劉明磊

摘要：借助有限元分析手段對X80管線鋼對接接頭的殘余應力進行仿真計算，得到殘余應力分布情況。采用X射線衍射法和盲孔法對預測結果進行試驗驗證。結果表明，周向殘余應力總體變化趨勢呈現(xiàn)先增大，穩(wěn)弧后應力平穩(wěn)達到峰值位置保持，在接近收弧位置，殘余應力值減小;軸向殘余應力總體變化趨勢呈現(xiàn)先增大，殘余應力達到峰值位置后平穩(wěn)下降。殘余應力仿真預測結果與兩種測量方法所得結果相吻合， X射線衍射法結果高于盲孔法應力結果。通過有限元仿真技術預測應力較大位置，此技術對有效防止應力腐蝕開裂有一定的工程應用指導意義。

關鍵詞：管線鋼;殘余應力分布;有限元模擬;防腐性能

中圖分類號：TG404? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）11-0022-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.11.04

0? ? 前言

在管道施工過程中，管線鋼的防腐性設計是可靠性設計考慮的重要因素。應力腐蝕開裂是在拉應力和腐蝕環(huán)境下產(chǎn)生的低應力脆性開裂現(xiàn)象[1]，管道表面一般通過涂覆涂層來保證其防腐性能。受表面接觸土壤、溫度和陰極保護電流等因素的影響，材料的化學成分、顯微組織變化、力學因素應力的影響等均會對應力腐蝕開裂產(chǎn)生直接的影響。力學因素中應力會導致材料形變和開裂，其大小、應力波動、應變率等均會影響材料腐蝕開裂的速度，從而影響結構件的疲勞壽命[2]。應力研究在需求可靠性、壽命最大化的設計中越來越被重視。分析手段有破壞性試驗和無損試驗，而無損試驗因其不準確性和高額的費用，越來越不適用工業(yè)生產(chǎn)。預測應力的各種仿真軟件在進行非線性分析時只能進行定性分析，做不到定量分析。為了保證定量分析，除了仿真軟件不斷完善，還需要使用者有豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗，并不能完全脫離生產(chǎn)經(jīng)驗的積累。

為準確預測焊后殘余應力分布趨勢和大小，保證生產(chǎn)需求的高精度和短周期性，科研人員進行了大量焊接仿真應力研究。白芳[3]建立X80鋼多層多道焊有限元模型，通過試驗得到相對誤差范圍內(nèi)的熱循環(huán)曲線，用于模擬等效熱源加載，得到峰值溫度和冷卻時間與焊縫中心距離的關系，同時得到縱向和橫向殘余應力的變化規(guī)律。顧國林[4]建立X80管線鋼對接接頭有限元模型，采用X射線衍射法驗證了焊根節(jié)點不耦合對殘余應力的預測精度更高，可以控制應力預測結果在10.35%。段衛(wèi)軍[5]基于熱彈塑性理論建立S355鋼有限元模型，通過引入相變轉變模型、相變塑性和相變體積模型，得到等效應力應力值會大幅降低，殘余應力與實測結果吻合較好的結論。熊慶人[6]等采用切環(huán)試驗和盲孔試驗兩種手段對螺旋埋弧焊鋼管的殘余應力進行分析，對比了不同廠家生產(chǎn)的鋼管的殘余應力，提出了殘余應力控制指標建議，從而有效地促進了生產(chǎn)。張定銓和何家文[9]等對無損X射線衍射法殘余應力原理、方法和應用進行全面詳盡的闡述，對該方法的研究具有指導意義。但上述研究更多地集中于殘余應力分布趨勢和精度，對于殘余應力與防腐性之間的關系研究甚少。

文中借助有限元分析手段，通過建立X80管線鋼對接接頭有限元模型，預測分析殘余應力分布，然后采用X射線衍射法和盲孔法兩種測試手段驗證仿真結果，并結合工程宏觀分析其對防腐性的影響。

