含氣孔缺陷的管道環(huán)焊縫應(yīng)力分析

李 燕，帥 健*，隋永莉，許 葵

1 中國石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院，北京102249

2 中國石油天然氣管道科學(xué)研究院，廊坊 065000

含氣孔缺陷的管道環(huán)焊縫應(yīng)力分析

李 燕1，帥 健1*，隋永莉2，許 葵1

1 中國石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院，北京102249

2 中國石油天然氣管道科學(xué)研究院，廊坊 065000

焊接質(zhì)量控制是油氣管道安全運(yùn)營的重要保障。對于高強(qiáng)鋼管道，焊接缺陷的尺寸控制是當(dāng)前管道施工中的瓶頸問題。在管道對接焊這一關(guān)鍵施工環(huán)節(jié)中，環(huán)焊縫氣孔缺陷的形成實(shí)難避免。為了研究其尺寸控制指標(biāo)的適用性，根據(jù)實(shí)際管道環(huán)焊縫的坡口形狀和熱影響區(qū)材料的軟化現(xiàn)象，建立了非線性有限元分析模型。以管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，確定了管道環(huán)焊縫應(yīng)力分析的極端載荷條件，并采用基于流動應(yīng)力的失效判據(jù)，對含氣孔缺陷的管道環(huán)焊縫進(jìn)行了應(yīng)力分析。結(jié)果表明，不同徑向位置氣孔的管道環(huán)焊縫應(yīng)力水平相當(dāng)，X90鋼級管道對環(huán)焊縫氣孔缺陷的容限能力低于X80鋼級管道，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于氣孔缺陷的3 mm尺寸控制指標(biāo)適用于X80和X90鋼級環(huán)焊縫管道。

環(huán)焊縫管道；氣孔缺陷；極端載荷條件；應(yīng)力分析；缺陷尺寸

0 引言

環(huán)焊縫焊接是管道施工建設(shè)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]，受焊接工藝和外界環(huán)境的影響，金屬在熔化和凝固過程中不可避免的會產(chǎn)生滯留氣體，進(jìn)而形成氣孔缺陷[2-4]。氣孔是管道環(huán)焊縫中常見的體積型缺陷，不僅會減小管道環(huán)焊縫的真實(shí)截面面積、降低氣密性[3-4]，還會引發(fā)材料強(qiáng)度和韌性下降[5-7]，引起局部區(qū)域應(yīng)力集中，削弱管道環(huán)焊縫的抗變形能力。尤其是當(dāng)氣孔缺陷的尺寸達(dá)到一定極限時(shí)，會在氣孔截面處發(fā)生以脆性斷裂為主導(dǎo)的失效[7-9]，對管道的安全運(yùn)營構(gòu)成威脅。因此，分析氣孔缺陷對管道環(huán)焊縫結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)的影響，并以此為依據(jù)來確定管道環(huán)焊縫質(zhì)量控制指標(biāo)是至關(guān)重要的。

目前對焊縫氣孔缺陷的研究主要集中于形成機(jī)制及控制措施[10-13]。在小尺寸試驗(yàn)中，可以通過人工植入缺陷的方法阻礙焊接，在特定條件下形成氣孔缺陷[14]，但是卻無法觀測氣孔缺陷周圍的應(yīng)力分布。為了準(zhǔn)確描述氣孔缺陷周圍應(yīng)力場的分布情況，逐漸開始用有限元模擬方法研究結(jié)構(gòu)的微觀缺陷對宏觀力學(xué)行為的影響[15-18]，但此類研究僅局限于在微觀尺度范圍內(nèi)探討夾渣和氣孔缺陷。對于管道中的焊縫氣孔缺陷，標(biāo)準(zhǔn)API Std 1104和SY/T 4109僅在尺寸控制方面做出了規(guī)定。然而，隨著長輸管道朝著大口徑、薄壁、高壓力的方向發(fā)展，高鋼級管線鋼的應(yīng)用對管道環(huán)焊縫的質(zhì)量控制提出了更高的要求[19]。針對高強(qiáng)鋼管道的焊縫缺陷，熊慶人等[20]使用二維有限元模型，分析了缺陷尺寸和焊縫強(qiáng)度匹配系數(shù)對應(yīng)力的影響。但是，二維模型不足以反映環(huán)焊縫管道中氣孔缺陷的三維特性。

