何小東, 李為衛(wèi), 吉玲康，郭忠平

(1.中國石油集團(tuán)工程材料研究有限公司，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點實驗室 陜西 西安 710077；2. 中國石油長慶油田分公司第二采氣廠 陜西 榆林 719000)

0 引 言

基于應(yīng)力設(shè)計的管線主要的技術(shù)指標(biāo)是環(huán)向應(yīng)力，通常當(dāng)環(huán)焊接頭的抗拉強(qiáng)度大于管體橫向規(guī)定的最小抗拉強(qiáng)度時即可滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求[1]。然而，長距離油氣輸送管道不可避免地遭遇地質(zhì)滑坡、凍脹融沉、開采沉陷和地震，如果采用基于應(yīng)力設(shè)計，這些因素會導(dǎo)致管道的軸向應(yīng)力超過其屈服強(qiáng)度[2]，環(huán)焊接頭可能會受到較大的軸向應(yīng)力而斷裂失效。因此，油氣管道環(huán)焊接頭具有足夠軸向承載能力是非常必要的，且對穿越地質(zhì)條件復(fù)雜地帶的管道應(yīng)采用基于應(yīng)變設(shè)計的方法，即使軸向應(yīng)力大于管材的屈服強(qiáng)度，通過應(yīng)變控制可確保管道安全。

管道環(huán)焊縫接頭是典型的非均勻結(jié)構(gòu)。焊接接頭的焊縫、熱影響區(qū)(heat affected zone，HAZ)和焊縫兩側(cè)管體母材不僅存在顯微組織和化學(xué)成分不均勻，而且力學(xué)性能也是非均勻的狀態(tài)，同時熱影響區(qū)寬度、焊縫尺寸和坡口角度等幾何不連續(xù)加劇焊接接頭力學(xué)性能的不均勻性。李根采用ANSYS有限元軟件研究了咬邊、凹坑、焊縫余高和錯邊等幾何尺寸參數(shù)對X70管道環(huán)縫接頭應(yīng)力集中的影響程度[3]，結(jié)果表明焊縫余高對受內(nèi)壓管道環(huán)焊縫的應(yīng)力集中的影響最低，錯邊的影響程度大于余高的影響程度，而咬邊和凹坑的影響程度最大，焊縫余高不影響管道接頭靜載強(qiáng)度。但是，對于承受循環(huán)載荷的焊接結(jié)構(gòu)，焊縫余高造成的截面突變會引起應(yīng)力集中，削弱焊縫的疲勞強(qiáng)度[4]，并影響疲勞斷裂位置[5]。劉振雄的研究表明[6]，對接接頭焊縫的疲勞性能先隨焊縫寬度增大而增強(qiáng)，但隨著焊縫寬度繼續(xù)增大，疲勞性能有逐漸減弱的趨勢。HAZ屈服強(qiáng)度小于母材屈服強(qiáng)度時，HAZ寬度越大焊接接頭極限載荷越小[7]。因此，對于管道系統(tǒng)的薄弱區(qū)域，需要研究焊縫余高和熱影響區(qū)寬度對環(huán)焊接頭軸向承載能力的影響，以提升管道完整性管理水平。

本文采用有限元方法，研究了焊縫余高和熱影響區(qū)的尺寸對OD559 mm×31.8 mm L485管道GMAW環(huán)焊接頭的承載能力影響。

1 計算模型及網(wǎng)格劃分

1.1 計算模型

管道環(huán)焊縫為窄間隙熔化極氣體保護(hù)焊接(gas metal-arc welding，GMAW)，焊接坡口型式及接頭示意圖如圖1所示。表1為計算模型材料的組合。在表1中，管道軸向母材強(qiáng)度代號為MM，焊縫金屬強(qiáng)度代號為MW，熱影響區(qū)強(qiáng)度代號為MT，熱影響區(qū)寬度代號為ST，蓋面焊余高高度代號為SWH，寬度代號為SSW，且MM=MW2

圖1 焊接坡口型式(a)及接頭示意圖(b)

表1 計算模型的材料及焊縫余高尺寸和HAZ寬度組合

表2 材料拉伸性能

由于Ramberg-Osgood(R-O)材料模型與連續(xù)屈服的管線鋼材料的力學(xué)行為更接近，因此，計算時將表2中的材料數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為Ramberg-Osgood(R-O)模型輸入數(shù)據(jù)，見表3，并按R-O模型公式(1)計算出管線鋼材料的應(yīng)變值，并繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖2所示。

