楊 輝,王富祥,戴聯(lián)雙,李梓溦

(1.國家管網(wǎng)集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究總院,河北廊坊 065000；2.國家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司，北京 100000；3.天津大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072)

0 引言

管道環(huán)焊縫一直是影響管道安全運(yùn)行的薄弱環(huán)節(jié)，受焊接工藝、施工技術(shù)水平及施工條件的限制，環(huán)焊縫質(zhì)量難以保證[1-4]。根據(jù)近年來的失效事故統(tǒng)計顯示，焊縫多起裂于根部，尤其是存在于變壁厚、錯邊或成型不良的焊口[5-8]。2003～2019年，國內(nèi)油氣長輸管道共發(fā)生的24起環(huán)焊縫失效事故，其中根焊部位超差缺陷占比62.5%；不等壁厚組對占比54.2%。美國管道和危險材料安全管理局PHMSA-2010-0078號公告中公布了4起高鋼級管道環(huán)焊縫失效事故，失效原因均與變壁厚、錯邊、焊接工藝執(zhí)行不當(dāng)、外部載荷等因素有關(guān)[9]。對于高鋼級管道，當(dāng)焊縫韌性儲備不足的情況下，這種結(jié)構(gòu)不連續(xù)導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)性應(yīng)力集中效應(yīng)是極其危險的。孟波等[10-11]研究表明，當(dāng)缺口張開角小于60°時，不同缺口應(yīng)力強(qiáng)度因子隨角度減小變化不明顯，即幾乎等同于裂紋?，F(xiàn)行的設(shè)計與適用性評價方法一般通過放大膜應(yīng)力或疊加附加彎曲應(yīng)力來考慮焊趾或根部結(jié)構(gòu)不連續(xù)產(chǎn)生的應(yīng)力集中效應(yīng)，可能嚴(yán)重低估了其對環(huán)焊縫承載能力的影響[12-13]。基于此，筆者采用應(yīng)力三軸度表征裂紋尖端拘束度，通過對錯邊、不等壁厚及其疊加裂紋的根部結(jié)構(gòu)不連續(xù)環(huán)焊縫及斷裂韌性測試標(biāo)準(zhǔn)試樣的有限元分析，明確環(huán)焊縫結(jié)構(gòu)性應(yīng)力集中效應(yīng)的影響規(guī)律及與標(biāo)準(zhǔn)試樣的拘束差異，以此來評估斷裂韌性參數(shù)測試選取的保守程度。

1 裂紋尖端拘束度表征

由于工程中實(shí)際結(jié)構(gòu)的尺寸通常較大，實(shí)驗(yàn)室條件下很難開展全尺寸測試和評估，取而代之的是小尺寸試樣的測試結(jié)果，但隨著結(jié)構(gòu)尺寸和材料強(qiáng)度的增加，尺寸效應(yīng)帶來的拘束差異越來越大[14-15]。拘束反映的是結(jié)構(gòu)對裂紋尖端區(qū)域塑性變形的限制，與裂尖的應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)[16]。拘束度對表觀斷裂韌性的影響其實(shí)就是不同應(yīng)力狀態(tài)對材料性能測試結(jié)果的影響，材料斷裂韌性的測試結(jié)果對于結(jié)構(gòu)完整性評價結(jié)果影響很大，因此，在評估過程中必須考慮裂尖拘束的影響[17]。

近幾十年來，一些學(xué)者[18-19]研究提出了許多表征裂尖應(yīng)力應(yīng)變場的拘束斷裂理論，例如單參數(shù)理論(K或J積分)、雙參數(shù)理論(K-T,J-T,J-Q,J-A2)以及三參數(shù)理論(K-T-Tz,J-Q-T)。有些理論被證明僅在高約束情況下有效，而有些理論則局限于描述面內(nèi)拘束對裂紋尖端場及斷裂韌性的影響[20-21]。除了上述幾種參數(shù)外，HENRY等[22]提出采用應(yīng)力三軸度η(見式(1)),作為斷裂韌性的表征參數(shù)。

η=σm/σeq

(1)