鑒于高強(qiáng)鋼管道環(huán)焊縫質(zhì)量控制對確保管道安全十分重要，而現(xiàn)有研究較少涉及含氣孔缺陷的管道環(huán)焊縫應(yīng)力分析，缺乏針對高強(qiáng)鋼管道環(huán)焊縫氣孔缺陷尺寸控制的技術(shù)依據(jù)。本文根據(jù)工程實(shí)際中管道環(huán)焊縫的坡口形狀及熱影響區(qū)材料的軟化現(xiàn)象，建立了環(huán)焊縫氣孔缺陷管道的數(shù)值計(jì)算模型。依據(jù)3種載荷條件下的模擬結(jié)果，分析了氣孔缺陷對管道環(huán)焊縫應(yīng)力場分布的影響，評價(jià)了現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中氣孔缺陷尺寸控制指標(biāo)的適用性，對合理控制管道環(huán)焊縫焊接質(zhì)量有一定的參考依據(jù)。

1 有限元模型

1.1 焊接坡口尺寸及形狀

本文研究的管道尺寸為φ1 219×16.3 mm，焊接方式為半自動焊，焊接坡口尺寸及對應(yīng)的焊縫截面形狀如圖1和2所示。從焊縫的截面圖中可以看出材料被分成了多個(gè)區(qū)域，這是由于在焊接過程中，受到較高的熱輸入作用，材料的晶粒組織和性能發(fā)生明顯的變化[21]，引起不同性能材料的分區(qū)。中間部分是由填充金屬和母材發(fā)生熔化凝固形成的焊縫區(qū)，兩端部分是焊接過程中材料未受影響的母材區(qū)，介于管道環(huán)焊縫區(qū)和母材區(qū)之間的部分金屬是熱影響區(qū)，由焊縫金屬臨近的部分母材被焊縫區(qū)金屬的高溫加熱后形成。根據(jù)圖1中的坡口尺寸，將焊縫背面與母材交界處的焊根寬度取為4 mm，焊縫表面與母材交界處的焊趾寬度取為16 mm，熱影響區(qū)寬度取為焊趾和焊根寬度的平均值，近似為3 mm。在焊縫表面處有超出焊趾連線高度1 mm的熔敷金屬，這是為了增加焊縫截面積，提高承載能力而形成的余高，在本文分析中對此加以考慮。關(guān)于氣孔缺陷的尺寸，美國的API Std 1104標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定單個(gè)氣孔缺陷的尺寸不能超過3 mm和管道壁厚的25％。我國的SY/T 4109標(biāo)準(zhǔn)借鑒了API標(biāo)準(zhǔn)的這項(xiàng)要求。限定單個(gè)氣孔直徑不能超過3 mm。本文中的氣孔直徑取為3 mm。

圖1 焊接坡口尺寸(mm)Fig. 1 Size of weld(mm)

圖2 焊縫截面形狀Fig. 2 The shape of cross section of weld

1.2 網(wǎng)格劃分

使用ABAQUS大型有限元分析軟件進(jìn)行建模，近似認(rèn)為氣孔缺陷呈規(guī)則的球形并位于管道環(huán)焊縫的中間位置。管道相對于氣孔中心所在的橫截面和縱截面對稱，故可取1/4管道進(jìn)行建模分析。采取20節(jié)點(diǎn)六面體單元對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于氣孔周圍應(yīng)力梯度變化較大，在氣孔周圍進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，而對于管道遠(yuǎn)端，由于距離氣孔較遠(yuǎn)，網(wǎng)格劃分相對較為稀疏，有限元模型如圖3所示。

1.3 材料參數(shù)

材料在焊接時(shí)會受到多次熱循環(huán)的作用，引發(fā)焊縫及其與母材相鄰區(qū)域材料的力學(xué)特性變化。在實(shí)際工程應(yīng)用中，使用焊縫強(qiáng)度匹配系數(shù)來表征材料由于焊接作用而發(fā)生的這種不均勻變化，該系數(shù)可以通過試驗(yàn)測試得到。為了了解X80、X90鋼級管道環(huán)焊縫的強(qiáng)度配合情況，對多組管道環(huán)焊縫試件進(jìn)行了試驗(yàn)測試，以獲取試件中焊縫、母材、熱影響區(qū)3個(gè)部分材料性能的變化規(guī)律。測試結(jié)果顯示焊縫的屈服極限較母材高10％～12％，呈現(xiàn)高匹配系數(shù)焊接。采用這種焊接系數(shù)施焊可以充分利用管道環(huán)焊縫的抗變形能力。而熱影響區(qū)在焊接熱循環(huán)的作用下引起材料的微觀結(jié)構(gòu)變化，形成軟化區(qū)[22]，導(dǎo)致強(qiáng)度與韌性下降。與母材區(qū)材料相比，該部分材料的屈服極限下降了2％～10％。

