X80鋼連頭管段長度對焊縫附近殘余應(yīng)力的影響

摘" " 要：隨著經(jīng)濟快速發(fā)展，薄壁大管徑的高鋼級管道應(yīng)用廣泛。由于管道鋪設(shè)受到多種外加因素的影響，在實際施工過程中不可避免地需要采用連頭連接兩側(cè)管道。連頭的長度是可變化的，因此針對連頭口管段長度變化展開連頭口焊縫有限元分析及ECA評估。研究了連頭管段長度對連頭口焊縫附近殘余應(yīng)力變化的影響。根據(jù)有限元結(jié)果可知，隨管段長度的增加，連頭口焊縫附近的殘余應(yīng)力水平顯著下降。且管段長度在大于3 000 mm時，殘余應(yīng)力下降速率減緩。之后考慮殘余應(yīng)力的影響，開展了不同長度連頭管段的ECA評估研究，評估結(jié)果表明，隨著連頭管段長度的增加，可接受的臨界裂紋尺寸增大。因此在一定的范圍內(nèi)，為盡可能減少焊縫附近的殘余應(yīng)力集中，應(yīng)適當(dāng)增加連頭口兩側(cè)連頭管段長度。

關(guān)鍵詞：連頭口；殘余應(yīng)力；拘束；ECA評估

Influence of length of X80 steel pipe tie-in on residual stress near the weld

YANG Dashen1， HE Yazhang2，3， WANG Hong2，3， NIU Huli2，3， YANG Huaqing2，3， JING Zhilong2，3

1.PipeChina Southwest Pipeline Company， Chengdu 610095， China

2.CNPC Research Institute of Engineering Technology， Tianjin 300451， China

3.CNPC Key Laboratory of Offshore Engineering， Tianjin 300451， China

Abstract：The rapid development of the economy brings the wide application of high steel pipelines with thin walls and large diameters. Tie-in is indispensably used to connect two sides of the pipeline due to many external factors on pipeline laying in the actual construction process. The length of the tie-in is variable， so finite element analysis and ECA evaluation of the weld are carried out towards the change of the tie-in pipeline length. The influence of different lengths of tie-in pipelines on the residual stress near the weld is studied. According to the finite element results， the residual stress near the weld decreases significantly with the increase in pipeline length. When the pipeline length is greater than 3 000 mm， the decline of residual stress slows down. Then， ECA evaluation studies were carried out for different length of tie-in considering the influence of residual stress. The evaluation results show that the acceptable critical crack size increases with the increase of the length of the tie-in. Therefore， in the acceptable range， to reduce the residual stress concentration near the weld as much as possible， the pipeline length on both sides of the joint should be appropriately increased.

Keywords：tie-in; residual stress; constraint; ECA evaluation

DOI：10.3969/j.issn.1001-2206.2024.05.008

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和全球能源需求的增長，石油天然氣行業(yè)對于大口徑、高強度、薄壁厚管道的需求逐年增長[1-3]。由于管道鋪設(shè)環(huán)境及地理條件復(fù)雜，管線鋼的性能對于管道實際服役過程的影響很大[4-6]。然而在管道施工過程中，施工質(zhì)量常常會受到不同外界因素的影響。在工業(yè)管道和建筑管道的施工中，用于長距離輸送的管道通常從不同的方向鋪設(shè)[7-8]。當(dāng)其在終端連接時，再將兩側(cè)管道的末端焊接在一起，使其形成一個連續(xù)的通道，這種對接的位置被稱為“連頭口”。連頭口常使用手工焊或半自動焊接，連頭口的焊接質(zhì)量直接影響了整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐用性[9-10]。在施工過程中，需注意對連接部位的加熱和預(yù)處理，盡量減少焊接質(zhì)量問題。若焊接質(zhì)量存在問題，可能會在后續(xù)使用中因殘余應(yīng)力變化而開裂，增加了維護(hù)成本的同時還提高了結(jié)構(gòu)危險性[11-12]。

在完整性評估過程中，通常使用斷裂韌性來評估結(jié)構(gòu)韌性的優(yōu)劣，斷裂韌性可理解為含裂紋結(jié)構(gòu)抵抗裂紋起裂或進(jìn)一步擴展的能力。斷裂韌性的高低不僅受到材料特性的影響，還取決于結(jié)構(gòu)的拘束狀態(tài)。拘束是指結(jié)構(gòu)對裂紋尖端塑性變形的阻礙，當(dāng)拘束較大時，裂紋尖端塑性變形受到抑制，發(fā)生脆性斷裂的傾向增大，因而斷裂韌性結(jié)果較低；當(dāng)拘束較低時，材料的斷裂韌性較高。拘束通常包含材料拘束和幾何拘束兩種形式。材料拘束即材料本身固有屬性引起的裂紋尖端拘束行為差異；幾何拘束又可細(xì)分為面內(nèi)拘束和面外拘束兩種形式，對于三維含裂紋結(jié)構(gòu)，其裂紋尖端的拘束效應(yīng)受面內(nèi)拘束和面外拘束兩方面共同主導(dǎo)。因此，對于管道而言，連頭口附近的殘余應(yīng)力水平也與拘束狀態(tài)息息相關(guān)。

