管道環(huán)焊縫根部裂紋的有限元評價方法研究

＊張神良 何玉龍 畢玉龍 張軼男 魏昊天 王路明

（1.安徽省天然氣開發(fā)股份有限公司 安徽 230051 2.中國石油大學(xué)（北京）安全與海洋工程學(xué)院 北京 102249）

隨著管道的大規(guī)模建設(shè)，近年來，在我國油氣管道試壓、運(yùn)行過程中，管道安全失效事件屢見不鮮。受焊接技術(shù)水平和現(xiàn)場施工質(zhì)量限制，部分管道投產(chǎn)運(yùn)行后存在嚴(yán)重的裂紋、未熔合、未焊透等環(huán)焊縫焊接缺陷。尤其近10年來因管道環(huán)焊縫失效導(dǎo)致的安全事故，如2017年7月2日、2018年6月10日中緬天然氣管道連續(xù)發(fā)生兩次環(huán)焊縫斷裂失效事故，2019年泰青威輸氣管道發(fā)生1起環(huán)焊縫斷裂事件。該類事故具有焊縫開裂尺寸長、泄漏量大的特點(diǎn)，易對周邊人員安全和環(huán)境造成嚴(yán)重威脅。有必要對管道環(huán)焊縫根部裂紋進(jìn)行安全評估研究。

本文綜合采用有限元模擬和夏比沖擊功計算的手段，評估含缺陷管道安全性。相較于傳統(tǒng)方法，采用有限元方法進(jìn)行分析大大提高了評估的準(zhǔn)確度和效率，能夠?yàn)楹协h(huán)焊縫根部裂紋缺陷的管道安全運(yùn)行提供參考。

1.概述

(1)管道基本參數(shù)

管道管徑：610mm，壁厚：12.7mm；材質(zhì)：X65直縫埋弧焊管；設(shè)計壓力：9.2MPa；最大允許壓力：9.0MPa。從保守角度考慮，管材屈服強(qiáng)度考慮為名以屈服強(qiáng)度450MPa，管材抗拉強(qiáng)度535MPa。

焊口采用手工電弧焊SMAW，根據(jù)該焊接工藝形成的環(huán)焊縫坡口形式，結(jié)合管道基本尺寸，建立了對應(yīng)的有限元模型，模型考慮焊縫、熱影響區(qū)、母材3種材料，對于X65鋼，熱影響區(qū)軟化現(xiàn)象不明顯，幾乎可忽略，可認(rèn)為與母材材料曲線一致[1,2]。對于焊縫材料，從保守角度來說考慮焊縫區(qū)等強(qiáng)匹配，最終得到管材與焊縫的塑性應(yīng)變-真實(shí)應(yīng)力曲線如下圖1所示，母材與等強(qiáng)度匹配焊縫的曲線趨于一致。

圖1 母材與焊縫材料應(yīng)力-塑性應(yīng)變關(guān)系曲線

(2)裂紋尺寸說明

根據(jù)裂紋缺陷檢測結(jié)果，如圖2所示，編號1、5、6、7的裂紋雖然單個長度較短，但裂紋間位置相近，編號3與編號4的裂紋長度較大。結(jié)合工程實(shí)際情況，共考慮3種裂紋尺寸。

圖2 裂紋位置及編號示意圖

第1種：將下圖中編號1、5、6、7位置檢測到的裂紋合并成等效裂紋，其裂紋長度為1、5、6、7位置各部分裂紋長度總和及四個裂紋間距離（共80mm），裂紋深度為所有檢測結(jié)果中最大值1.8mm；

第2種：缺陷3位置的裂紋，其深度為0.7mm，長度為115mm；

第3種：缺陷4位置的裂紋，其深度為1.3mm，長度為160mm。

2.有限元模型

圖3 有限元模型及裂紋局部放大圖

圖4 網(wǎng)格設(shè)置情況及裂紋局部放大圖

該壓力管道模型設(shè)置為管徑610mm、壁厚12.7mm、管材X65，模型總長取6倍管徑。結(jié)合實(shí)際焊接接頭坡口情況，模型采用SMAW單V型坡口形式，建立有限元模型。為更好模擬裂紋真實(shí)情況，對裂紋尖端網(wǎng)格進(jìn)行局部加密。有限元分析共包含兩個載荷步，首先對管道內(nèi)施加設(shè)計壓力9.2MPa；其次對管道軸向施加拉伸載荷。利用有限元模型分析不同載荷條件下裂紋尖端的張開位移（Crack Tip Opening Displacement，CTOD），當(dāng)CTOD達(dá)到材料的斷裂韌性時認(rèn)為結(jié)構(gòu)失效。

