高鋼級管道環(huán)焊縫承載能力全尺寸試驗研究*

楊 坤，封 輝，王 鵬，陳宏遠，池 強

(中國石油集團工程材料研究院有限公司,石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點實驗室 陜西 西安 710077)

0 引 言

油氣資源是現(xiàn)代經(jīng)濟發(fā)展的支柱，管道運輸是油氣輸送的重要方式之一。由于高壓、大輸量的輸送要求，管道口徑、輸送壓力和鋼級不斷提高，管道及管道環(huán)焊縫的安全問題是管道設(shè)計、施工、運營環(huán)節(jié)中需要著重考慮和研究的問題[1-6]。在服役過程中，輸送管線需要面對內(nèi)、外不同的環(huán)境影響，如焊接缺陷、氣體組分、腐蝕、內(nèi)壓、土壤約束、地殼運動等[7-8]。這些因素均會影響管道的安全服役，可能引起災(zāi)難性后果[9-12]。與管體相比，管道環(huán)焊縫是油氣輸送管道的薄弱環(huán)節(jié)，由于諸多因素常常存在各種類型的缺陷，其安全性往往影響著整個管線，因此需要對其安全性進行評估。

環(huán)焊接頭根焊焊趾位置由于工藝的特點，存在缺陷的概率較高，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，屬于天然氣管道的薄弱環(huán)節(jié)。在外力作用下受到軸向拉伸載荷，有缺陷存在時會形成裂紋并擴展，最終演化為管道失效。其中最危險的是形成典型的I型(張開型)裂紋。通過對這一類型缺陷在軸向載荷作用下的應(yīng)變狀況進行研究，從而獲得失效的臨界條件。

全尺寸彎曲試驗可模擬實際的管道受拉、受壓條件(耦合管道內(nèi)壓)，利用油壓伺服系統(tǒng)對管道引入彎矩。全尺寸彎曲試驗時，鋼管在垂直方向上受力較小，而在水平方向上受力較大。由于彎矩的存在，鋼管水平方向上背彎側(cè)受到拉伸載荷作用，而面彎側(cè)受到壓縮載荷作用。從而模擬管道環(huán)焊縫(缺陷)受拉的情況，可獲得環(huán)焊縫失效的類型以及失效過程中管道應(yīng)變的變化，最終對管道環(huán)焊縫的承載能力進行評估和分析。

1 試驗鋼管及環(huán)焊縫信息

試驗鋼管外徑為1 219 mm，壁厚為18.4 mm，鋼級為X80，試驗鋼管長度為6.5 m。環(huán)焊縫位于管段中間位置，焊接的方法為手工焊條電弧焊打底、半自動自保護藥芯焊絲電弧焊填充、蓋面的形式，如圖1所示。

圖1 試驗鋼管及管道內(nèi)壁側(cè)缺陷情況

環(huán)焊縫缺陷為沿著管道內(nèi)表面環(huán)向的線型缺陷。其中缺陷的長度為40 mm，深度為11.04 mm(60%壁厚)、裂紋尖端寬度為0.2 mm。缺陷利用機械的方式預(yù)制，位于環(huán)焊縫邊緣的熱影響區(qū)。

試驗管兩側(cè)焊接有其他2個引管，長度均為700 mm，整個試驗管串長度為9.5 m，此次試驗時的鋼管內(nèi)壓為10 MPa工作壓力，內(nèi)壓介質(zhì)為水。

2 試驗原理及過程

2.1 全尺寸彎曲試驗平臺

軸向壓縮-彎曲復(fù)合大變形試驗系統(tǒng)能模擬天然氣管道在服役過程中的載荷情況，并能完成試驗管的彎曲變形試驗和破壞性試驗。在試驗過程中，能實時采集載荷、位移、應(yīng)力及應(yīng)變等參數(shù)，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)庫的形式記錄，并以曲線、圖表等形式輸出試驗結(jié)果。試驗平臺利用液壓油缸的移動產(chǎn)生推力，油缸的最大推力為600 t，行程為3 600 mm。試驗時通過主動、從動臂的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生彎矩，主、從動力臂的長度為6 000 mm，可完成最大規(guī)格為外徑1 219 mm、壁厚26.4 mm X80鋼管的全尺寸彎曲試驗，水壓系統(tǒng)可提供的最大工作壓力為12 MPa。測量系統(tǒng)中位移測量精度為5 μm，壓力測量精度為1%。試驗平臺由機械加載及液壓系統(tǒng)、水增壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)等組成，如圖2所示。

