未焊透缺陷尺寸對X80管道彎曲承載力的影響

＊魏巍 朱立 李乃賢 賈彬

（1.成都市特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測研究院 四川 610036 2.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 四川 621010）

我國已在西氣東輸、中緬線等大規(guī)模應(yīng)用了大口徑、高鋼級的X80管道[1]。早期X80管道采用人工焊接，在管道環(huán)焊縫中不可避免的會(huì)產(chǎn)生未焊透缺陷[2]，未焊透缺陷的存在會(huì)導(dǎo)致管道存在巨大的安全隱患[3]，未焊透缺陷的形狀十分復(fù)雜且不具備規(guī)律性，容易導(dǎo)致管道安全事故的發(fā)生[4]；據(jù)統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)外多起管道安全事故都是由于管道環(huán)焊縫失效引起的[5]。管道一般處于拉、壓、彎、剪和扭及其復(fù)合受力狀態(tài)，其中主要承受彎矩的控制；故管道一般承受內(nèi)壓和彎矩組合荷載的作用。國內(nèi)外已有不少學(xué)者對管道在內(nèi)壓與彎矩作用下受力響應(yīng)進(jìn)行了分析[6-10]，但仍需進(jìn)一步對環(huán)焊縫缺陷尺寸進(jìn)行定量分析。

本文通過數(shù)值模擬方法，開展了未焊透缺陷在內(nèi)壓與彎矩作用下的失效分析，得到了環(huán)焊縫缺陷尺寸對管道極限承載力的影響規(guī)律，可為今后環(huán)焊縫失效研究提供參考。

1.有限元模型

（1）物理模型及網(wǎng)格劃分。本文研究的管材為X80管線鋼，采用文獻(xiàn)[11]中的X80管線鋼本構(gòu)模型和力學(xué)參數(shù)。環(huán)焊縫為等強(qiáng)匹配。模型不考慮焊縫余高以及其他焊接缺陷的影響，未焊透缺陷設(shè)置為等深的矩形形狀，缺陷示意如圖1所示。

圖1 缺陷示意圖

采用C3D8R實(shí)體單元，網(wǎng)格單元大小為50mm，缺陷附近的網(wǎng)格進(jìn)行了加密，加密網(wǎng)格長度為1mm，如圖2所示。管道直徑D為1219mm，壁厚t為18.4mm，長度為10000mm。未焊透缺陷寬度B為10mm；深度H分別為壁厚t的20%、40%、60%（H=20% t、40% t、60% t）；環(huán)向長度L分別為25mm、50mm、75mm；共計(jì)9種不同的工況。未焊透缺陷位于管道受拉側(cè)。

圖2 環(huán)焊縫管道網(wǎng)格劃分圖

（2）荷載與邊界條件。本文研究未焊透缺陷X80管道在工作內(nèi)壓和彎矩組合載荷共同作用下的失效行為，其受力簡圖如圖3所示。首先施加內(nèi)壓12MPa，然后在管道端部通過轉(zhuǎn)角位移（弧度制）施加彎矩，直到缺陷處失效。在管道端部施加兩個(gè)參考點(diǎn)，將參考點(diǎn)與管道端部的自由點(diǎn)進(jìn)行耦合，如圖4所示。將彎矩荷載施加在參考點(diǎn)上從而把彎矩傳導(dǎo)給管道，約束了管道豎直方向的位移。采用靜力學(xué)進(jìn)行計(jì)算，直接迭代進(jìn)行求解。

圖3 管道受力示意圖

圖4 耦合自由度

（3）失效準(zhǔn)則。本文采用Mises屈服準(zhǔn)則來判斷管道缺陷處的失效，X80管線鋼的名義屈服強(qiáng)度為638MPa。

2.計(jì)算結(jié)果及分析

未焊透缺陷所在截面彎矩隨轉(zhuǎn)角的變化，如圖5所示。所有曲線呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律，因?yàn)槲春竿溉毕菟斐傻慕孛婷娣e減小程度，對管道的抗彎剛度影響不大。加載初期，彎矩隨轉(zhuǎn)角位移的增加而線性增加；隨著加載的進(jìn)行，彎矩增加的幅度逐步減小。

圖5 彎矩隨轉(zhuǎn)角變化曲線

同一轉(zhuǎn)角位移（0.015弧度），缺陷附近Von Mises應(yīng)力分布，如圖6所示。由圖6可知，所有工況下缺陷處都產(chǎn)生了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。在缺陷長度L相同時(shí)，缺陷處Mises應(yīng)力隨著缺陷深度H的增加而增加；同樣的，缺陷深度H相同時(shí)，缺陷處Mises應(yīng)力隨著缺陷長度L的增加而增加；與缺陷長度比較，缺陷深度對Mises應(yīng)力集中的現(xiàn)象影響更加明顯。

圖6 缺陷附近Von Mises應(yīng)力分布

缺陷處Mises應(yīng)力隨彎矩的變化曲線，如圖7所示，以管道缺陷處的Mises應(yīng)力達(dá)到638MPa作為管道失效的評判標(biāo)準(zhǔn)加載初期，由于內(nèi)壓的影響，缺陷處Mises應(yīng)力隨著彎矩的增加有一定程度的減??；之后缺陷處Mises應(yīng)力隨著彎矩的增加而增加；當(dāng)缺陷處Mises應(yīng)力超過屈服強(qiáng)度進(jìn)入強(qiáng)化階段后，缺陷處Mises應(yīng)力隨著彎矩的增加幅度有所減小。

圖7 缺陷處Mises應(yīng)力隨彎矩變化曲線

失效彎矩與缺陷尺寸的關(guān)系如圖8所示。由圖8（a）可知，在缺陷深度H相同的情況下，失效彎矩隨著缺陷長度L的增加而降低；由圖8（b）可知，在缺陷長度L相同的情況下，失效彎矩隨著缺陷深度H的增加而降低。由圖8（a）和圖8（b）對比可以看出，失效彎矩隨著缺陷長度L的增加而下降的幅度不大，而隨著缺陷深度H的增加而下降的幅度明顯高于缺陷長度L的影響。并且（a）圖兩線之間的差距遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于（b）圖兩線之間的差距，說明失效彎矩受缺陷深度H的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于缺陷長度L的影響。在圖8（c）的三維失效圖中，失效面呈現(xiàn)出類似于“平行四邊形”形態(tài)，整體下降趨勢基本一致。

圖8 失效彎矩隨缺陷尺寸的變化規(guī)律

3.結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬方法，研究了未焊透缺陷尺寸對X80管道彎曲承載力的影響規(guī)律，主要結(jié)論如下：

（1）加載初期，彎矩隨轉(zhuǎn)角位移的增加而線性增加；之后彎矩隨轉(zhuǎn)角位移增加的幅度逐步減小。

（2）缺陷處產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，缺陷處Mises應(yīng)力隨著缺陷深度和長度的增加而分別增加；與缺陷長度相比，缺陷深度對Mises應(yīng)力集中現(xiàn)象的影響更加明顯。

（3）加載初期，缺陷處Mises應(yīng)力隨著彎矩的增加有一定程度的減??；之后缺陷處Mises應(yīng)力隨著彎矩的增加而增加；當(dāng)缺陷處Mises應(yīng)力超過屈服強(qiáng)度進(jìn)入強(qiáng)化階段后，缺陷處Mises應(yīng)力隨著彎矩的增加而增加的幅度有所減小。

（4）失效彎矩受缺陷深度的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于缺陷長度的影響。三維失效圖中，失效面出現(xiàn)類似于“平行四邊形”形態(tài)，整體下降趨勢基本一致。