基于試驗(yàn)測試得到的焊縫強(qiáng)度匹配關(guān)系，本文以高匹配系數(shù)1.1進(jìn)行計(jì)算，即焊縫區(qū)材料的強(qiáng)度比母材區(qū)高10％，熱影響區(qū)材料的強(qiáng)度比母材區(qū)低10％。采用式(1)所示的R-O本構(gòu)關(guān)系式來描述材料的應(yīng)力-應(yīng)變變化規(guī)律。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型Fig. 3 Finite element model

管材級別為X80和X90，屈服極限sσ和強(qiáng)度極限bσ取為API-5L中規(guī)定的最低值。在單向拉伸試驗(yàn)中，材料達(dá)到強(qiáng)度極限時(shí)的拉伸載荷需要滿足關(guān)系式

式中，F(xiàn)為試驗(yàn)時(shí)拉伸載荷，N；A為試件橫截面面積，mm；σ為真實(shí)應(yīng)力，MPa。

對(2)變形后可得

由體積不變原理得

將上式帶入(1)式中即可根據(jù)sσ和bσ確定參數(shù)α和n，各部分材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)表Table 1 material parameters

2 環(huán)焊縫載荷條件

對含氣孔缺陷的管道環(huán)焊縫進(jìn)行應(yīng)力分析，需要建立載荷條件。首先，考慮到設(shè)計(jì)壓力是運(yùn)行過程中可能產(chǎn)生的最高壓力，所以將設(shè)計(jì)壓力下管道的內(nèi)壓確定為計(jì)算分析的基本載荷。其次，根據(jù)管道設(shè)計(jì)規(guī)范GB50251，使用最大剪應(yīng)力破壞理論對管道環(huán)焊縫進(jìn)行強(qiáng)度校核，強(qiáng)度條件為

式中，Tσ表示Tresca強(qiáng)度理論的當(dāng)量應(yīng)力，MPa；1σ表示最大主應(yīng)力，MPa；3σ表示最小主應(yīng)力，MPa。

管道在運(yùn)行過程中處于兩向應(yīng)力狀態(tài)，內(nèi)壓使環(huán)向產(chǎn)生拉伸應(yīng)力hσ，而軸向應(yīng)力aσ既存在壓縮應(yīng)力的情況，也存在拉伸應(yīng)力的情況。由此確定在基本載荷作用下的拉、壓兩種極端載荷條件。

當(dāng)管道的軸向應(yīng)力為壓縮力(aσ＜0)時(shí)，由：

可得：

相應(yīng)的軸向應(yīng)力為：

即，管道軸向受壓的極端載荷條件為設(shè)計(jì)壓力與0.18sσ的軸向壓應(yīng)力的疊加。

當(dāng)管道的軸向應(yīng)力為拉伸力(aσ＞0)時(shí)，由：

可得：

即，管道軸向拉伸極端載荷條件為設(shè)計(jì)壓力和0.9sσ的軸向拉應(yīng)力的組合。

基于上述討論，本文的應(yīng)力分析在以下3種載荷條件下進(jìn)行。

(1)基本載荷條件：設(shè)計(jì)壓力12 MPa的內(nèi)壓；

(2)極端壓縮載荷條件：設(shè)計(jì)壓力12 MPa的內(nèi)壓與0.18sσ軸向壓縮應(yīng)力的疊加；

(3)極端拉伸載荷條件：設(shè)計(jì)壓力12 MPa的內(nèi)壓與0.9sσ軸向拉伸應(yīng)力的疊加。

3 失效判據(jù)

合理地確定失效判據(jù)需要對應(yīng)力狀態(tài)及材料性能加以考慮。從應(yīng)力狀態(tài)的角度看，管道處于多向應(yīng)力狀態(tài)，其失效不再由單一的應(yīng)力分量控制，而是受多向應(yīng)力的影響，應(yīng)當(dāng)使用多向應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度理論。在傳統(tǒng)的強(qiáng)度理論中，von Mises強(qiáng)度理論考慮了3個(gè)主應(yīng)力的影響，更加符合試驗(yàn)結(jié)果，所以本文應(yīng)力分析取von Mises等效應(yīng)力進(jìn)行判定。

從材料性能的角度來看，塑性材料應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系是非線性的，隨著塑性變形增大，材料抵抗塑性變形的能力也有所增加。Hahn等[23]考慮了材料的這種應(yīng)變硬化特性，提出了流動應(yīng)力的概念，并按照應(yīng)力水平的高低，將流動應(yīng)力的上下限定義為材料的強(qiáng)度極限和屈服強(qiáng)度。對于高鋼級管道，材料性能提高的同時(shí)，管道的應(yīng)力水平也有所增大，一般情況下，流動應(yīng)力取為屈服強(qiáng)度和強(qiáng)度極限的平均值。

