高鋼級(jí)管道環(huán)焊縫的應(yīng)變集中特性研究*

帥 健，張銀輝

(中國(guó)石油大學(xué)(北京)安全與海洋工程學(xué)院 北京 102249)

0 引 言

應(yīng)變集中通常發(fā)生在構(gòu)件的材料組織及幾何結(jié)構(gòu)不連續(xù)處。管道環(huán)焊縫通常包含母材、熱影響區(qū)及焊縫材料等區(qū)域，這些不同區(qū)域的材料有不同的組織，因而使管道在環(huán)焊縫處形成材料不連續(xù)的區(qū)域。此外，在管道環(huán)焊縫處還具有因焊接所產(chǎn)生的幾何結(jié)構(gòu)不連續(xù)的特征[1-7]。其幾何結(jié)構(gòu)不連續(xù)及不同的材料組織使其在某一位置產(chǎn)生較大的應(yīng)變集中，在外部載荷作用下，應(yīng)變集中位置處將率先發(fā)生開(kāi)裂并最終引發(fā)環(huán)焊縫斷裂。調(diào)查表明，因環(huán)焊縫處發(fā)生拉斷所引發(fā)的事故占有很大比例，因此，這使應(yīng)變集中技術(shù)成為環(huán)焊縫研究的重點(diǎn)。

目前，對(duì)于管道應(yīng)變能力的研究主要集中在環(huán)焊縫方面,本文應(yīng)用基于材料損傷的有限元模型(Gurson-Tvegraard-Needleman模型)研究了高鋼級(jí)管道環(huán)焊縫的應(yīng)變能力[8]，分析了裂紋尺寸、材料均勻延伸率、材料屈服強(qiáng)度及內(nèi)壓載荷等對(duì)應(yīng)變能力的影響。Liu等應(yīng)用有限元方法研究了熱影響區(qū)及焊縫強(qiáng)度不匹配程度對(duì)環(huán)焊縫裂紋應(yīng)變集中及CTOD驅(qū)動(dòng)力的影響[9]，表明由熱影響區(qū)的軟化引起的CTOD驅(qū)動(dòng)力和應(yīng)變集中的相對(duì)增加與裂紋尺寸無(wú)關(guān);此外，他們還研究了內(nèi)壓所引起的環(huán)向應(yīng)力對(duì)于環(huán)焊縫裂紋應(yīng)變集中及裂紋驅(qū)動(dòng)力的影響[10]。Motohashi等[11]研究了軸向拉伸載荷作用下，強(qiáng)度匹配對(duì)X80管道環(huán)焊縫韌性斷裂行為的影響，表明高匹配環(huán)焊縫可以防止焊縫和熱影響區(qū)表面缺口處的應(yīng)變集中，低匹配環(huán)焊縫的應(yīng)變集中程度高于高匹配環(huán)焊縫。Bastola等[12]對(duì)位移作用下X80管道環(huán)焊縫的應(yīng)變能力進(jìn)行了試驗(yàn)及數(shù)值模擬，結(jié)果表明所研究的焊縫為高匹配環(huán)焊縫，但如果存在熱影響區(qū)軟化，軸向應(yīng)變集中發(fā)生在焊縫兩側(cè)靠近熱影響區(qū)的區(qū)域。Chen等[13]應(yīng)用裂紋驅(qū)動(dòng)力及斷裂阻力曲線，研究了含近縫區(qū)裂紋的X70管道環(huán)焊縫的拉伸應(yīng)變能力。