3.環(huán)焊縫裂紋開裂行為分析

圖5為3種裂紋尺寸情況下裂紋擴(kuò)展驅(qū)動力CTOD隨軸向載荷的變化曲線，可以看出，軸向載荷加載初期，整個結(jié)構(gòu)主要處于彈性階段，3種裂紋尺寸情況下的裂紋擴(kuò)展驅(qū)動力都增長緩慢；當(dāng)軸向載荷加載達(dá)到材料屈服極限后，3種裂紋尺寸情況下的裂紋擴(kuò)展驅(qū)動力增長趨勢變大。同時可以看出，裂紋深度對裂紋擴(kuò)展驅(qū)動力CTOD值的影響更大。

圖5 裂紋尖端張開位移隨軸向載荷變化曲線

圖6 數(shù)值模擬結(jié)果示意圖

從基于應(yīng)力評價角度來說，管道允許的最大軸向拉伸應(yīng)力為0.9倍材料名義屈服強(qiáng)度[3]，對于X65鋼來說，最大允許軸向拉伸應(yīng)力為405MPa，通過數(shù)值仿真計算得到了該軸向應(yīng)力水平下不同裂紋尺寸對應(yīng)的CTOD值，見表1。

根據(jù)BS 7910以及SY/T 6477關(guān)于CTOD與應(yīng)力強(qiáng)度因K子以及夏比沖擊功的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)換公式，如式（1）。

式中，m為與管材屈強(qiáng)比有關(guān)的系數(shù)，m=1.517，σy為管材屈服強(qiáng)度，MPa；σy為管材抗拉強(qiáng)度，MPa；E為彈性模量，MPa；v為泊松比。應(yīng)力強(qiáng)度因子與夏比沖擊功的轉(zhuǎn)化如式（2）所示。

最終得到3種裂紋尺寸，裂紋不起裂對應(yīng)的材料最小夏比沖擊功如表1所示。

表1 計算結(jié)果匯總表

目前我國焊接接頭材料數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，CTOD一般大于0.1mm，對應(yīng)的夏比沖擊功一般也會在100J以上，所以從斷裂適用性評價的角度，基于現(xiàn)有的假設(shè)條件，在軸向應(yīng)力小于0.9倍屈服強(qiáng)度的情況下是較為安全的。參考表1，若有較為明確的材料測定結(jié)果通過截取臨界CTOD對應(yīng)的軸向載荷可以得到該管道能夠承受的極限軸向載荷。

4.總結(jié)

（1）如果按照X65材料是18J計算，對照表1，目前裂紋達(dá)不到起裂的條件，目前運(yùn)行壓力條件下，仍然處于安全狀態(tài)。

（2）按照目前評價結(jié)果，建議夾具注環(huán)氧或B型套筒修復(fù)，需要說明的是采用夾具注環(huán)氧修復(fù)方法是可行的，其應(yīng)力及時傳遞給外部鋼套管，不會發(fā)生起裂情況。

（3）本文針對內(nèi)檢測中發(fā)現(xiàn)的環(huán)焊縫根部裂紋，建立有限元模型，分析得到裂紋擴(kuò)展驅(qū)動力增長趨勢在載荷達(dá)到材料屈服極限后變大，裂紋深度是影響裂紋擴(kuò)展驅(qū)動力CTOD值的重要因素。并結(jié)合BS 7910以及SY/T 6477標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)驗(yàn)公式，對含環(huán)焊縫根部裂紋管道的安全性進(jìn)行準(zhǔn)確評估，并給出修復(fù)建議，對實(shí)際管道缺陷的評估修復(fù)有指導(dǎo)意義，為實(shí)際管道安全運(yùn)行提供參考。