焊接殘余應(yīng)力對管線鋼防腐性能的影響

劉明磊

摘要：借助有限元分析手段對X80管線鋼對接接頭的殘余應(yīng)力進(jìn)行仿真計(jì)算，得到殘余應(yīng)力分布情況。采用X射線衍射法和盲孔法對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，周向殘余應(yīng)力總體變化趨勢呈現(xiàn)先增大，穩(wěn)弧后應(yīng)力平穩(wěn)達(dá)到峰值位置保持，在接近收弧位置，殘余應(yīng)力值減小;軸向殘余應(yīng)力總體變化趨勢呈現(xiàn)先增大，殘余應(yīng)力達(dá)到峰值位置后平穩(wěn)下降。殘余應(yīng)力仿真預(yù)測結(jié)果與兩種測量方法所得結(jié)果相吻合， X射線衍射法結(jié)果高于盲孔法應(yīng)力結(jié)果。通過有限元仿真技術(shù)預(yù)測應(yīng)力較大位置，此技術(shù)對有效防止應(yīng)力腐蝕開裂有一定的工程應(yīng)用指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：管線鋼;殘余應(yīng)力分布;有限元模擬;防腐性能

中圖分類號：TG404? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）11-0022-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.11.04

0? ? 前言

在管道施工過程中，管線鋼的防腐性設(shè)計(jì)是可靠性設(shè)計(jì)考慮的重要因素。應(yīng)力腐蝕開裂是在拉應(yīng)力和腐蝕環(huán)境下產(chǎn)生的低應(yīng)力脆性開裂現(xiàn)象[1]，管道表面一般通過涂覆涂層來保證其防腐性能。受表面接觸土壤、溫度和陰極保護(hù)電流等因素的影響，材料的化學(xué)成分、顯微組織變化、力學(xué)因素應(yīng)力的影響等均會(huì)對應(yīng)力腐蝕開裂產(chǎn)生直接的影響。力學(xué)因素中應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致材料形變和開裂，其大小、應(yīng)力波動(dòng)、應(yīng)變率等均會(huì)影響材料腐蝕開裂的速度，從而影響結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命[2]。應(yīng)力研究在需求可靠性、壽命最大化的設(shè)計(jì)中越來越被重視。分析手段有破壞性試驗(yàn)和無損試驗(yàn)，而無損試驗(yàn)因其不準(zhǔn)確性和高額的費(fèi)用，越來越不適用工業(yè)生產(chǎn)。預(yù)測應(yīng)力的各種仿真軟件在進(jìn)行非線性分析時(shí)只能進(jìn)行定性分析，做不到定量分析。為了保證定量分析，除了仿真軟件不斷完善，還需要使用者有豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，并不能完全脫離生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的積累。

為準(zhǔn)確預(yù)測焊后殘余應(yīng)力分布趨勢和大小，保證生產(chǎn)需求的高精度和短周期性，科研人員進(jìn)行了大量焊接仿真應(yīng)力研究。白芳[3]建立X80鋼多層多道焊有限元模型，通過試驗(yàn)得到相對誤差范圍內(nèi)的熱循環(huán)曲線，用于模擬等效熱源加載，得到峰值溫度和冷卻時(shí)間與焊縫中心距離的關(guān)系，同時(shí)得到縱向和橫向殘余應(yīng)力的變化規(guī)律。顧國林[4]建立X80管線鋼對接接頭有限元模型，采用X射線衍射法驗(yàn)證了焊根節(jié)點(diǎn)不耦合對殘余應(yīng)力的預(yù)測精度更高，可以控制應(yīng)力預(yù)測結(jié)果在10.35%。段衛(wèi)軍[5]基于熱彈塑性理論建立S355鋼有限元模型，通過引入相變轉(zhuǎn)變模型、相變塑性和相變體積模型，得到等效應(yīng)力應(yīng)力值會(huì)大幅降低，殘余應(yīng)力與實(shí)測結(jié)果吻合較好的結(jié)論。熊慶人[6]等采用切環(huán)試驗(yàn)和盲孔試驗(yàn)兩種手段對螺旋埋弧焊鋼管的殘余應(yīng)力進(jìn)行分析，對比了不同廠家生產(chǎn)的鋼管的殘余應(yīng)力，提出了殘余應(yīng)力控制指標(biāo)建議，從而有效地促進(jìn)了生產(chǎn)。張定銓和何家文[9]等對無損X射線衍射法殘余應(yīng)力原理、方法和應(yīng)用進(jìn)行全面詳盡的闡述，對該方法的研究具有指導(dǎo)意義。但上述研究更多地集中于殘余應(yīng)力分布趨勢和精度，對于殘余應(yīng)力與防腐性之間的關(guān)系研究甚少。