1 建立有限元模型

1.1 焊接參數(shù)

對接接頭管線鋼壁厚為22 mm，材料為X80管線鋼，X80管線鋼的化學成分如表1所示。焊接方法采用焊條電弧焊，焊材采用堿性低氫鈉型焊條 E7016，直徑3.2 mm，化學成分如表2所示，焊前預熱100 ℃，填充蓋面材料選用E8010-P1，其化學成分如表3所示。焊接參數(shù)為：電弧電壓27～28 V，焊接電流120～130 A，焊接速度42 cm/min，坡口形式為單邊U型，采用5層10道焊接。

1.2 材料參數(shù)的建立

借助JMATPRO軟件分析獲得模擬用材料X80的材料參數(shù)，隨溫度變化的部分物性參數(shù)和力學參數(shù)如圖1所示。

1.3 網(wǎng)格模型的建立

為保證應力場求解精度，建立比較成熟且能反映焊條電弧焊熱源的雙橢球熱源模型[10]。由于近焊縫和焊趾附近位置殘余應力值相對較大，兼顧溫度梯度，對焊縫處網(wǎng)格采用加密處理，熱影響區(qū)與遠離焊縫位置采用過渡網(wǎng)格，遠離焊縫區(qū)域網(wǎng)格稀疏處理。焊縫位置單元尺寸2 mm，單元總數(shù)108 648，節(jié)點數(shù)121 598，如圖2所示。

1.4 力學邊界條件

在對接接頭鋼管外表面焊趾位置，沿著焊縫橫截面方向，選擇圓周位置的單元節(jié)點進行X向的位移約束，從而保證X80鋼線管有限元模型的橫向收縮不受影響;沿焊縫縱向和圓周中心法平面方向，選擇對接接頭自由邊界的管線鋼管的外表面單元節(jié)點，約束Y向和Z向位移，從而保證模型的縱向收縮不受影響。

2 試驗測量方法

2.1 無損X射線衍射法

X射線測定應力為無損檢測，其基本原理基于布拉格定律，以一定應力狀態(tài)下引起的材料晶格應變和宏觀應變一致為基本依據(jù)。金屬材料一般為多晶體，在單位體積含有數(shù)量極多、取向各異的晶粒，從空間任意方向都可觀察到任一選定的晶面。根據(jù)彈性力學方程，通過晶面間距的變化，計算相應晶面的應變值[7]，即

式中 ε為晶面應變值;d0為無應力狀態(tài)下晶面間距。

2.2 盲孔法

盲孔法殘余應力測試[8]為無損檢測，是在被測工件的表面貼上應變花，通過在應變花的中心對工件打孔，使得應力的平衡受到破壞，產(chǎn)生一定量的應變，測得孔附近的彈性應變增量，便可以用彈性力學原理來推算出小孔處的殘余應力。小孔處的主應力和方向可以按下式推算。

式中 εA為應變片a的應變量;A、B為應變釋放系數(shù)。

2.3 試驗方法設計

為盡量減小誤差，采用兩種方法對同一試驗件進行測量，先用X射線測定法，再用盲孔法。為驗證計算結果的準確性，在進行X射線衍射法測量時需對零應力和高應力校核設備;在進行盲孔法測量時測量點之間需間隔30 mm方能有效釋放打孔應力。X80管線鋼對接接頭焊接后，沿圓周方向選取焊趾位置和焊縫中心位置進行應力測量。