(1)

式(1)中:ε為管線鋼材料的應(yīng)變；σ為管線鋼材料的應(yīng)力，MPa；E為管線鋼材料的彈性模量，MPa；σ0為管線鋼材料的名義屈服強(qiáng)度，MPa；α為系數(shù)；n為指數(shù)。

表3 材料R-O模型輸入數(shù)據(jù)

圖2 管道軸向母材與焊縫金屬和熱影響區(qū)材料R-O模型曲線

1.2 有限元模型建立及網(wǎng)格劃分

取管道長度L為2 000.0 mm建立有限元模型，環(huán)焊縫位于管道長度的中間位置。采用通用有限元軟件Abaqus 6.14進(jìn)行前處理、計算和后處理。根據(jù)模型幾何形狀、邊界條件及載荷的對稱性，采用1/2模型的軸對稱單元進(jìn)行分析。為準(zhǔn)確模擬熱影響區(qū)寬度和蓋面焊縫余高尺寸對管道承載能力的影響，模型建立不包括管道內(nèi)壓和外壓。HAZ區(qū)寬度影響有限元計算模型及網(wǎng)格劃分如圖3所示。

在焊縫中心對稱面施加對稱約束，管道徑向和環(huán)向無約束。在遠(yuǎn)離焊縫的另一端面施加由0逐漸增大至400 mm (即40%軸向平均應(yīng)變)的拉伸位移載荷U，分析在U增大過程中管壁的壁厚變化率。通過初步計算以壁厚減薄5%對應(yīng)的位移載荷為結(jié)構(gòu)最大承載位移，此時失效位置的Mises應(yīng)力接近材料抗拉強(qiáng)度。

圖3 HAZ寬度影響有限元模型及網(wǎng)格劃分

2 結(jié)果及討論

2.1 計算結(jié)果

圖4為熱影響區(qū)寬度對軸向承載能力的影響計算結(jié)果。從圖4(a)可知，在焊縫尺寸相同，母材、焊縫和HAZ的強(qiáng)度也相同的情況下，HAZ寬度為1、2和4 mm環(huán)焊接頭所對應(yīng)的極限軸向平均應(yīng)變分別為10.2%、9.6%和7.4%，其失效時對應(yīng)軸向載荷分別為667 MPa、664 MPa和651 MPa。圖4(b)表明，當(dāng)熱影響區(qū)尺寸為1 mm時，失效位置在母材部位，對應(yīng)的等效應(yīng)力為667 MPa。當(dāng)熱影響區(qū)尺寸增大至2 mm時，失效發(fā)生在熱影響區(qū)及母材，所對應(yīng)的等效應(yīng)力為513 MPa和661 MPa。當(dāng)熱影響區(qū)尺寸增加至4 mm時，熱影響區(qū)將發(fā)生失效，其等效應(yīng)力為513 MPa。

圖4 HAZ寬度對軸向承載能力的影響

圖5為焊縫余高對管道環(huán)焊接頭軸向承載能力的影響。

圖5 焊縫余高對軸向承載能力影響

從圖5(a)可見，在焊縫與母材等強(qiáng)匹配、而熱影響區(qū)存在一定軟化的情況下，當(dāng)蓋面焊縫余高為0 mm、2 mm和4 mm時，管道環(huán)焊接頭的極限軸向載荷分別為650 MPa、652 MPa和655 MPa，對應(yīng)的軸向平均應(yīng)變分別為7.3%、7.6%和7.8%。雖然蓋面焊縫余高增加對管道環(huán)焊接頭最大軸向載荷和應(yīng)變影響較小，但失效位置距焊縫中心由2.39 mm增加至4.93 mm，即失效位置由焊縫轉(zhuǎn)向母材和熱影響區(qū)，如圖5(b)所示。