本文依據(jù)西氣東輸三線中段（中衛(wèi)-吉安）項目中衛(wèi)-棗陽段線路工程提供的管道連頭進(jìn)行了有限元建模分析。首先根據(jù)管道材質(zhì)計算其材料性能，之后建立不同長度的管道模型，探究不同連頭管段長度對連頭口焊縫附近殘余應(yīng)力的影響，并驗證了隨連頭管段長度的增加，可接受極限裂紋尺寸范圍增大的結(jié)論。

1" " 材料與方法

中衛(wèi)-棗陽段工程管道直徑為1 219 mm，壁厚22 mm，管道材質(zhì)X80鋼，其化學(xué)成分如表1所示，其中，Mn的含量較其他微量元素而言更多。

對實際管道的焊接接頭進(jìn)行了拉伸試驗。拉伸試樣形式有兩種，其中，橫向矩形試樣尺寸為寬度19 mm、厚度22 mm、長度50 mm，圓棒拉伸試樣的直徑為10 mm。試驗條件為室溫條件，分別從不同的取樣位置取6組試樣，2組為圓棒，4組為橫向矩形。6組拉伸試驗的結(jié)果如表2所示，橫向矩形試樣的斷裂位置均在母材部位，而圓棒試樣的斷后伸長率為21%～22%。

2" " 有限元分析

2.1" 有限元建模

根據(jù)實際管道的化學(xué)成分，采用JmatPro軟件計算材料對應(yīng)的熱物理參數(shù)及力學(xué)參數(shù)，得到的主要材料參數(shù)如圖1所示。

采用abaqus2022建立有限元模型，管道材質(zhì)為X80鋼，參照實際焊縫的金相腐蝕照片（如圖2所示），連頭口焊縫共有9層、11道，接頭形式為對接；采用V型坡口，其坡口面角度22°～23°，鈍邊0.5～1 mm，余高1.7～2.5 mm，上開口寬度22～24 mm，蓋面焊縫寬24～26 mm。以上數(shù)據(jù)均按照實際焊縫情況采用。計算時連頭管段長度分別設(shè)置為1 000、2 000、3 000 、4 000、5 000 mm?；谒芯抗艿乐睆綖? 219 mm，模型選擇連頭管段長1 000～5 000 mm，可滿足管長應(yīng)大于500 mm及大于管道直徑的規(guī)范要求。

2.2" " 連頭管段長度對連頭口焊縫殘余應(yīng)力的影響

根據(jù)有限元計算結(jié)果，連頭管段長度為1 000～5 000 mm的連頭口焊縫附近殘余應(yīng)力云圖如圖3、圖4所示，殘余應(yīng)力變化趨勢如圖5所示。

由圖3、圖4可知對于不同長度的連頭管段，其連頭口焊縫殘余應(yīng)力云圖分布形狀類似，出現(xiàn)應(yīng)力極值的位置相同，焊縫的殘余應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在蓋面處焊縫旁邊的母材位置，在靠近焊縫根部位置殘余應(yīng)力較小，且焊縫兩側(cè)殘余應(yīng)力幾乎成對稱分布。

由圖5可知對于不同長度連頭管段，其連頭口焊縫附近殘余應(yīng)力變化趨勢相似，焊縫接頭兩側(cè)殘余應(yīng)力曲線隨著與連頭口中心線距離增加，先增加到峰值后，急劇下降再急劇上升又急劇下降，到接近殘余應(yīng)力為0的時候再急劇上升到峰值再下降，呈現(xiàn)“貓耳”變化趨勢；隨著管段長度的增加，其最大殘余應(yīng)力值由500 MPa左右下降至330 MPa左右，但最大殘余應(yīng)力變化幅度逐步減??；管段長度大于3 000 mm時，其最大殘余應(yīng)力的變化速率減小，幅值變化不明顯。由此可見，管段長度小于3 000 mm時，隨著連頭管段長度的增加，連頭口焊縫附近的最大殘余應(yīng)力值逐漸減小。因此，在一定長度范圍內(nèi)，管段長度的增加對連頭口焊縫附近的殘余應(yīng)力集中起到明顯的減弱作用。

3" " ECA評估

3.1" " 管道連頭口焊縫ECA評估方法

根據(jù)不同長度連頭管段的接口焊縫殘余應(yīng)力有限元計算結(jié)果，可評估不同長度和深度的焊縫裂紋在最大殘余應(yīng)力狀態(tài)下是否安全。根據(jù)ECA（Engineering Critical Assessment）評估流程采用Crackwise軟件對不同尺寸焊縫的裂紋進(jìn)行了安全評估。評估所需的相關(guān)參數(shù)如表3所示。