總之，已有的研究主要針對(duì)含缺陷管道環(huán)焊縫，所涉及的應(yīng)變集中主要是缺陷導(dǎo)致的。然而，環(huán)焊縫的應(yīng)變集中一個(gè)重要原因是環(huán)焊縫結(jié)構(gòu)與材料的不均質(zhì)性，特別是低強(qiáng)匹配環(huán)焊縫以及熱影響區(qū)軟化的高強(qiáng)匹配環(huán)焊縫，從根本上存在應(yīng)變集中機(jī)理，影響了管道的應(yīng)變能力以及管道的承壓能力。本文建立了管道環(huán)焊縫結(jié)構(gòu)的有限元模型，重點(diǎn)分析了低強(qiáng)匹配環(huán)焊縫以及熱影響區(qū)軟化的高強(qiáng)匹配環(huán)焊縫中的應(yīng)變集中及其對(duì)管道應(yīng)變能力的影響，所得結(jié)果可為管道環(huán)焊縫的設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

1 GTN模型

以發(fā)生開(kāi)裂作為判斷環(huán)焊縫失效的標(biāo)準(zhǔn)，用Gurson-Tvegraard-Needleman(GTN)損傷模型進(jìn)行研究。Gurson[14]在早期研究了含孔洞材料的塑性流動(dòng)準(zhǔn)則及屈服準(zhǔn)則，提出了包含微孔洞增長(zhǎng)的本構(gòu)方程。在此基礎(chǔ)上，Tvergaard及Needleman[15]對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，加強(qiáng)了孔洞對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，改善了對(duì)大體積孔洞的預(yù)測(cè)性，提出了GTN模型，該模型是基于材料細(xì)觀力學(xué)的韌性撕裂損傷模型，能夠模擬材料中微孔洞的成核、演化及聚合的完整過(guò)程[16-18]：

(1)

(2)

2 有限元模型

管道環(huán)焊縫是典型的非均質(zhì)結(jié)構(gòu)，其簡(jiǎn)化后的結(jié)構(gòu)與尺寸如圖1所示，對(duì)于鋼管外徑為1 016 mm、壁厚為18.4 mm的管道，熱影響區(qū)寬度為3 mm，焊縫余高為1 mm，焊根寬度為3 mm[5-19]，有限元計(jì)算采用軸對(duì)稱模型，如圖2所示。有限元模型在焊縫、熱影響區(qū)及靠近熱影響區(qū)的母材處均采用細(xì)化網(wǎng)格，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域的管道網(wǎng)格尺寸逐漸增大。在環(huán)焊縫截面A處采用軸向?qū)ΨQ邊界條件，管道遠(yuǎn)端加載軸向位移。此外，加載時(shí)分別考慮無(wú)內(nèi)壓及含內(nèi)壓兩種情況。

圖1 管道環(huán)焊縫幾何結(jié)構(gòu)及尺寸

圖2 管道環(huán)焊縫處有限元模型

3 材料性能

選用X80鋼管進(jìn)行研究，鋼管管體及焊縫區(qū)材料的真應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系按照Ramberg-Osgood模型進(jìn)行計(jì)算，如方程式式(3)所示[20-22]：

(3)

方程式式(3)中：ε為真應(yīng)變；ε0為屈服應(yīng)變；σ為真應(yīng)力，MPa；σ0為屈服應(yīng)力，MPa；α為硬化系數(shù)；n為硬化指數(shù)。

研究中所采用X80鋼管的屈服強(qiáng)度為555 MPa, 分別考慮環(huán)焊縫的低匹配及熱影響區(qū)軟化的高匹配兩種情況。熱影響區(qū)軟化是指管道在焊接過(guò)程中受焊接熱循環(huán)的影響，靠近焊縫處的鋼管管體材料強(qiáng)度降低。對(duì)于低匹配環(huán)焊縫，熱影響區(qū)材料屈服強(qiáng)度低于管道鋼管管體5%，選取焊縫區(qū)材料屈服強(qiáng)度低于鋼管管體10%及15%的兩種焊縫區(qū)材料進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于熱影響區(qū)軟化的高匹配環(huán)焊縫，熱影響區(qū)材料屈服強(qiáng)度低于鋼管管體10%，并且選取焊縫區(qū)材料屈服強(qiáng)度低于鋼管管體10%及15%的兩種焊縫區(qū)材料進(jìn)行計(jì)算，選取的材料性能指標(biāo)值見(jiàn)表1。