3 仿真結果分析與驗證

3.1 周向殘余應力測量結果分析

通過仿真計算，獲得X80鋼線管對接接頭周向應力場仿真結果。提取對接接頭一側焊趾位置至相對平滑外表面的殘余應力，進行X射線和盲孔法應力測試，結果如圖3所示。

由圖3可知，從起弧位置到收弧位置，殘余應力總體變化趨勢呈現(xiàn)先增大，穩(wěn)弧后應力平穩(wěn)達到峰值位置后保持，在接近收弧位置，殘余應力值減小，與經(jīng)典對接接頭規(guī)律一致。在焊接起收弧位置時，焊件所受拘束作用相對較小，同時起收弧位置存在一定的交叉，導致應力值變化不大，起弧位置對收弧位置有一定預熱作用，因此焊接應力相對較小，主要表現(xiàn)為壓應力;中間部分由于先焊接對后焊接位置的拘束作用力大，應力也大，先增大再減小，主要表現(xiàn)為拉應力。兩種測量方法與仿真結果趨勢較好吻合。仿真結果與X射線衍射法測量結果誤差最大的位置是在距離焊縫起始位置490 mm處，誤差為15.9%;仿真結果與盲孔法測量結果誤差最大的位置是在490 mm，誤差為12.4%，X射線法測量殘余應力的結果波動相對較大。

由于測量方法和測量樣件的自身特點，X射線衍射法在測量時，對測量表面平面度要求較高，而X80鋼線管對接接頭的平面有一定的弧度，測量位置晶格尺寸發(fā)生畸形變化，導致應力值結果均偏大。兩種測量方法變化趨勢大致相符，測量值大部分大于仿真值，仿真計算在模型建立的過程中，不考慮填充單元流動性、材料硬化、相變等因素，導致仿真預測的殘余應力結果偏小。

3.2 軸向殘余應力測量結果分析

軸向殘余應力測試和仿真結果如圖4所示。

由圖4可知，從起弧位置到收弧位置，殘余應力總體變化趨勢呈現(xiàn)先增大，殘余應力達到峰值位置后平穩(wěn)下降，與經(jīng)典對接接頭規(guī)律一致。在焊縫中心位置附近，焊件所受拘束作用相對較大，導致應力值變化大，焊接應力相對較大，主要表現(xiàn)為拉壓應力;在接近自由端位置，因不受焊接熱輸入冷熱收縮應變引起的拘束作用，殘余應力值相對較小。兩種測量方法與仿真結果趨勢吻合較好。仿真結果與X射線衍射法測量結果誤差最大位置在68 mm處，誤差為13.9%;仿真結果與盲孔法測量結果誤差最大位置在110 mm處，誤差為11.4%，X射線法測量應力的結果波動相對較大。

3.3 工程應用中殘余應力對腐蝕性影響

通過不同測量方法獲得的殘余應力結果，驗證了X80管線鋼仿真預測殘余應力結果的準確性。在實際工程應用反饋的售后應用案例中，巴基斯坦售后保障人員曾經(jīng)在使用維護過程中發(fā)現(xiàn)，X80管線鋼焊趾位置的焊縫在長期土壤腐蝕和光照作用下，其長期暴露位置的油漆極容易發(fā)生脫落，在環(huán)境因素和殘余應力等作用下釋放有害應變，導致X80管線鋼出現(xiàn)局部腐蝕破壞，從而最終導致應力腐蝕開裂，在未發(fā)生嚴重事故的情況下，通過故障排查分析解決了現(xiàn)場應用問題。

4 結論

（1）采用建立的有限元模型對X80管線鋼對接接頭進行殘余應力仿真計算，并用X射線衍射法和盲孔法驗證了仿真結果的準確性。仿真結果與兩種測量方法吻合度較好，X射線衍射結果高于盲孔法。

（2）從起弧位置到收弧位置，周向殘余應力總體變化趨勢呈現(xiàn)先增大，穩(wěn)弧后應力平穩(wěn)達到峰值位置后保持，在接近收弧位置，殘余應力值減小。從起弧位置到收弧位置，軸向殘余應力總體變化趨勢呈現(xiàn)先增大，殘余應力達到峰值位置后平穩(wěn)下降。

（3）X80管線鋼出現(xiàn)局部應力腐蝕開裂，通過有限元仿真技術，預測應力較大位置，對有效防止應力腐蝕開裂有一定的工程應用指導意義。

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