工作。
关键词：螺旋钢管；残余应力；成型方法
螺旋钢管不仅制作工艺成熟，而且具有制作成本低廉的优点。螺旋钢管在石油化工、城市给排水工程等流体输送领域上有着广泛的应用，尤其是在西气东输工程的建设中，长距离的输送石油和天然气的应用十分普遍。通常螺旋钢管的制造工艺是有内承式和外抱式两种方式，而钢管会在制造完成后产生弹复，这在一定程度上降低了螺旋钢管的质量。因此，针对螺旋钢管在实际应用中的这一难题，具有十分重要的意义。本文就螺旋钢管残余应力的产生机理进行分析，并提出了相关解决方案。
一、螺旋钢管的成型方法和残余应力产生机理
螺旋钢管是以带钢卷板为原材料，经常温挤压成型，以自动双丝双面埋弧焊工艺焊接而成的螺旋缝钢管。螺旋钢管的制造工艺，一般可以大致分为两种，即外抱式（又称管外加套辊方式）和内承式（又称库肯斯型的管内支撑方式），其具体的操作方式见图1。其中，外抱式是通过三排弯曲的曲辊首先对钢管进行轻微的弯曲加工操作，然后再通过外部的几排曲辊约束其外周部分，最终得到所需的钢管外径。不同于外抱式，内承式是首先通过曲辊对钢管进行强烈的弯曲处理，再从内向外扩展钢管，通过约束钢管的内径来成型的。两种不同的制造工艺，会产生半径向外扩张的残余应力和向外收缩的残余应力。
所谓的残余应力，基本定义是在不存在外力作用是，机械内部本身存在的内应力。一般对于任何一个机械物来说，在制造完成时都会或多或少的存在一定的残余应力。机械物的残余应力所产生的原因可以大致分为两种，一种是当物体收到外力作用是产生了不均匀的塑性形变，而当外力去除之后仍然参与在机械物体内的残余应力。比如锻压、打磨等机械操作就会产生类似的残余应力。另一种是由于机械物体受到了温度的影响，而最终温度在物体上分布不均匀产生的塑性形变，诸如焊接和锻造等热处理之后会产生一定的残余应力。
实验表明，机械物体产生的残余应力会严重的影响到其机械强度和尺寸大小。一般来说，如果物体内存在着大量的残余应力，会直接降低物体的机械强度、疲劳强度等；另一方面如果物体存在残余应力会影响到物体的尺寸精度，这是由于物体的物理形变而导致的。针对残余应力的危害，需要通过精确的计算来保证物体的机械强度和尺寸，但是往往由于残余应力的成因极为复杂，很难通过理论的计算来得到精确地结果，所以大多数情况下都是通过一定的经验总结加理论结合的方式来解决相关问题。
二、螺旋钢管残余应力的分析和解决方法
从上述分析可以知道螺旋钢管的残余应力十分复杂，通过经验总结加上理论分析来控制和利用残余应力具有十分重要的意义。下面将针对螺旋钢管在输送和结构两个方面的应用提出了相应的解决方案。
（1）输送用螺旋钢管的残余应力分析
当螺旋钢管作为输送用的时候，通常是通过标准屈服应力的90%的水压来进行机械性能检测的。此时残余应力对于钢管的机械能力具有很大的影响，甚至会出现塑性形变，影响到尺寸的精度。
通过分析上式可知，不论是选择90%的标定屈服应力还是100%的标定屈服应力的场合，一定会产生残余应力。也就是说，不论是以何种方式来制造螺旋钢管，在小于标准屈服应力的条件下，都会产生一定的塑性形。而外抱式和内承式相对来说是最好的减少参与应力产生的方法，加工中最好的解决塑性形变问题的方法就是增加扩管工序。
（2）结构用螺旋鋼管的残余应力分析
螺旋钢管另一个重大的用途是作结构用，诸如打桩管、作桥梁；码头、道路、建筑结构用管等。其中最典型的是用作钢管板桩，钢管板桩是经常在土木工程领域用的产品，且近些年来在应用中对其加工精度的要求越来越高，尤其是正圆度和弯曲度的公差的要求十分严格。但是，由于在其制造工艺上需要焊接的热处理，使其钢管上发生塑性形变，进而影响到钢管的尺寸精度。
一般在UOE钢管焊接时，由于残余应力和弯曲力矩都很小，所以焊接时由于产生的热量会引发圆周方向和长度方向上发生收缩变形，进而导致板桩宽度减小。此外，使用外抱式工艺制造螺旋钢管时，会使得板桩宽度发生增大的变形，这是因为焊接产生的热量使得受热钢管屈服极限会暂时减少，在残余应力和弯曲力矩的影响下，会使得板桩宽度向增大的方向进行。而为了保证尺寸的精度，通常可以有针对性的控制残余应力和弯曲力矩来达到控制板桩宽度的增大或收缩，以保证其尺寸精度。
总结
螺旋钢管具有制作成本低和工艺成熟的优点，在输送用和结构用两个方面得到了很好的应用，尤其是在流体输送上的应用十分广泛。但是由于其制作工艺上通常所用的内承式和外抱式两种方式，导致钢管在制造成型后有很大的残余应力，从而降低了钢管的质量。螺旋钢管在流体输送上具有很大的应用，本文通过分别从螺旋钢管的内承式和外抱式两种制造工艺入手，对其残余应力产生的机理进行了详细的分析。为了防止残余应力的产生对螺旋钢管的机械性能和尺寸精度的影响，文中又分别从螺旋钢管在输送和结构两个方面的应用做出了相应的分析和提出改进方案，对螺旋钢管的制造与应用具有很好的指导作用。
参考文献：
[1]李英，何显光，石成江，吴明. 螺旋钢管残余应力分析研究[J]. 化工设备与管道，2004，01：29-30+3-4.
[2]郝军，杜立新，罗金星. 螺旋埋弧焊钢管残余应力分析[J]. 试验技术与试验机，2004，Z2：28+39.
[3]王诗鹏. 钢管残余应力分析计算[J]. 焊管，2012，05：58-61.
[4]李荣锋，祝洪川，李长一，李福林. N80钢管残余应力的测试与分析[J]. 理化检验（物理分册），2009，01：65-66.
[5]李霄，熊庆人，石凯，刘彦明，李健，胥聪敏，张燕娜. 焊管残余应力研究进展及展望[J]. 焊管，2009，07：12-17.
[6]高玉魁，张志刚. 残余应力的测量与模拟分析方法[J]. 失效分析与预防，2009，04：251-254.
[7]刘顺洪，李志远，谢明立，刘世泽. 螺旋焊管残余应力的分布及影响因素[J]. 华中理工大学学报（社会科学版），1995，01：25-29.
作者简介：吕知瑜（1979—），男，长江大学机械工程学院在读工程硕士，中石化石油工程机械有限公司沙市钢管厂工程师，主要从事螺旋埋弧焊管生产及工艺技术研究工作。