式中，σm為平均應(yīng)力，MPa；σeq為等效應(yīng)力，MPa；σ1,σ2,σ3分別為三個方向上的主應(yīng)力，MPa。

對于金屬材料σeq可反映其塑性變形，σm可反映彈性變形，應(yīng)力三軸度為二者的比值，綜合考慮了兩方面的影響，可以較合理地體現(xiàn)不同應(yīng)力分量對塑性變形和斷裂的影響。根據(jù)現(xiàn)代損傷力學(xué)的觀點(diǎn)，金屬的表觀斷裂韌性隨著應(yīng)力三軸度的增大而減小，即在一定的范圍內(nèi)應(yīng)力三軸度越大，材料越趨于脆性[23]。應(yīng)力三軸度的值反映了局部應(yīng)力場對材料變形的拘束，決定材料是易于拉斷或剪斷[24]。因此，選用應(yīng)力三軸度作為統(tǒng)一參數(shù)，表征焊縫結(jié)構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)試樣裂紋尖端拘束度。

2 參數(shù)設(shè)計與有限元建模

2.1 參數(shù)設(shè)計

為了研究由于錯邊、不等壁厚組對、裂紋等因素導(dǎo)致的環(huán)焊縫根部不連續(xù)結(jié)構(gòu)的拘束差異，獲取應(yīng)力三軸度隨各因素的變化規(guī)律，設(shè)計了有限元分析模型參數(shù)，如表1、圖1所示。

表1 模型參數(shù)設(shè)計

圖1 模型結(jié)構(gòu)示意

2.2 模型建立與邊界設(shè)置

運(yùn)用Abaqus軟件，分別建立了含錯邊、不等壁厚及其疊加裂紋后的環(huán)焊縫三維有限元模型,如圖2所示。模型管徑和薄壁側(cè)壁厚分別為1 219 mm和18.4 mm，管長取6倍管徑以消除遠(yuǎn)端邊界效應(yīng)的影響。根據(jù)對稱性取1/2模型，在管道壁厚上劃分4層網(wǎng)格，鄰近焊縫處采用過渡網(wǎng)格控制網(wǎng)格總量，在保證精度的同時，提高計算效率，同時考慮裂尖鈍化，將裂尖設(shè)置為半圓形結(jié)構(gòu)，直徑為0.1 mm，沿半圓環(huán)向均勻等分20個網(wǎng)格。對管道軸向截面施加對稱約束；對于內(nèi)壓作用，在內(nèi)表面施加內(nèi)壓載荷，兩端面約束軸向位移；對于拉伸作用，一側(cè)端面約束軸向位移，另一端面施加拉伸載荷。

(a)錯邊疊加不等壁厚模型

2.3 材料屬性

由于不考慮強(qiáng)度匹配問題，對于母材和焊縫，均設(shè)定為X80鋼，采用Ramberg-Osgood模型描述的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(見圖3)。

圖3 材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線

該模型為業(yè)內(nèi)廣泛認(rèn)可的材料非線性本構(gòu)模型之一[25-26]，被眾多標(biāo)準(zhǔn)引用，適用于管線鋼。同時，在材料屬性中加入塑性損傷，可以在場輸出中直接得到模型應(yīng)力三軸度，簡化計算過程。

(2)

(3)

(4)

式中,ε為應(yīng)變；σ為應(yīng)力，MPa；E為彈性模量，GPa,取E=210 GPa；α為屈服偏移量；σY為屈服強(qiáng)度，MPa；σT為抗拉強(qiáng)度，MPa；n為硬化指數(shù)。

3 焊縫根部應(yīng)力三軸度分析

在焊接過程中，由于組對偏差、管口圓度、不等壁厚、成型不良等原因，常常在環(huán)焊縫焊根部位形成結(jié)構(gòu)不連續(xù)性缺口，評價過程中易被忽視或低估，但多起事故已揭示了其對管道安全的破壞性。以下分別研究內(nèi)壓及位伸載荷作用下不同錯邊量、壁厚比、內(nèi)坡角度及裂紋對應(yīng)力三軸度的影響。

3.1 錯邊的影響

受裝配偏差和管口圓度的影響，管道焊接和裝配過程中易出現(xiàn)錯邊現(xiàn)象，使得焊縫結(jié)構(gòu)不連續(xù)性進(jìn)一步放大，從而產(chǎn)生附加應(yīng)力，導(dǎo)致局部區(qū)域應(yīng)力集中。錯邊量并非定值，而是沿管道環(huán)向位置變化。分別提取內(nèi)壓與拉伸載荷下不同最大錯邊量位置的應(yīng)力三軸度計算結(jié)果(見圖4，SMYS為規(guī)定的最小屈服強(qiáng)度)，可見，在等壁厚情況下，隨著錯邊量的增加，尤其是承受較大拉伸載荷時，應(yīng)力三軸度增大。