表1 選取的材料性能指標(biāo)值

圖3 僅有軸向位移作用下10%低匹配環(huán)焊縫的應(yīng)變?cè)茍D

4 計(jì)算結(jié)果及分析討論

通過(guò)有限元計(jì)算分別得到了低匹配環(huán)焊縫及熱影響區(qū)軟化的高匹配環(huán)焊縫的應(yīng)變結(jié)果，包括不同載荷條件下，環(huán)焊縫的應(yīng)變集中位置及應(yīng)變集中程度的變化情況，并對(duì)不同匹配程度的影響進(jìn)行了討論。研究中用應(yīng)變集中系數(shù)作為應(yīng)變集中的程度值，該系數(shù)的定義如式(4)：

(4)

式(4)中：k為應(yīng)變集中系數(shù)，εcon為環(huán)焊縫應(yīng)變集中位置的應(yīng)變，εref為參考應(yīng)變(管道遠(yuǎn)端應(yīng)變)。

4.1 低匹配環(huán)焊縫

4.1.1 軸向位移作用

首先進(jìn)行了僅有軸向位移作用下，10%及15%低匹配環(huán)焊縫應(yīng)變情況的研究。研究分析了從開(kāi)始加載直至環(huán)焊縫發(fā)生開(kāi)裂為止的全過(guò)程的應(yīng)變情況，如圖3所示，即加載過(guò)程中管道遠(yuǎn)端應(yīng)變分別為0.002、0.01、0.08及0.146時(shí)，計(jì)算并得到管道環(huán)焊縫10%低匹配情況下的應(yīng)變?cè)茍D。從圖3可見(jiàn)，當(dāng)加載位移較小、管道遠(yuǎn)端應(yīng)變?yōu)?.002時(shí)，管道整體上應(yīng)變分布較為均勻，焊縫外表面處應(yīng)變較低，應(yīng)變最大位置處于熱影響區(qū)與焊縫交界的外表面處，如圖3(a)所示紅色圓圈標(biāo)識(shí)位置。隨著軸向位移的逐漸增大，應(yīng)變最大位置未發(fā)生變化，而焊縫中的應(yīng)變情況則出現(xiàn)較大變化，如圖3(b)所示為管道遠(yuǎn)端應(yīng)變?yōu)?.01時(shí)的應(yīng)變?cè)茍D，從應(yīng)變最大位置至焊根位置，在焊縫中形成了與管道徑向形成一定角度的應(yīng)變較為集中的區(qū)域，如圖中兩條黑色虛線之間的范圍，該區(qū)域應(yīng)變較大。隨著位移的進(jìn)一步增加，焊縫中應(yīng)變逐漸增大，但應(yīng)變最大位置仍未發(fā)生變化，如圖3(c)及(d)所示。當(dāng)管道遠(yuǎn)端應(yīng)變達(dá)到約0.146時(shí)，應(yīng)變最大位置是臨近開(kāi)裂的極限應(yīng)變位置。如圖3(d)中紅色方框標(biāo)識(shí)所示，該位置(即焊根位置)也是焊縫中應(yīng)變較大且應(yīng)變較為集中的區(qū)域。此外，實(shí)際環(huán)焊縫的幾何結(jié)構(gòu)及尺寸存在一定差異，若焊縫余高處過(guò)渡非常平滑則其位置應(yīng)變集中程度會(huì)有一定程度的降低。

