王漢奎 劉凱 孫永輝 宋明

中國特種設(shè)備檢測研究院

摘要：受施工條件限制，油氣管線對接環(huán)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(shù)值模擬方法揭示了低強匹配環(huán)焊縫的變形規(guī)律。結(jié)果表明低強匹配環(huán)焊縫會在焊縫內(nèi)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(shù)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(guān)鍵詞：高鋼級管線鋼；環(huán)焊縫；低強匹配；破壞模式；余高補強

長輸管線的對接環(huán)焊縫是管線安全運行的薄弱環(huán)節(jié)之一。自2010年以來，國內(nèi)外已經(jīng)發(fā)生多起因環(huán)焊縫失效引發(fā)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(huán)焊縫發(fā)布公告（ADB-10-03）。受實際施工條件、施工效率及經(jīng)濟因素限制，存在大批高鋼級管線鋼環(huán)焊縫強度低于母材的現(xiàn)象[1]。尤其是隨著X100等更高鋼級材料的使用，環(huán)焊縫強度弱于母材的矛盾將更加突出[2]。

筆者以國內(nèi)已經(jīng)投入運營的管道焊接接頭為研究對象，開展試驗及相應(yīng)的有限元模擬。該管線外徑1016 mm，壁厚15.3 mm，設(shè)計輸送壓力10 MPa，管線材料X70，環(huán)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(jīng)射線、超聲檢測合格，試驗材料避開環(huán)焊縫缺欠處取樣。

1  試驗研究

環(huán)焊縫采用多層、多道焊接[3]，由于焊接接頭的材料成分復(fù)雜及所經(jīng)歷的熱過程不同，尤其是焊縫及熱影響區(qū)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(qū)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(shù)為394，維氏硬度HV10測試結(jié)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(jié)果。藍色代表低硬度區(qū)域，該焊接接頭的最低硬度為155，出現(xiàn)在焊縫中間；紅色代表硬度較高區(qū)域，最高硬度為255，出現(xiàn)在熱影響區(qū)的粗晶區(qū)。焊縫兩側(cè)母材硬度有差異，右側(cè)母材硬度約為230～240，左側(cè)約為220～230，右側(cè)大于左側(cè)，這可能與母材制管工藝相關(guān)。在焊接熱影響區(qū)細晶區(qū)附近可見軟化區(qū)，其硬度為170～200。焊縫是整個焊接接頭最軟的區(qū)域，多數(shù)硬度介于160～180。焊縫的低硬度一方面與所選焊材成分有關(guān)；另一方面與選用的焊接工藝相關(guān)，多道焊接中，后一焊道相當(dāng)于對前一焊道進行回火，焊縫材料在經(jīng)受多次回火后硬度降低，焊縫中部及靠近打底焊的部分區(qū)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(jīng)驗表明，材料硬度與材料強度相關(guān)，為進一步比較環(huán)焊縫與母材屈服強度、抗拉強度的差別，開展環(huán)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(jié)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(dǎo)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(jié)果均表明焊縫強度低于母材。當(dāng)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(qū)發(fā)生韌性破壞。為驗證該推測，利用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（DIC）測量焊縫區(qū)應(yīng)變場分布。

1.3  DIC拉伸測試

環(huán)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(nèi)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(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（DIC）測量焊縫及母材的應(yīng)變場分布。即用數(shù)字相機以固定時間間隔獲取試樣表面數(shù)字圖像，該圖像攜帶了試樣的變形信息，通過計算機處理數(shù)字圖像以獲得試樣表面的應(yīng)變場分布。為方便計算機對數(shù)字圖像的特征識別，需要在試樣側(cè)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(jié)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(xù)，導(dǎo)致焊接接頭在拉伸過程中焊縫最先屈服，塑性應(yīng)變在焊縫中并非平均分布，而是集中于特定區(qū)域。

圖 4 DIC測試與有限元FEA模擬結(jié)果

塑性應(yīng)變集中區(qū)域呈現(xiàn)“X”形，是內(nèi)壁、外壁焊趾交叉連接。焊趾位置由于幾何不連續(xù)，在彈性變形過程中焊趾應(yīng)力水平高于平均拉應(yīng)力，在焊趾位置最先屈服，開始塑性變形。之后塑性區(qū)沿焊趾連線擴展，整體呈現(xiàn)“X”形。隨著焊接接頭所受拉力增大，X區(qū)域內(nèi)應(yīng)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(qū)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(qū)材料性能的變化，有限元模型由焊縫和母材兩部分材料構(gòu)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(yīng)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(xiàn)出類似的變形形貌。焊接接頭在受拉伸載荷的作用時所產(chǎn)生的塑性應(yīng)變主要集中在“X”形區(qū)域內(nèi)。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(yīng)變集中區(qū)域“X”形對稱性不及模擬計算結(jié)果。

有限元模擬結(jié)果與DIC試驗結(jié)果均表明塑性變形集中在“X”形區(qū)域內(nèi)，應(yīng)變集中區(qū)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(yīng)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(yīng)變特征與4.0 mm焊后余高焊接接頭的應(yīng)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(yīng)變分布的形態(tài)和應(yīng)變分布的絕對值影響較小。

圖 5 焊后余高的影響結(jié)果（變壁厚）

3  結(jié)論

通過對低強匹配環(huán)焊縫焊接接頭的試驗研究與有限元模擬，表明管線環(huán)焊縫受軸向載荷作用時，塑性應(yīng)變并非均勻分布在焊縫內(nèi)，而是集中在“X”形區(qū)域內(nèi)。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(yīng)高度重視油氣管道環(huán)焊縫質(zhì)量管控及隱患排查[J]. 管道保護，2018(5)：4-7.

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

[3]隋永莉.國產(chǎn)X80管線鋼焊接技術(shù)研究[D].天津大學(xué)，2008.

支持項目：國家重點研發(fā)計劃“典型材料和焊接接頭的高溫損傷機理及早期診斷關(guān)鍵技術(shù)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(shù)、失效分析。聯(lián)系方式：13811800029，dearwhk@foxmail.com。