(a)內(nèi)壓載荷

3.2 不等壁厚的影響

不等壁厚焊接時，根焊質(zhì)量不易控制，容易出現(xiàn)焊接缺陷，且由于外形不規(guī)則，無損檢測易出現(xiàn)漏檢。近年來，國內(nèi)超過一半的環(huán)焊縫失效事故均發(fā)生在不等壁厚焊縫處。分別提取焊根部位的應(yīng)力三軸度計算結(jié)果(如圖5所示)，可以看出，在無錯邊、內(nèi)坡角度一定的情況下，壁厚差越大，根部應(yīng)力三軸度越大。與內(nèi)壓載荷作用不同，拉伸載荷下，對于不等壁厚焊縫根部的應(yīng)力三軸度先增大、后減小。

(a)內(nèi)壓載荷

進(jìn)一步分析主應(yīng)力及Mises等效應(yīng)力的計算結(jié)果(見圖6)發(fā)現(xiàn)，第一主應(yīng)力和第二主應(yīng)力均隨著拉伸載荷增加而增大，第三主應(yīng)力在加載前期近似等于第二主應(yīng)力，但當(dāng)?shù)谝恢鲬?yīng)力達(dá)到屈服應(yīng)力后，焊縫根部在變壁厚處產(chǎn)生塑性變形，第三主應(yīng)力開始下降。在整個加載過程中，Mises等效應(yīng)力持續(xù)增大，因此，應(yīng)力三軸度出現(xiàn)下降的現(xiàn)象，即產(chǎn)生塑性變形后，焊縫根部的約束水平下降。

圖6 拉伸載荷作用下的焊縫根部應(yīng)力變化規(guī)律

3.3 內(nèi)坡口角度的影響

GB 50369—2014《油氣長輸管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》規(guī)定，不等壁厚對焊管端宜采用加過渡管或坡口過渡處理措施。應(yīng)采用內(nèi)削邊處理，內(nèi)坡角度宜為14°～30°。內(nèi)坡口角度越大，不等壁厚焊縫根部缺口尖銳程度越大，應(yīng)力集中程度增加，同樣內(nèi)坡夾角處的應(yīng)力三軸度也越大，且在較大拉伸載荷作用下會下降(如圖7所示)。

(a)內(nèi)壓載荷

3.4 裂紋的影響

焊根部位由于成型不良、錯邊、不等壁厚焊接等導(dǎo)致應(yīng)力集中，成為裂紋萌生的多發(fā)區(qū)域，而裂紋的存在無疑加劇了焊縫的失效風(fēng)險，因此焊縫中不允許存在裂紋。提取裂紋尖端的應(yīng)力三軸度計算結(jié)果(如圖8所示)，對比無裂紋的情況發(fā)現(xiàn)，裂紋對應(yīng)力三軸度的影響顯著，裂紋尖端呈現(xiàn)嚴(yán)重的三軸拉應(yīng)力狀態(tài)，拘束水平很高。

(a)內(nèi)壓載荷

4 標(biāo)準(zhǔn)試樣應(yīng)力三軸度分析

為了研究目前常用的幾種標(biāo)準(zhǔn)試樣裂紋尖端的拘束情況，分別對單邊缺口拉伸試樣(SENT)、單邊缺口彎曲試樣(SENB)、緊湊拉伸試樣(CT)以及中心裂紋板(CCP)4種類型標(biāo)準(zhǔn)試樣(如圖9所示)進(jìn)行了有限元建模分析，其中根據(jù)BS 8571：2018標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計了兩種不同尺寸的SENT試樣，其寬度分別為1倍厚度和2倍厚度，幾何尺寸如表2所示。