當(dāng)管道環(huán)焊縫為10%低匹配時(shí)，應(yīng)變集中系數(shù)隨管道遠(yuǎn)端應(yīng)變的變化情況如圖4所示，即應(yīng)變集中系數(shù)隨管道遠(yuǎn)端應(yīng)變的增大而增大，并可以分為三個(gè)階段。當(dāng)管道遠(yuǎn)端應(yīng)變小于0.004時(shí)(a-b階段),應(yīng)變集中系數(shù)隨管道遠(yuǎn)端應(yīng)變的增大而較為顯著地增大，這是由于在該階段應(yīng)變集中位置材料的強(qiáng)度較低并首先發(fā)生屈服，而鋼管管體由于強(qiáng)度較高仍未發(fā)生屈服，因此應(yīng)變集中位置的應(yīng)變相對(duì)于管道增加幅度較大，從而使應(yīng)變集中系數(shù)顯著增大。當(dāng)遠(yuǎn)端應(yīng)變?yōu)?.004時(shí)，應(yīng)變集中系數(shù)達(dá)到約2.25。當(dāng)管道遠(yuǎn)端應(yīng)變大于0.004時(shí)(b-c階段),管道及焊縫區(qū)材料均發(fā)生屈服，應(yīng)變的增幅均較大，從而使應(yīng)變集中系數(shù)的增加變得相對(duì)平緩。當(dāng)管道遠(yuǎn)端應(yīng)變大于0.13時(shí)(c-d階段)，應(yīng)變集中位置的材料臨近發(fā)生失效，會(huì)產(chǎn)生較大程度的變形，因而應(yīng)變集中系數(shù)又會(huì)顯著地增大。最終，當(dāng)管道遠(yuǎn)端應(yīng)變達(dá)到約0.146時(shí)，應(yīng)變最大位置是臨近開(kāi)裂的極限應(yīng)變位置。

圖4 應(yīng)變集中系數(shù)隨管道遠(yuǎn)端應(yīng)變的變化

管道環(huán)焊縫15%低匹配的情況下，其應(yīng)變集中程度在加載過(guò)程中的變化與環(huán)焊縫10%低匹配的情況相似，如圖5所示。該條件下在加載過(guò)程中環(huán)焊縫的應(yīng)變最大位置仍處于焊縫與熱影響區(qū)交界的外表面，也存在從應(yīng)變最大位置至焊根位置的較大應(yīng)變區(qū)域，在圖5中紅色方框位置也存在應(yīng)變較大且應(yīng)變集中程度較高的區(qū)域。應(yīng)變集中系數(shù)隨管道遠(yuǎn)端應(yīng)變的變化情況如圖6所示，應(yīng)變集中系數(shù)的變化可分為三個(gè)階段，其中在第二階段應(yīng)變集中系數(shù)的增加幅度大于10%低匹配環(huán)焊縫在第二階段的增加幅度。

4.1.2 軸向位移與內(nèi)壓復(fù)合作用

管道通常在一定的內(nèi)壓下運(yùn)行，管道發(fā)生失效通常因?yàn)槔煳灰婆c內(nèi)壓的共同作用，因此研究?jī)?nèi)壓對(duì)管道環(huán)焊縫應(yīng)變集中特性的影響是十分必要的。分別選取2.5、5、7.5及10 MPa的內(nèi)壓，并以環(huán)焊縫10%低匹配的條件進(jìn)行計(jì)算分析。圖7為不同內(nèi)壓下環(huán)焊縫發(fā)生開(kāi)裂前的應(yīng)變?cè)茍D，圖7表明環(huán)焊縫的應(yīng)變最大位置與無(wú)內(nèi)壓時(shí)的環(huán)焊縫的應(yīng)變最大位置相似，也是處于熱影響區(qū)與焊縫交界的外表面處，但焊縫中具有較大應(yīng)變的區(qū)域面積較小，如圖7中紅色方框標(biāo)識(shí)位置，也具有較大的應(yīng)變且應(yīng)變集中程度較高，與無(wú)內(nèi)壓相比，該應(yīng)變集中區(qū)域至焊縫內(nèi)表面的距離較大。