文中借助有限元分析手段，通過建立X80管線鋼對接接頭有限元模型，預(yù)測分析殘余應(yīng)力分布，然后采用X射線衍射法和盲孔法兩種測試手段驗(yàn)證仿真結(jié)果，并結(jié)合工程宏觀分析其對防腐性的影響。

1 建立有限元模型

1.1 焊接參數(shù)

對接接頭管線鋼壁厚為22 mm，材料為X80管線鋼，X80管線鋼的化學(xué)成分如表1所示。焊接方法采用焊條電弧焊，焊材采用堿性低氫鈉型焊條 E7016，直徑3.2 mm，化學(xué)成分如表2所示，焊前預(yù)熱100 ℃，填充蓋面材料選用E8010-P1，其化學(xué)成分如表3所示。焊接參數(shù)為：電弧電壓27～28 V，焊接電流120～130 A，焊接速度42 cm/min，坡口形式為單邊U型，采用5層10道焊接。

1.2 材料參數(shù)的建立

借助JMATPRO軟件分析獲得模擬用材料X80的材料參數(shù)，隨溫度變化的部分物性參數(shù)和力學(xué)參數(shù)如圖1所示。

1.3 網(wǎng)格模型的建立

為保證應(yīng)力場求解精度，建立比較成熟且能反映焊條電弧焊熱源的雙橢球熱源模型[10]。由于近焊縫和焊趾附近位置殘余應(yīng)力值相對較大，兼顧溫度梯度，對焊縫處網(wǎng)格采用加密處理，熱影響區(qū)與遠(yuǎn)離焊縫位置采用過渡網(wǎng)格，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域網(wǎng)格稀疏處理。焊縫位置單元尺寸2 mm，單元總數(shù)108 648，節(jié)點(diǎn)數(shù)121 598，如圖2所示。

1.4 力學(xué)邊界條件

在對接接頭鋼管外表面焊趾位置，沿著焊縫橫截面方向，選擇圓周位置的單元節(jié)點(diǎn)進(jìn)行X向的位移約束，從而保證X80鋼線管有限元模型的橫向收縮不受影響;沿焊縫縱向和圓周中心法平面方向，選擇對接接頭自由邊界的管線鋼管的外表面單元節(jié)點(diǎn)，約束Y向和Z向位移，從而保證模型的縱向收縮不受影響。

2 試驗(yàn)測量方法

2.1 無損X射線衍射法

X射線測定應(yīng)力為無損檢測，其基本原理基于布拉格定律，以一定應(yīng)力狀態(tài)下引起的材料晶格應(yīng)變和宏觀應(yīng)變一致為基本依據(jù)。金屬材料一般為多晶體，在單位體積含有數(shù)量極多、取向各異的晶粒，從空間任意方向都可觀察到任一選定的晶面。根據(jù)彈性力學(xué)方程，通過晶面間距的變化，計(jì)算相應(yīng)晶面的應(yīng)變值[7]，即

式中 ε為晶面應(yīng)變值;d0為無應(yīng)力狀態(tài)下晶面間距。

2.2 盲孔法

盲孔法殘余應(yīng)力測試[8]為無損檢測，是在被測工件的表面貼上應(yīng)變花，通過在應(yīng)變花的中心對工件打孔，使得應(yīng)力的平衡受到破壞，產(chǎn)生一定量的應(yīng)變，測得孔附近的彈性應(yīng)變增量，便可以用彈性力學(xué)原理來推算出小孔處的殘余應(yīng)力。小孔處的主應(yīng)力和方向可以按下式推算。

式中 εA為應(yīng)變片a的應(yīng)變量;A、B為應(yīng)變釋放系數(shù)。

2.3 試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

為盡量減小誤差，采用兩種方法對同一試驗(yàn)件進(jìn)行測量，先用X射線測定法，再用盲孔法。為驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，在進(jìn)行X射線衍射法測量時(shí)需對零應(yīng)力和高應(yīng)力校核設(shè)備;在進(jìn)行盲孔法測量時(shí)測量點(diǎn)之間需間隔30 mm方能有效釋放打孔應(yīng)力。X80管線鋼對接接頭焊接后，沿圓周方向選取焊趾位置和焊縫中心位置進(jìn)行應(yīng)力測量。

