王漢奎 劉凱 孫永輝 宋明

中國特種設備檢測研究院

 

摘要：受施工條件限制，油氣管線對接環焊縫與管線鋼母材的強度級別存在不相匹配情況。通過試驗與數值模擬方法揭示了低強匹配環焊縫的變形規律。結果表明低強匹配環焊縫會在焊縫內部形成“X”形的剪切帶，剪切帶的寬度及最大值隨載荷的增大而增加，最終沿“X”形剪切帶破壞。數值計算表明對于該種破壞模式，通過增加焊后余高的方式補強效果不佳。

關鍵詞：高鋼級管線鋼；環焊縫；低強匹配；破壞模式；余高補強

 

長輸管線的對接環焊縫是管線安全運行的薄弱環節之一。自2010年以來，國內外已經發生多起因環焊縫失效引發的管道事故。美國管道與危險物品安全管理局PHSMA專門針對環焊縫發布公告（ADB-10-03）。受實際施工條件、施工效率及經濟因素限制，存在大批高鋼級管線鋼環焊縫強度低于母材的現象[1]。尤其是隨著X100等更高鋼級材料的使用，環焊縫強度弱于母材的矛盾將更加突出[2]。

筆者以國內已經投入運營的管道焊接接頭為研究對象，開展試驗及相應的有限元模擬。該管線外徑1016 mm，壁厚15.3 mm，設計輸送壓力10 MPa，管線材料X70，環焊縫采用手工電弧焊打底、藥芯焊絲自保護焊填充及蓋面。焊口經射線、超聲檢測合格，試驗材料避開環焊縫缺欠處取樣。

1  試驗研究

環焊縫采用多層、多道焊接[3]，由于焊接接頭的材料成分復雜及所經歷的熱過程不同，尤其是焊縫及熱影響區與母材性能差異較大，采用硬度陣列和拉伸試驗兩種方法測試焊接接頭不同區域的材料性能。

1.1  硬度測試

采用硬度陣列方式對焊接接頭進行測試，測點間隔1 mm，測點總數為394，維氏硬度HV10測試結果見圖 1。為直觀展示硬度分布，將維氏硬度測點形成的四邊形凹坑用彩色方塊覆蓋，代表不同硬度測量結果。藍色代表低硬度區域，該焊接接頭的最低硬度為155，出現在焊縫中間；紅色代表硬度較高區域，最高硬度為255，出現在熱影響區的粗晶區。焊縫兩側母材硬度有差異，右側母材硬度約為230～240，左側約為220～230，右側大于左側，這可能與母材制管工藝相關。在焊接熱影響區細晶區附近可見軟化區，其硬度為170～200。焊縫是整個焊接接頭最軟的區域，多數硬度介于160～180。焊縫的低硬度一方面與所選焊材成分有關；另一方面與選用的焊接工藝相關，多道焊接中，后一焊道相當于對前一焊道進行回火，焊縫材料在經受多次回火后硬度降低，焊縫中部及靠近打底焊的部分區域其硬度低于蓋面焊硬度。

圖 1 焊接接頭的硬度分布(HV10)

1.2  拉伸測試

經驗表明，材料硬度與材料強度相關，為進一步比較環焊縫與母材屈服強度、抗拉強度的差別，開展環焊縫拉伸試驗。分別取焊縫材料和母材，受焊縫材料尺寸限制將其加工為直徑5 mm的棒狀試樣，母材加工為直徑10 mm的棒狀試樣。拉伸試驗結果見表 1、圖 2，焊縫材料的屈服強度、抗拉強度以及斷后伸長率均低于母材，在管線整體受軸向力時，焊縫將先于母材屈服，進而導致管線變形。

圖 2 焊縫及母材的拉伸曲線

硬度測試與拉伸試驗結果均表明焊縫強度低于母材。當管線承受較大軸向載荷作用時，焊縫先于母材屈服并在焊縫區發生韌性破壞。為驗證該推測，利用數字圖像相關技術（DIC）測量焊縫區應變場分布。