圖2 全尺寸彎曲試驗平臺

2.2 全尺寸彎曲試驗基本原理

通過兩點彎曲的形式，利用液壓裝置和力臂產(chǎn)生彎矩，從而使整個試驗管發(fā)生彎曲，如圖3所示。

圖3 全尺寸彎曲試驗平臺的示意圖及彎曲試驗原理圖

在彎曲過程中，試驗鋼管水平向外發(fā)生彎折，等效于鋼管外側(cè)(受拉側(cè))受到拉伸作用(變長)，而內(nèi)側(cè)(受壓側(cè))受到壓縮作用(變短)?；趹?yīng)變設(shè)計研究過程中，通常是利用試驗鋼管上布置的應(yīng)變片記錄全尺寸彎曲試驗過程中的臨界狀態(tài)，從而獲得鋼管的拉伸、壓縮應(yīng)變?nèi)萘恐笜?biāo)(圖3)。對于帶有環(huán)焊縫的管道而言，其變形失效模式主要是拉伸失效，而對于不含環(huán)焊縫的鋼管而言，其變形失效模式主要是達到屈曲極限的壓縮失效。根據(jù)失效模式不同結(jié)合全尺寸彎曲試驗的特性，從而對整個試驗過程進行設(shè)計，即管道環(huán)焊縫管道全尺寸彎曲試驗主要關(guān)注拉伸側(cè)的應(yīng)變變化，而對于不含環(huán)焊縫鋼管的全尺寸彎曲試驗則主要關(guān)注壓縮側(cè)的應(yīng)變變化。在管道受拉側(cè)布置應(yīng)變片用于測量管道在彎曲過程中鋼管母材及環(huán)焊縫的軸向拉伸應(yīng)變，從而獲得環(huán)焊縫失效過程中管道的遠端應(yīng)變；在母材上布置環(huán)向應(yīng)變片用于測量環(huán)向應(yīng)變變化。

2.3 試驗準(zhǔn)備

此次試驗為了研究含缺陷環(huán)焊縫管道的承載能力，根據(jù)全尺寸彎曲試驗特性將缺陷位置放置在拉伸側(cè)水平位置(最大拉伸載荷位置)。整個試驗準(zhǔn)備過程包含鋼管坡口加工、鋼管組對安裝及焊接、應(yīng)變片安裝及測試等步驟，如圖4所示。

圖4 鋼管坡口加工、組對焊接及應(yīng)變片布置情況

為了獲得試驗鋼管加載過程中不同位置上的縱、橫向應(yīng)變，對應(yīng)變片安裝位置進行了設(shè)計和布局：共布置了21個應(yīng)變片，如圖5所示。其中12個安裝在鋼管母材(受拉側(cè))上(從左至右采集通道分別為1～12，左側(cè)為主動臂側(cè)，其中通道1、通道12的應(yīng)變片分別安裝在試驗管左、右兩側(cè)的引管上)，沿著環(huán)焊縫兩側(cè)對稱安裝。7個安裝在環(huán)焊縫(受拉側(cè))上(從上至下采集通道分別為13～19)，用于測量鋼管母材及環(huán)焊縫的軸向拉伸應(yīng)變。布置2個應(yīng)變片(沿著環(huán)焊縫兩側(cè)對稱安裝，從左至右采集通道分別為20、21)用于測量鋼管環(huán)向應(yīng)變。

圖5 全尺寸彎曲試驗應(yīng)變片安裝示意圖(鋼管受拉側(cè))

2.4 試驗過程

試驗準(zhǔn)備工作結(jié)束后，對試驗現(xiàn)場開始清理，隨后進行試驗，整個試驗流程包括鋼管注水試壓、油缸預(yù)熱、采集數(shù)據(jù)檢查、試驗鋼管升壓、彎曲加載、數(shù)據(jù)保存等步驟。水壓升至6 MPa時，對所有通道的數(shù)據(jù)進行保存后清零。推動油缸，開始進行彎曲試驗，利用位移控制的方式逐漸對試驗鋼管進行加載。其中油缸前6步每步的位移設(shè)定為50 mm，后邊20步每步的位移設(shè)定為20 mm，設(shè)定油缸總位移為700 mm。此外，當(dāng)設(shè)定位移為340 mm時，管道內(nèi)壓升至10 MPa。執(zhí)行每步加載后保持油缸載荷，逐步加載至試驗管失效(出現(xiàn)泄漏、載荷下降或其他情況)。試驗結(jié)束后，保存所有采集數(shù)據(jù)(位移、載荷、水壓、應(yīng)變、影像等)，隨后卸掉油缸壓力，關(guān)閉水增壓系統(tǒng)，關(guān)閉所有電源，完成試驗。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 管道失效過程中的最大軸向拉伸應(yīng)變