就缺陷類型來說，氣孔屬于制造環(huán)節(jié)產(chǎn)生的初始缺陷，所以，在本文的應(yīng)力分析中，采用基于流動應(yīng)力的失效判據(jù)對含氣孔缺陷的管道環(huán)焊縫進(jìn)行評估，既能有效利用材料，又可以保障結(jié)構(gòu)安全。

圖4 基本載荷條件下氣孔缺陷周圍的von Mises等效應(yīng)力云圖Fig. 4 The von Mises stress distribution of pipe under base loading condition

4 結(jié)果分析

4.1 應(yīng)力分析

根據(jù)第2節(jié)確定的基本、極端壓縮和極端拉伸載荷條件，分別對管道進(jìn)行有限元模擬。圖4、5和6分別表示3種載荷條件下氣孔缺陷周圍的von Mises等效應(yīng)力云圖。從圖中可以看出氣孔會導(dǎo)致孔邊應(yīng)力明顯增大，但影響范圍限制在氣孔周圍較小的區(qū)域，不會擴(kuò)展到管道環(huán)焊縫內(nèi)外表面，而管體其余部分的應(yīng)力場分布均勻，在3種載荷條件下均未達(dá)到屈服。管道在基本載荷12 MPa的設(shè)計(jì)壓力作用下，內(nèi)壓引起管體膨脹，最大等效應(yīng)力產(chǎn)生于管道縱向?qū)ΨQ面的氣孔邊緣處。管道在設(shè)計(jì)壓力12 MPa與0.18倍屈服強(qiáng)度的軸向壓應(yīng)力組合的極端軸向壓縮載荷作用下，由于管道在軸向壓縮載荷和內(nèi)壓的同時(shí)作用下發(fā)生膨脹，此時(shí)最大等效應(yīng)力有小幅增長，但位置仍然位于縱向?qū)ΨQ面的氣孔邊緣。管道在設(shè)計(jì)壓力12 MPa與0.9倍屈服強(qiáng)度的軸向拉應(yīng)力組合的極端軸向拉伸載荷作用下，軸向拉應(yīng)力對管道的作用超過內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力的作用，管道最大等效應(yīng)力的位置轉(zhuǎn)移至橫截面上的氣孔邊緣處。各個(gè)載荷條件下管道的最大等效應(yīng)力值與遠(yuǎn)端管體的平均應(yīng)力值如表2所示，根據(jù)本文中所確定的失效判定準(zhǔn)則，3種載荷條件下的最大von Mises等效應(yīng)力均未超過失效判據(jù)規(guī)定的流動應(yīng)力。除氣孔局部區(qū)域應(yīng)力增大外，管體其余部分的應(yīng)力水平還都處于彈性范圍內(nèi)，說明對X80和X90鋼級環(huán)焊縫管道來說，直徑為3 mm的氣孔缺陷是可以接受的。

圖5 極端軸向壓縮載荷條件下氣孔缺陷周圍的von Mises等效應(yīng)力云圖Fig. 5 The von Mises stress distribution of pipe under extreme compressive loading condition

圖6 極端軸向拉伸載荷條件下氣孔缺陷周圍的von Mises等效應(yīng)力云圖Fig. 6 The von Mises stress distribution of pipe under xtreme etensile loading condition

4.2 氣孔位置的影響分析

為了分析氣孔位置對管道應(yīng)力狀態(tài)的影響，以管壁橫截面中線為界限分別建立位于中線內(nèi)側(cè)和外側(cè)的氣孔缺陷。兩種位置氣孔缺陷管道的應(yīng)力分布與焊縫中部氣孔類似，氣孔會導(dǎo)致氣孔周邊發(fā)生明顯的應(yīng)力增大，但影響范圍較小不會擴(kuò)展到管道環(huán)焊縫內(nèi)外表面，管道其余部分應(yīng)力場分布均勻，均未進(jìn)入屈服。由表3的結(jié)果可以看出，內(nèi)側(cè)氣孔的最大等效應(yīng)力比外側(cè)氣孔稍高，但幅度不超過2％。這表明在焊縫中心界面處，沿徑向氣孔位置的變化對氣孔局部及管體的應(yīng)力分布幾乎沒有影響，氣孔位置的影響可以忽略。