圖5 僅有軸向位移作用下15%低匹配環(huán)焊縫的應(yīng)變?cè)茍D

圖6 應(yīng)變集中系數(shù)隨管道遠(yuǎn)端應(yīng)變的變化

不同內(nèi)壓下，環(huán)焊縫10%及15%低匹配情況的應(yīng)變集中系數(shù)的對(duì)比如圖8所示。從圖8可見(jiàn)，應(yīng)變集中系數(shù)隨內(nèi)壓的增大而顯著增大，內(nèi)壓較大時(shí)，管道中較小的應(yīng)變使環(huán)焊縫產(chǎn)生較大的應(yīng)變集中。不同內(nèi)壓下，環(huán)焊縫10%及15%低匹配條件的開(kāi)裂前管道遠(yuǎn)端應(yīng)變的對(duì)比如圖9所示，管道遠(yuǎn)端應(yīng)變反映了管道在環(huán)焊縫開(kāi)裂前的應(yīng)變能力。從圖9可見(jiàn)，兩種條件下管道的應(yīng)變能力(遠(yuǎn)端應(yīng)變)均隨內(nèi)壓的增大而減小。從無(wú)內(nèi)壓至內(nèi)壓為10 MPa，對(duì)于10%低匹配環(huán)焊縫，管道應(yīng)變能力從0.146減小至0.011。對(duì)于15%低匹配環(huán)焊縫，管道應(yīng)變能力則從0.065減小至0.007。此外還可以得到，隨著內(nèi)壓的增大，管道應(yīng)變能力的下降程度逐漸變小。在較低內(nèi)壓下，兩種不同匹配程度的環(huán)焊縫所對(duì)應(yīng)的管道應(yīng)變能力相差較大，而當(dāng)內(nèi)壓升高時(shí)，這種差異逐漸減小。

圖7 不同內(nèi)壓下10%低匹配環(huán)焊縫發(fā)生開(kāi)裂前的應(yīng)變?cè)茍D

圖8 不同內(nèi)壓下低匹配環(huán)焊縫的應(yīng)變集中系數(shù)對(duì)比

圖9 低匹配環(huán)焊縫開(kāi)裂前管道遠(yuǎn)端應(yīng)變隨內(nèi)壓的變化

4.2 熱影響區(qū)軟化的高匹配環(huán)焊縫

圖10 僅有軸向位移作用下熱影響區(qū)軟化的10%高匹配環(huán)焊縫的應(yīng)變?cè)茍D

4.2.1 軸向位移作用

對(duì)于熱影響區(qū)軟化的高匹配環(huán)焊縫，其熱影響區(qū)材料屈服強(qiáng)度低于鋼管管體10%的條件下，分別選取屈服強(qiáng)度高于鋼管管體10%和15%的焊縫區(qū)材料進(jìn)行分析研究。對(duì)于高匹配環(huán)焊縫，首先進(jìn)行了僅有軸向位移作用下的研究。分析研究了環(huán)焊縫在整個(gè)加載過(guò)程中的應(yīng)變情況。如圖10所示，分別為加載過(guò)程中管道遠(yuǎn)端應(yīng)變?yōu)?.002、0.008 8、0.099 1及0.267 5時(shí)的10%高匹配環(huán)焊縫的應(yīng)變?cè)茍D。從圖10可見(jiàn)，環(huán)焊縫應(yīng)變最大位置在加載過(guò)程中發(fā)生了變化。圖10(a)表明，當(dāng)管道加載位移較小，遠(yuǎn)端應(yīng)變?yōu)?.002時(shí)，管道及環(huán)焊縫中應(yīng)變分布相對(duì)均勻，應(yīng)變最大位置位于熱影響區(qū)與焊縫交界的外表面。隨著位移的逐漸增大，遠(yuǎn)端應(yīng)變?yōu)?.008 8時(shí)，管道材料為塑性變形狀態(tài)。由于熱影響區(qū)的強(qiáng)度最低，其區(qū)域的應(yīng)變較大，應(yīng)變最大位置也從環(huán)焊縫外表面轉(zhuǎn)移至熱影響區(qū)與焊縫交界的內(nèi)表面，如圖10(b)所示。圖10(c)和(d)表明,當(dāng)管道位移進(jìn)一步增大，管道遠(yuǎn)端應(yīng)變達(dá)到0.099 1時(shí)，應(yīng)變最大位置又轉(zhuǎn)移至熱影響區(qū)與焊縫交界的外表面，隨后一直處于該位置。最終當(dāng)管道遠(yuǎn)端應(yīng)變達(dá)到0.267 5時(shí)，環(huán)焊縫處于臨近開(kāi)裂狀態(tài)。