在彎曲過程中，利用應(yīng)變片測量了管道不同位置上的軸向拉伸應(yīng)變(單位為微應(yīng)變)，如圖6和圖7所示。

(通道6、通道7分別位于環(huán)焊縫左右兩側(cè)，其中左側(cè)是主動臂)圖6 彎曲過程中鋼管母材軸向拉伸應(yīng)變隨時間的變化關(guān)系

圖7 彎曲過程中環(huán)焊縫上的軸向拉伸應(yīng)變隨時間的變化關(guān)系

從圖6和圖7可以看出，鋼管彎曲至環(huán)焊縫泄漏過程中，鋼管母材最大軸向拉伸應(yīng)變?yōu)?.06%，環(huán)焊縫的最大軸向拉伸應(yīng)變?yōu)?.99%。鋼管外邊面上的環(huán)焊縫由于有焊縫余高的存在，并不是單純的軸向拉伸載荷作用，加載時該區(qū)域處于一種復(fù)雜應(yīng)力場的狀態(tài)，不能準(zhǔn)確代表焊縫的軸向應(yīng)變。因此該區(qū)域的應(yīng)變值僅能提供一定的參考，不能作為工程上管道環(huán)焊縫應(yīng)變能力的評估依據(jù)。

將試驗鋼管母材上彎曲過程中的軸向應(yīng)變(通道2～通道11)提取出來，可以計算出管道的最大平均軸向拉伸應(yīng)變(遠端應(yīng)變)為0.83%，見表1。

表1 全尺寸彎曲過程中試驗鋼管母材的最大軸向拉伸應(yīng)變 %

3.2 管道環(huán)焊縫失效形式研究

圖8是環(huán)焊縫缺陷位置上的泄漏情況。

圖8 環(huán)焊縫缺陷位置上的泄漏情況

從圖8可以看出，泄漏位置位于管道拉伸側(cè)水平位置的環(huán)焊縫上，是由管道內(nèi)表面的缺陷在彎曲及內(nèi)壓作用下擴展至管道外表面，從而發(fā)生的管道泄漏。此外管道環(huán)焊縫處裂紋并未發(fā)生失穩(wěn)性擴展(爆破)，屬于延性擴展。

為了進一步對環(huán)焊縫的性能進行研究，取管道環(huán)焊縫其他位置上的樣品，對其熱影響區(qū)的沖擊韌性進行測試，如圖9和圖10所示。

圖9 環(huán)焊縫0點鐘位置熱影響區(qū)沖擊吸收能、剪切面積與試驗溫度的變化關(guān)系

圖10 環(huán)焊縫6點鐘位置熱影響區(qū)沖擊吸收能、剪切面積與試驗溫度的變化關(guān)系

圖9和圖10分別為環(huán)焊縫0點鐘、6點鐘位置(未開裂區(qū)域，0點鐘為上向焊、6點鐘為下向焊)不同溫度管道環(huán)焊縫熱影響區(qū)的夏比沖擊試驗結(jié)果(試驗按照DEC-NGP-G-WD-002-2020-1《油氣管道工程線路焊接技術(shù)要求》規(guī)定進行)。其中夏比沖擊試樣V型缺口開在焊縫熔合線上，保證焊縫、熱影響區(qū)各占50%的區(qū)域。

從不同位置上的沖擊功、剪切面積可以看出在試驗溫度下兩個位置環(huán)焊縫熱影響區(qū)的夏比沖擊斷口剪切面積均大于50%，處于韌脆轉(zhuǎn)變曲線的“上平臺”，表明環(huán)焊縫熱影響區(qū)沖擊性能較好，而對應(yīng)于全尺寸彎曲試驗過程中環(huán)焊縫泄漏失效過程中裂紋啟裂、擴展形式應(yīng)當(dāng)屬于可控的延性撕裂行為。

為了明確此次全尺寸彎曲試驗焊縫與母材的匹配程度，對環(huán)焊縫進行硬度測試，如圖11所示。在圖11中，硬度的測試位置分別位于箭頭標(biāo)示處，硬度測試間隔為1 mm，硬度測試結(jié)果見表2。