圖6為蓋面焊道余高兩側(cè)寬度對管道環(huán)焊接頭承載能力的影響。從圖6可見，在環(huán)焊縫與母材等強(qiáng)匹配、蓋面焊縫兩側(cè)余高加寬尺寸分別為0 mm、1 mm和3 mm時，管道環(huán)焊接頭承載的極限軸向平均應(yīng)變分別為7.5%、7.6%和7.6%，其失效時對應(yīng)軸向載荷均為652 MPa。因此，對于壁厚較大的管道環(huán)焊接頭，蓋面焊道兩側(cè)加寬尺寸并不能增加管道軸向承載能力。

圖6 焊縫余高寬度對軸向承載能力影響

2.2 討論

不匹配焊接接頭熱影響區(qū)的力學(xué)性能及幾何參數(shù)的變化對接頭極限載荷影響有較大的變化[7]。圖7為高匹配下不同熱影響區(qū)寬度下管道環(huán)焊接頭軸向應(yīng)變云圖。從圖7可見，當(dāng)HAZ寬度小于2 mm時，即使HAZ的強(qiáng)度比母材強(qiáng)度低20%，在拉伸載荷下接頭的軸向應(yīng)變也主要發(fā)生在母材部位，因此環(huán)焊接頭的承載能力較大。但當(dāng)熱影響區(qū)寬度增加時，焊接接頭的軸向應(yīng)變變小，而且應(yīng)變主要集中于熱影響區(qū)和焊縫區(qū)域。在管道環(huán)焊縫焊接中，通常采用的焊接方法有手工焊條電弧焊、半自動自保護(hù)藥芯焊、熔化極氣體保護(hù)焊和鎢極氬弧焊，也有采用埋弧焊制作雙聯(lián)管。這些焊接方法的熱輸入范圍變化較大(0.6～5.0 kJ/mm)，因此，熱影響區(qū)的寬度也不同。當(dāng)管道環(huán)焊接頭采用熱輸入較大的方法焊接時，不僅要分析HAZ的軟化程度，還必須分析研究熱影響區(qū)寬度變化對管道環(huán)焊接頭軸向承載能力的影響程度。

焊縫余高的高度和寬度對解決管道環(huán)焊接頭低匹配和熱影響軟化引起的應(yīng)變集中具有一定的作用。當(dāng)蓋面焊道兩側(cè)熔敷金屬達(dá)到鋼管壁厚的寬度時，可以使管道內(nèi)側(cè)淺裂紋尖端的形變量變小，從而降低了裂紋驅(qū)動力，這對于鋼管壁厚較小的油氣管道是一個很好的措施。但對于厚度大于20 mm的管道環(huán)焊縫采用這種方法來解決低匹配和熱影響軟化的問題將增加很大的焊接工作量和材料浪費。因此，等強(qiáng)匹配和高強(qiáng)匹配是解決厚壁管道環(huán)焊縫軸向變形能力的必然選擇。在保證蓋面焊縫兩側(cè)熔合良好的情況下，即使增加焊縫余高和寬度也不能提高管道環(huán)焊接頭的軸向承載能力。如果焊縫余高過高和過寬，反而會在管道內(nèi)壁根焊兩側(cè)附近產(chǎn)生較大的軸向應(yīng)力，如圖8所示。當(dāng)載荷進(jìn)一步增大時，容易引起根焊兩側(cè)應(yīng)變集中而發(fā)生失效。

圖7 不同HAZ寬度軸向應(yīng)變云圖

圖8 不同余高尺寸軸向應(yīng)力云圖

3 結(jié) 論

1)在高強(qiáng)匹配下，GMAW環(huán)焊接頭的軸向極限載荷和軸向平均應(yīng)變隨HAZ寬度增大而減小，失效位置由管體轉(zhuǎn)移到熱影響區(qū)。

2)當(dāng)HAZ軟化寬度小于2 mm時，即使HAZ的強(qiáng)度比母材強(qiáng)度低20%，在拉伸載荷下GMAW環(huán)焊接頭的軸向應(yīng)變也主要發(fā)生在母材。

3)環(huán)焊縫余高高度和寬度增加對GMAW環(huán)焊接頭軸向極限載荷和軸向平均應(yīng)變影響較小。過大的焊縫余高和寬度會導(dǎo)致管道內(nèi)壁根焊附近兩側(cè)管體和HAZ附近產(chǎn)生較大軸向應(yīng)力和應(yīng)變，容易引起根焊兩側(cè)HAZ發(fā)生失效。