表2 標(biāo)準(zhǔn)試樣尺寸

圖9 標(biāo)準(zhǔn)試樣示意

為了避免裂紋尖端場受到試樣尺寸效應(yīng)的影響，裂紋深度均設(shè)置為a/W=0.5。

通過Abaqus后處理輸出了5種標(biāo)準(zhǔn)試樣裂紋尖端的應(yīng)力三軸度(見圖10)。這些試樣應(yīng)力三軸度隨著載荷增加逐漸趨于穩(wěn)定，即可近似認(rèn)為這些試樣在一定應(yīng)變條件下的拘束水平與載荷無關(guān)。相同寬度和厚度的標(biāo)準(zhǔn)試樣裂紋尖端的應(yīng)力三軸度的水平排序?yàn)镃T>SENB>SENT>CCP，而SENT-1試樣的應(yīng)力三軸度略小于SENT-2試樣。因此，在實(shí)際評價過程中，采用不同標(biāo)準(zhǔn)試樣的測試結(jié)果會導(dǎo)致評價結(jié)果保守度差異。

圖10 標(biāo)準(zhǔn)試樣應(yīng)力三軸度隨載荷變化情況

5 拘束度綜合對比分析

斷裂韌性與拘束水平存在很大關(guān)聯(lián)性，在安全評定中，只有當(dāng)環(huán)焊縫結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)試樣的拘束水平一致的情況下，通過試樣測得的斷裂韌性才可以準(zhǔn)確描述結(jié)構(gòu)的斷裂行為，評估結(jié)果也更準(zhǔn)確。因此，在實(shí)際斷裂評估中，通常采用與實(shí)際結(jié)構(gòu)拘束水平相當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)試樣的測試結(jié)果。以12 MPa內(nèi)壓載荷(0.72倍SMYS)作用為例，對比評估各管道模型與標(biāo)準(zhǔn)試樣的拘束差異，見表3和圖11。

表3 管道模型與標(biāo)準(zhǔn)試樣的應(yīng)力三軸度對比

對于單純含根部缺欠管道模型，錯邊3 mm模型和不等壁厚(壁厚比1.5)模型最大應(yīng)力三軸度值分別為0.59和0.63，其組合模型最大應(yīng)力三軸度值0.79，可采用拘束水平最近的CCP試樣進(jìn)行斷裂評估；對于單純含裂紋管道模型，最大應(yīng)力三軸度值為1.53，評估中推薦使用SENT-2試樣(W=2B)測試結(jié)果；對于根部缺欠組合裂紋管道模型，最大應(yīng)力三軸度值為1.96，推薦使用SENB試樣進(jìn)行斷裂評估。

由前述分析可知，采用不同標(biāo)準(zhǔn)試樣的測試結(jié)果會導(dǎo)致評價結(jié)果保守度差異，其中CT試樣最大，而CCP試樣最小。通常認(rèn)為SENT試樣的拘束水平與管道實(shí)際情況更接近，很多文獻(xiàn)均推薦采用SENT試樣進(jìn)行斷裂韌性的測試與評估。但實(shí)際情況是，焊縫根部存在缺欠等不連續(xù)結(jié)構(gòu)時，拘束水平會大大增加(如上述組合模型)，如再使用SENT試樣會導(dǎo)致冒進(jìn)甚至危險的評估結(jié)果，在評估中往往容易低估根部不連續(xù)對環(huán)焊縫承載能力的影響。因此，應(yīng)選擇與實(shí)際結(jié)構(gòu)裂尖拘束度相匹配的標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行斷裂評估，可大大增加評估結(jié)果準(zhǔn)確性。

6 結(jié)論

(1)焊根處應(yīng)力三軸度與錯邊量、壁厚比、內(nèi)坡角度成正比，且疊加裂紋后應(yīng)力三軸度顯著增大。

(2)幾種不同試樣應(yīng)力三軸度隨著載荷增加逐漸趨于穩(wěn)定，相同寬度和厚度的標(biāo)準(zhǔn)試樣的應(yīng)力三軸度的水平排序?yàn)镃T>SENB>SENT>CCP，而SENT-1試樣的應(yīng)力三軸度略小于SENT-2試樣。

(3)采用不同標(biāo)準(zhǔn)試樣的測試結(jié)果會導(dǎo)致評價結(jié)果保守度差異，其中CT試樣最大，而CCP試樣最小。在評估中存在低估根部不連續(xù)對環(huán)焊縫承載能力影響的可能性，應(yīng)選擇與實(shí)際結(jié)構(gòu)裂尖拘束度相匹配的標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行斷裂評估，可大大增加評估結(jié)果準(zhǔn)確性。