圖11 環(huán)焊縫剖面硬度測試

表2 不同位置的硬度測試結(jié)果(HV0.5)

從表2可以看出，右側(cè)(母材2)硬度測試結(jié)果的平均值較低，數(shù)值為236.9，而左側(cè)(母材1)硬度測試結(jié)果的平均值較高，數(shù)值為247.1，焊縫硬度測試結(jié)果的平均值為240.2。焊縫硬度值高于右側(cè)母材而低于左側(cè)母材，但平均值差異不大，基本上屬于等強匹配的情況。

從上述結(jié)果可以看出，此次試驗中環(huán)焊縫缺陷的開裂方式為可控的延性撕裂行為，焊縫性能較好，為等強匹配形式。

3.3 不同缺陷尺寸以及匹配行為下含缺陷環(huán)焊縫管道的承載能力分析

為了進一步評估不同缺陷尺寸以及強度匹配行為下含缺陷環(huán)焊縫管道的承載能力，利用基于應(yīng)變的評估方法，計算了多個缺陷尺寸、不同母材/焊縫強度匹配下管道的拉伸應(yīng)變?nèi)萘?，見?。計算時，焊縫的韌性取139 J(夏比沖擊上平臺能)。

表3 不同缺陷尺寸、匹配度下管道的拉伸應(yīng)變?nèi)萘?/p>

從計算結(jié)果可以看出，缺陷深度不變時，隨著缺陷長度的增加，拉伸應(yīng)變逐漸減??；缺陷長度不變時，隨著缺陷深度的減小，拉伸應(yīng)變逐漸增大。焊縫匹配度對管道拉伸應(yīng)變?nèi)萘坑忻黠@影響，與等強匹配相比，高強匹配下相同缺陷尺寸下計算出的拉伸應(yīng)變?nèi)萘枯^高。

對比計算結(jié)果與試驗結(jié)果可以看出(參考等強匹配)，計算出的拉伸應(yīng)變數(shù)值要低于試驗結(jié)果。這是因為出于保守考慮，計算時的斷裂韌性取試驗中的較低值139 J(0點位置附近環(huán)焊縫熱影響區(qū)的夏比沖擊功)，實際的環(huán)焊縫熱影響區(qū)應(yīng)高于此數(shù)值。若將韌性取250 J時(6點位置附近環(huán)焊縫熱影響區(qū)的夏比沖擊功)，則計算出的拉伸應(yīng)變?yōu)?.79%，與試驗結(jié)果相差不大，如圖12所示。

圖12 沖擊韌性為250 J下不同缺陷尺寸環(huán)焊縫的拉伸應(yīng)變

此外，全尺寸彎曲試驗進行過程中，油缸載荷并未有下降的趨勢，說明整個試驗管并未發(fā)生結(jié)構(gòu)強度的下降，而失效的模式主要是裂紋擴展。這種情況下軸向應(yīng)變也應(yīng)隨著時間的進行逐漸增大。發(fā)現(xiàn)泄漏的時刻，裂紋已經(jīng)擴展至外表面，因此試驗中的拉伸應(yīng)變要高于實際起裂時的拉伸應(yīng)變，因此可根據(jù)理論計算結(jié)果修正管道的拉伸應(yīng)變?yōu)?.79%。

4 結(jié) 論

本文針對X80管道樣品，利用全尺寸彎曲試驗、力學(xué)性能測試和失效評估分析等研究手段，對管道環(huán)焊縫缺陷失效的類型及其承載能力進行了研究和分析，得出了以下結(jié)論：

1)試驗鋼管環(huán)焊縫發(fā)生泄漏，管道壓力下降，泄漏位置位于管道背彎側(cè)環(huán)焊縫水平位置，是由管道內(nèi)表面的缺陷在彎曲及內(nèi)壓作用下擴展至管道外表面，從而發(fā)生的管道泄漏。

2)管道內(nèi)表面缺陷的開裂方式為可控的延性裂紋擴展形式。

3)鋼管彎曲至環(huán)焊縫泄漏過程中，鋼管母材最大軸向拉伸應(yīng)變?yōu)?.06%，環(huán)焊縫的最大軸向拉伸應(yīng)變?yōu)?.04%，根據(jù)所測應(yīng)變數(shù)據(jù)可以計算出管道的最大平均軸向拉伸應(yīng)變(遠端應(yīng)變)為0.79%。

4)全尺寸試驗結(jié)果與計算結(jié)果一致性較好，可以確定管道的拉伸應(yīng)變?yōu)?.79%。