1.3  DIC拉伸測試

環焊縫的載荷過程由母材和焊縫共同參與，將焊接接頭加工成板形拉伸試樣，焊縫處于試樣中部，板形試樣厚度為原始厚度，寬為1.5倍原始厚度，焊縫及母材內外表面均為原始形貌。焊接接頭的破壞形貌見圖 3，破壞形式為沿焊縫材料的剪切破壞，試驗測得其破壞強度為601 MPa，大于焊縫材料的抗拉強度而小于母材的抗拉強度。

拉伸試驗過程中利用數字圖像相關技術（DIC）測量焊縫及母材的應變場分布。即用數字相機以固定時間間隔獲取試樣表面數字圖像，該圖像攜帶了試樣的變形信息，通過計算機處理數字圖像以獲得試樣表面的應變場分布。為方便計算機對數字圖像的特征識別，需要在試樣側面噴漆（圖 3）。

圖 3 低強匹配焊接接頭的失效破壞形貌

DIC測試結果見圖 4，由于焊縫材料的屈服強度低于母材、焊接過程中形成的焊趾處幾何不連續，導致焊接接頭在拉伸過程中焊縫最先屈服，塑性應變在焊縫中并非平均分布，而是集中于特定區域。

圖 4 DIC測試與有限元FEA模擬結果

塑性應變集中區域呈現“X”形，是內壁、外壁焊趾交叉連接。焊趾位置由于幾何不連續，在彈性變形過程中焊趾應力水平高于平均拉應力，在焊趾位置最先屈服，開始塑性變形。之后塑性區沿焊趾連線擴展，整體呈現“X”形。隨著焊接接頭所受拉力增大，X區域內應變增大，直至最終破壞。焊接接頭的最終斷面由“X”形的部分區域組成，最終形成“/”形斷口或者“V”形斷口，圖 3所示斷口即為“/”形斷口。

2  有限元模擬

利用有限元建立焊接接頭模型。忽略熱影響區材料性能的變化，有限元模型由焊縫和母材兩部分材料構成。材料模型采用線性強化模型，材料屈服強度與抗拉強度選取見表 1，圖 4（b）是焊接接頭受500 MPa外部載荷時，有限元計算所得的應變場分布（等壁厚）。

對比圖 4可以看出，試驗與模擬計算兩者均呈現出類似的變形形貌。焊接接頭在受拉伸載荷的作用時所產生的塑性應變主要集中在“X”形區域內。試驗焊接接頭由于焊接所得材料不均勻或者幾何形貌差異，所得的應變集中區域“X”形對稱性不及模擬計算結果。

有限元模擬結果與DIC試驗結果均表明塑性變形集中在“X”形區域內，應變集中區域與焊縫焊后余高無重合部分。利用有限元模擬焊接所形成的不同焊后余高對應變大小及分布的影響見圖 5， 2.5 mm焊后余高焊接接頭的應變特征與4.0 mm焊后余高焊接接頭的應變特征相似，均為“X”形分布，焊后余高所增加的部分材料對應變分布的形態和應變分布的絕對值影響較小。

圖 5 焊后余高的影響結果（變壁厚）

3  結論

通過對低強匹配環焊縫焊接接頭的試驗研究與有限元模擬，表明管線環焊縫受軸向載荷作用時，塑性應變并非均勻分布在焊縫內，而是集中在“X”形區域內。在這種載荷條件下，通過增加焊后余高以彌補焊縫材料的強度則效果不佳。

 

參考文獻：

[1]何仁洋. 應高度重視油氣管道環焊縫質量管控及隱患排查[J]. 管道保護，2018(5)：4-7.

[2]任俊杰，馬衛鋒，惠文穎，羅金恒，王珂，馬秋榮，霍春勇. 高鋼級管道環焊縫斷裂行為研究現狀及探討[J]. 石油工程建設，2019，45(01)：1-5.

[3]隋永莉.國產X80管線鋼焊接技術研究[D].天津大學，2008.

 

支持項目：國家重點研發計劃“典型材料和焊接接頭的高溫損傷機理及早期診斷關鍵技術研究”（2016YFC0801901）。

作者簡介：王漢奎，1982年生，博士，高級工程師，主要研究方向為材料性能的微損測試與評價技術、失效分析。聯系方式：13811800029，dearwhk@foxmail.com。