圖11 7.5 MPa內(nèi)壓下熱影響區(qū)軟化的10%高匹配環(huán)焊縫的應(yīng)變?cè)茍D

4.2.2 內(nèi)壓

當(dāng)內(nèi)壓較低(≤2.5 MPa)時(shí)，環(huán)焊縫在加載過(guò)程中的應(yīng)變變化情況與無(wú)內(nèi)壓時(shí)相似，應(yīng)變最大位置首先位于熱影響區(qū)與焊縫交界的外表面，隨后轉(zhuǎn)移至內(nèi)表面，最后又轉(zhuǎn)移至外表面。當(dāng)內(nèi)壓較大(≥5 MPa)時(shí),環(huán)焊縫在加載過(guò)程中的應(yīng)變變化與內(nèi)壓較低時(shí)的應(yīng)變變化不同。以內(nèi)壓為7.5 MPa的條件下熱影響區(qū)軟化的10%高匹配環(huán)焊縫的結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明，應(yīng)變?cè)茍D如圖11所示。當(dāng)管道位移較小、遠(yuǎn)端應(yīng)變?yōu)?.002時(shí)，管道環(huán)焊縫整體應(yīng)變相對(duì)均勻，應(yīng)變最大位置處于熱影響區(qū)與焊縫交界的外表面，如圖11(a)所示。隨著位移的逐漸增大，應(yīng)變最大位置轉(zhuǎn)移至熱影響區(qū)與焊縫交界的內(nèi)表面，在熱影響區(qū)中從應(yīng)變最大位置向管道外表面形成應(yīng)變較大且較為集中的區(qū)域，如圖11(b)、(c)和(d)中黑色虛線所包括的區(qū)域，該區(qū)域也是焊縫最終可能的斷裂路徑。當(dāng)管道遠(yuǎn)端應(yīng)變達(dá)到約0.041 5時(shí)，焊縫內(nèi)表面的應(yīng)變最大位置為臨近開(kāi)裂的區(qū)域。

不同內(nèi)壓下熱影響區(qū)軟化的10%高匹配環(huán)焊縫的應(yīng)變集中系數(shù)隨管道遠(yuǎn)端應(yīng)變變化的結(jié)果如圖12所示，當(dāng)內(nèi)壓≤7.5 MPa時(shí)，隨管道遠(yuǎn)端應(yīng)變的增大，應(yīng)變集中系數(shù)在初期增大，隨后有一定程度的減小，然后在臨界開(kāi)裂時(shí)又有一定程度的增加。內(nèi)壓為5 MPa及7.5 MPa時(shí)，臨近開(kāi)裂前應(yīng)變集中系數(shù)增加顯著，而對(duì)于無(wú)內(nèi)壓及2.5 MPa內(nèi)壓時(shí)，則應(yīng)變集中系數(shù)在臨開(kāi)裂前增加程度較小。對(duì)于較高內(nèi)壓(10 MPa)的條件下，應(yīng)變集中系數(shù)隨管道遠(yuǎn)端應(yīng)變的增大而一直增大，并在開(kāi)裂前增幅較為顯著。此外，對(duì)比圖8及圖12中應(yīng)變集中系數(shù)的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在相同內(nèi)壓載荷下，低匹配環(huán)焊縫的應(yīng)變集中系數(shù)高于熱影響區(qū)軟化的高匹配環(huán)焊縫的應(yīng)變集中系數(shù)，且內(nèi)壓越高應(yīng)變集中系數(shù)的差異越大。