3 仿真結(jié)果分析與驗(yàn)證

3.1 周向殘余應(yīng)力測量結(jié)果分析

通過仿真計(jì)算，獲得X80鋼線管對接接頭周向應(yīng)力場仿真結(jié)果。提取對接接頭一側(cè)焊趾位置至相對平滑外表面的殘余應(yīng)力，進(jìn)行X射線和盲孔法應(yīng)力測試，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，從起弧位置到收弧位置，殘余應(yīng)力總體變化趨勢呈現(xiàn)先增大，穩(wěn)弧后應(yīng)力平穩(wěn)達(dá)到峰值位置后保持，在接近收弧位置，殘余應(yīng)力值減小，與經(jīng)典對接接頭規(guī)律一致。在焊接起收弧位置時(shí)，焊件所受拘束作用相對較小，同時(shí)起收弧位置存在一定的交叉，導(dǎo)致應(yīng)力值變化不大，起弧位置對收弧位置有一定預(yù)熱作用，因此焊接應(yīng)力相對較小，主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力;中間部分由于先焊接對后焊接位置的拘束作用力大，應(yīng)力也大，先增大再減小，主要表現(xiàn)為拉應(yīng)力。兩種測量方法與仿真結(jié)果趨勢較好吻合。仿真結(jié)果與X射線衍射法測量結(jié)果誤差最大的位置是在距離焊縫起始位置490 mm處，誤差為15.9%;仿真結(jié)果與盲孔法測量結(jié)果誤差最大的位置是在490 mm，誤差為12.4%，X射線法測量殘余應(yīng)力的結(jié)果波動(dòng)相對較大。

由于測量方法和測量樣件的自身特點(diǎn)，X射線衍射法在測量時(shí)，對測量表面平面度要求較高，而X80鋼線管對接接頭的平面有一定的弧度，測量位置晶格尺寸發(fā)生畸形變化，導(dǎo)致應(yīng)力值結(jié)果均偏大。兩種測量方法變化趨勢大致相符，測量值大部分大于仿真值，仿真計(jì)算在模型建立的過程中，不考慮填充單元流動(dòng)性、材料硬化、相變等因素，導(dǎo)致仿真預(yù)測的殘余應(yīng)力結(jié)果偏小。

3.2 軸向殘余應(yīng)力測量結(jié)果分析

軸向殘余應(yīng)力測試和仿真結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，從起弧位置到收弧位置，殘余應(yīng)力總體變化趨勢呈現(xiàn)先增大，殘余應(yīng)力達(dá)到峰值位置后平穩(wěn)下降，與經(jīng)典對接接頭規(guī)律一致。在焊縫中心位置附近，焊件所受拘束作用相對較大，導(dǎo)致應(yīng)力值變化大，焊接應(yīng)力相對較大，主要表現(xiàn)為拉壓應(yīng)力;在接近自由端位置，因不受焊接熱輸入冷熱收縮應(yīng)變引起的拘束作用，殘余應(yīng)力值相對較小。兩種測量方法與仿真結(jié)果趨勢吻合較好。仿真結(jié)果與X射線衍射法測量結(jié)果誤差最大位置在68 mm處，誤差為13.9%;仿真結(jié)果與盲孔法測量結(jié)果誤差最大位置在110 mm處，誤差為11.4%，X射線法測量應(yīng)力的結(jié)果波動(dòng)相對較大。

3.3 工程應(yīng)用中殘余應(yīng)力對腐蝕性影響

通過不同測量方法獲得的殘余應(yīng)力結(jié)果，驗(yàn)證了X80管線鋼仿真預(yù)測殘余應(yīng)力結(jié)果的準(zhǔn)確性。在實(shí)際工程應(yīng)用反饋的售后應(yīng)用案例中，巴基斯坦售后保障人員曾經(jīng)在使用維護(hù)過程中發(fā)現(xiàn)，X80管線鋼焊趾位置的焊縫在長期土壤腐蝕和光照作用下，其長期暴露位置的油漆極容易發(fā)生脫落，在環(huán)境因素和殘余應(yīng)力等作用下釋放有害應(yīng)變，導(dǎo)致X80管線鋼出現(xiàn)局部腐蝕破壞，從而最終導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開裂，在未發(fā)生嚴(yán)重事故的情況下，通過故障排查分析解決了現(xiàn)場應(yīng)用問題。

4 結(jié)論

（1）采用建立的有限元模型對X80管線鋼對接接頭進(jìn)行殘余應(yīng)力仿真計(jì)算，并用X射線衍射法和盲孔法驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。仿真結(jié)果與兩種測量方法吻合度較好，X射線衍射結(jié)果高于盲孔法。

（2）從起弧位置到收弧位置，周向殘余應(yīng)力總體變化趨勢呈現(xiàn)先增大，穩(wěn)弧后應(yīng)力平穩(wěn)達(dá)到峰值位置后保持，在接近收弧位置，殘余應(yīng)力值減小。從起弧位置到收弧位置，軸向殘余應(yīng)力總體變化趨勢呈現(xiàn)先增大，殘余應(yīng)力達(dá)到峰值位置后平穩(wěn)下降。

（3）X80管線鋼出現(xiàn)局部應(yīng)力腐蝕開裂，通過有限元仿真技術(shù)，預(yù)測應(yīng)力較大位置，對有效防止應(yīng)力腐蝕開裂有一定的工程應(yīng)用指導(dǎo)意義。

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