表2 管道中不同位置處的von Mises 應(yīng)力Table 2 The von Mises stress of pipe

表3 不同位置氣孔缺陷管道的等效應(yīng)力對比Table 3 The comparison of von Mises stress

4.3 不同鋼級管道對比

對表4中所列出的X80和X90鋼級管道中的最大von Mises等效應(yīng)力與流動應(yīng)力的比值對比可以看出，隨著管材鋼級的升高，管道外徑增大、壁厚減薄，導(dǎo)致管道的環(huán)向應(yīng)力水平升高，在這些因素的共同作用下，X90鋼級管道環(huán)焊縫對氣孔缺陷的容限能力較X80鋼級管道有所降低，并且已接近于失效判據(jù)所確定的流動應(yīng)力參考值。

表4 等效應(yīng)力與流動應(yīng)力比對比表Table 4 The comparison of stress ratio

5 結(jié)論

本文針對管道環(huán)焊縫中最常見的氣孔缺陷，以真實(shí)的焊接坡口尺寸為建模依據(jù)，結(jié)合熱影響區(qū)材料的軟化，建立了三維有限元模型，分析了3種載荷條件下氣孔缺陷對管道環(huán)焊縫應(yīng)力場分布的影響，由此得到了以下結(jié)論：

(1)氣孔缺陷會引起焊縫局部應(yīng)力增大，其位置與載荷條件有關(guān)，但均未擴(kuò)展至管道環(huán)焊縫的內(nèi)外表面。在基本載荷和極端壓縮載荷條件下，由內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力占主導(dǎo)作用，縱截面上氣孔邊緣處的應(yīng)力增大最為顯著。而當(dāng)管道在極端拉伸載荷條件下，拉應(yīng)力的作用超過內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力作用時(shí)，應(yīng)力最顯著的位置轉(zhuǎn)移至橫截面上的氣孔邊緣處。

(2)對內(nèi)、外側(cè)及管壁中間位置的氣孔進(jìn)行應(yīng)力分析發(fā)現(xiàn)，沿徑向的氣孔位置變化不會顯著影響氣孔周圍的應(yīng)力水平，氣孔徑向位置的影響可以忽略。

(3)對高匹配0.72設(shè)計(jì)系數(shù)的X80和X90鋼級環(huán)焊縫管道，在拉伸、壓縮極端載荷條件下，管道的最大等效應(yīng)力均未超過失效判據(jù)規(guī)定的流動應(yīng)力。因此3 mm的氣孔缺陷尺寸控制指標(biāo)適用于X80和X90鋼級管道。

(4)管道鋼級提高后，管道的外徑相應(yīng)增大、壁厚也有所減薄，材料與幾何尺寸的變化共同引起管道環(huán)向應(yīng)力水平的提高，在這些因素共同作用下使得高鋼級管道的缺陷可接受水平降低。

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Stress analysis of circumferential pipeline weld seams with pore defects

LI Yan1, SHUAI Jian1, SUI Yongli2, XU Kui1
1 China University of Petroleum-Beijing, Beijing 102249, China
2 China Petroleum Pipeline Scientifc Research Institute, Langfang 065000, China

Welding quality control plays an important practical role in the safe operation of oil and gas pipelines. Especially for high grade pipelines, dimensional control of welding defects is the bottleneck problem in pipeline construction. During the important construction welding process, pore defects are one of the most unavoidable welding problems. To evaluate the applicability of standards specifying pore dimensions, non-linear fnite element analysis models of circumferential pipeline weld seams with pore defects were modeled by considering the real structure of the welding seam and the softening of the heat affected zone. Based on the conventional strength theory for pipeline engineering design, three loading conditions of stress analysis are defned. The stress analyses are investigated based on the fow stress failure criterion. The results showed that the effect of the location along the wall thickness of the pipe is not so signifcant, and compared with X80 grade line pipe, the tolerance of pore defect size in X90 grade line pipe is stricter. A 3 mm pore diameter is acceptable for X80 and X90 circumferential pipeline weld seams.

circumferential pipeline weld seam; pore defect; extreme load condition; stress analysis; defect dimension

2016-11-15

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAK16B02)資助

10.3969/j.issn.2096-1693.2016.03.037

(編輯 馬桂霞)

李燕, 帥健, 隋永莉, 許葵. 含氣孔缺陷的管道環(huán)焊縫應(yīng)力分析. 石油科學(xué)通報(bào), 2016, 03: 417-424

LI Yan, SHUAI Jian, SUI Yongli, XU Kui. Stress analysis of circumferential pipeline weld seams with pore defects. Petroleum Science Bulletin, 2016, 03: 417-424. doi: 10.3969/j.issn.2096-1693.2016.03.037

*通信作者, shuaij@cup.edu.cn