圖13為熱影響區(qū)軟化的10%、15%兩種高匹配環(huán)焊縫對(duì)應(yīng)的管道遠(yuǎn)端應(yīng)變隨內(nèi)壓的變化結(jié)果。從無(wú)內(nèi)壓至內(nèi)壓為10 MPa，對(duì)于熱影響區(qū)軟化的10%高匹配環(huán)焊縫，管道應(yīng)變能力從0.269減小至0.022。對(duì)于熱影響區(qū)軟化的15%高匹配環(huán)焊縫，管道應(yīng)變能力則從0.288減小至0.022。從圖13可見(jiàn)，熱影響區(qū)軟化的15%高匹配環(huán)焊縫的管道應(yīng)變能力僅在壓力較低時(shí)是高于熱影響區(qū)軟化的10%高匹配環(huán)焊縫。這也說(shuō)明，較高焊縫材料強(qiáng)度并不能相應(yīng)提高管道的應(yīng)變能力。

圖12 10%高匹配環(huán)焊縫的應(yīng)變集中系數(shù)變化結(jié)果

圖13 高匹配環(huán)焊縫開(kāi)裂前管道遠(yuǎn)端應(yīng)變隨內(nèi)壓的變化

圖9及圖13中的結(jié)果表明，兩種熱影響區(qū)軟化的高匹配環(huán)焊縫對(duì)應(yīng)的管道應(yīng)變能力高于兩種低匹配環(huán)焊縫，且這種差異在內(nèi)壓較小時(shí)尤為顯著，隨著內(nèi)壓的增長(zhǎng)，管道的應(yīng)變能力逐漸趨于相近。

5 結(jié) 論

根據(jù)管道環(huán)焊縫的鋼管管體、熱影響區(qū)及焊縫材料的屈服強(qiáng)度值，建立了管道環(huán)焊縫的有限元模型，并結(jié)合材料損傷模型對(duì)高鋼級(jí)管道環(huán)焊縫的應(yīng)變集中特性進(jìn)行了研究，其中包括環(huán)焊縫的低匹配及高匹配焊縫的熱影響區(qū)軟化程度、焊縫強(qiáng)度的匹配程度、軸向拉伸位移及內(nèi)壓載荷作用下管道環(huán)焊縫的應(yīng)變集中程度、應(yīng)變集中位置及其在加載過(guò)程中的變化規(guī)律，結(jié)論如下:

1)對(duì)于低匹配環(huán)焊縫，應(yīng)變最大位置是位于熱影響區(qū)與焊縫交界的外表面，在焊縫中靠近焊根的位置也存在應(yīng)變較大且應(yīng)變集中程度較高的區(qū)域，應(yīng)變集中系數(shù)隨內(nèi)壓的增大而增大。

2)對(duì)于熱影響區(qū)軟化的高匹配環(huán)焊縫，應(yīng)變最大位置與載荷有關(guān)。當(dāng)內(nèi)壓較低時(shí)，環(huán)焊縫開(kāi)裂位置位于熱影響區(qū)與焊縫交界的外表面。當(dāng)內(nèi)壓較高時(shí)，開(kāi)裂位置在熱影響區(qū)與焊縫交界的內(nèi)表面。

3)低匹配及熱影響區(qū)軟化的高匹配環(huán)焊縫對(duì)應(yīng)的管道應(yīng)變能力均隨內(nèi)壓的增大而顯著減小。

4)環(huán)焊縫臨近開(kāi)裂時(shí)，應(yīng)變集中位置會(huì)產(chǎn)生較大的塑性變形，此時(shí)較小的外載荷或內(nèi)壓的變化，就將會(huì)導(dǎo)致環(huán)焊縫發(fā)生失效。