上述參數(shù)均根據(jù)工程實際管道測量所得。將參數(shù)值輸入軟件即可計算不同尺寸焊縫裂紋在不同長度連頭管段最大殘余應(yīng)力條件下的安全性。其評估流程如下：

1）選擇幾何形狀，并選擇缺陷位置為外表面或內(nèi)表面，選擇評估類型為斷裂；

2）在選擇幾何形狀和缺陷位置后，輸入管道的壁厚、周長以及半徑數(shù)值，缺陷位置為外表面時輸入焊帽的尺寸，缺陷位置為內(nèi)表面時輸入焊根的尺寸；

3）輸入屈服強度、抗拉強度、楊氏模量、泊松比等力學(xué)性能。斷裂韌性選擇CTOD，在彈出的選項卡中輸入屈服強度、抗拉強度、楊氏模量、泊松比、CTOD值等力學(xué)性能計算得到Kmat值（Kmat為根據(jù)應(yīng)力強度因子確定的特征材料斷裂韌性）；

4）主應(yīng)力分別輸入由內(nèi)壓計算得到的膜應(yīng)力和由于錯邊引起的彎曲應(yīng)力；二次應(yīng)力輸入有限元計算得到的殘余應(yīng)力；選擇裂紋長度為自變量，裂紋深度為因變量；之后可完成計算，輸出結(jié)果。

Crackwise軟件評估流程見圖6。

3.2" " 管道連頭口焊縫評估結(jié)果

設(shè)置管道連頭口焊縫裂紋的長度為100～500 mm，裂紋深度在8～13 mm范圍內(nèi)變化，隨裂紋的長度變化而定。焊縫內(nèi)、外表面裂紋的評估情況如下。

對于外表面裂紋，管段長度為5 000、4 000、3 000、2 000、1 000 mm時，對應(yīng)的最大殘余應(yīng)力分別為334.274、343.214、366.078、409.872、501.373 MPa。對應(yīng)不同尺寸裂紋的評估結(jié)果如圖7所示。裂紋長度在100～500 mm之間的缺陷在FAD評估圖中均處于安全范圍，評估結(jié)果可接受。

根據(jù)圖7所示，隨著連頭管段長度的增加，焊縫外表面裂紋可接受的極限尺寸范圍增大。當(dāng)管段長度為1 000 mm時，焊縫裂紋深度與裂紋長度曲線呈下降趨勢，當(dāng)管段長度增加時，裂紋長度在初始100 mm以后有段平穩(wěn)的過渡階段。

對于焊縫內(nèi)表面裂紋的評估結(jié)果如圖8所示，同理，隨著連頭管道長度的增加，其可接受的極限尺寸范圍增大。當(dāng)管段長度為1 000 mm和2 000 mm時，裂紋深度與裂紋長度曲線呈下降趨勢，當(dāng)管段長度增加時，裂紋長度在初始100 mm以后有段平穩(wěn)的過渡階段。與外表面裂紋的評估結(jié)果相比，內(nèi)表面裂紋的平穩(wěn)段更短。

根據(jù)上述焊縫內(nèi)、外表面不同尺寸裂紋在不同連頭口管段長度中的評估結(jié)果可知，在本文研究的工況下，所有評估結(jié)果均為可接受的，因此這些評估點是安全的；在一定的范圍內(nèi)，增加連頭管段長度可減小焊縫附近的殘余應(yīng)力集中。

4" " 結(jié)論

對X80鋼D1219 mm管道1 000～5 000 mm不同長度連頭管段的連頭口焊縫進(jìn)行了有限元分析，探究了連頭管段長度對連頭口焊縫附近殘余應(yīng)力的影響，得到如下結(jié)論。

1）對于不同長度的連頭管段，連頭口焊縫附近的殘余應(yīng)力變化趨勢是相似的。

2）隨著連頭管段長度的增加，連頭口焊縫附近的最大殘余應(yīng)力值呈逐漸下降的趨勢，且管段長度越長，其殘余應(yīng)力下降的速率越小。

3）ECA評估結(jié)果表明，隨著連頭管段長度增加，其連頭口焊縫附近的殘余應(yīng)力減小，因此可接受的裂紋極限尺寸范圍增加。

4）根據(jù)在不同長度連頭管段的最大殘余應(yīng)力狀態(tài)下，不同尺寸的焊縫裂紋評估結(jié)果可知，在本文研究的工況下，各裂紋尺寸均在ECA評估的安全范圍內(nèi)，屬于可接受的范圍；而且連頭管長度的增加，可以在一定程度上減少焊縫附近殘余應(yīng)力集中。

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基金項目：

國家石油天然氣管網(wǎng)集團有限公司科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項“管道新型焊接裝備研制與應(yīng)用”（SJSG202201）。

作者簡介：

楊大慎（1978—），男，山東德州人，高級工程師，2002年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）熱能工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事石油天然氣管道工程焊接技術(shù)研究和焊接裝備研發(fā)工作。

Email：yangds01@pipechina.com.cn

收稿日期：2024-08-07