姚登樽， 隋永莉， 孫 哲， 姚學(xué)全， 范玉然

（1.中國石油天然氣管道科學(xué)研究院，河北 廊坊 065000;

2.中國石油天然氣油氣管道輸送安全國家工程實驗室，河北 廊坊 065000;

3.中國石油天然氣管道局第一工程分公司，河北 廊坊 065000）

0 前 言

隨著油氣輸送壓力要求的不斷提高，管線鋼向著更高強度的方向發(fā)展，管道環(huán)焊縫的受力情況也日趨苛刻。在施工過程中，焊接接頭往往會發(fā)生組織性能的劣化并存在各種缺陷，致使焊縫處出現(xiàn)應(yīng)力集中，容易引起裂紋的失穩(wěn)擴展，導(dǎo)致安全事故。正確評估焊縫中的各種缺陷，能夠防止裂紋擴展，確保管道運行安全，同時可有效降低焊縫返修率，降低施工成本，提高施工效率［1-3］。

寬板拉伸試驗方法是管道環(huán)焊縫缺陷評估的重要手段。與常規(guī)環(huán)焊縫缺陷評估方法相比，寬板拉伸試驗具有其獨特的優(yōu)越性［4-5］。斷裂韌性隨著試件約束水平增加而降低，常用的鋼材斷裂性能測試試件（SENB和CT試件），裂紋尖端會產(chǎn)生較高的約束，這與管道現(xiàn)場缺陷情況存在很大的差別［6-7］。寬板拉伸試驗測試材料尺寸大，焊縫缺陷約束更接近于真實管道情況，測得的斷裂韌性值更接近于管道的真實水平。因而，近年來寬板拉伸試驗被越來越多地應(yīng)用于管線鋼管環(huán)焊縫評估和應(yīng)變設(shè)計中［8］。

本研究借助寬板拉伸試驗方法，對X70管線鋼管環(huán)焊接頭進(jìn)行了缺陷評估試驗，研究環(huán)焊縫裂紋缺陷在管道受力和變形過程中的變化行為，評估帶缺陷焊縫的安全性，為管道應(yīng)變設(shè)計提供基礎(chǔ)參考數(shù)據(jù)。

1 焊接工藝

本研究采用的X70管線鋼管外徑為1016mm，壁厚為17.5mm。環(huán)焊接頭焊接工藝為低氫焊條手工電弧焊 （SMAW）+自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊（FCAW）焊接工藝，具體工藝參數(shù)見表1。焊接接頭坡口為V形坡口，坡口角度22.5°±0.5°，鈍邊1.5~1.8mm，對口間隙2.5~4.0mm。焊接前進(jìn)行預(yù)熱處理，預(yù)熱溫度為100℃，層間溫度控制在60~100℃。

表1 X70管線鋼管環(huán)焊接工藝參數(shù)

2 小尺寸試樣性能

在寬板拉伸試樣取樣對應(yīng)位置進(jìn)行了小尺寸試樣取樣，并進(jìn)行了系列X70管線鋼及環(huán)焊縫性能試驗，為前期寬板拉伸有限元模擬分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并為后期數(shù)據(jù)對比分析提供參考。X70母材拉伸試驗和焊縫拉伸試驗結(jié)果如圖1所示。從圖1中可以看出，表1焊接工藝制備的X70管線鋼管環(huán)焊縫為高強匹配焊縫。表2為 X70焊縫及熱影響區(qū)的CTOD試驗結(jié)果，可以看出熱影響區(qū)的斷裂韌性要明顯好于焊縫中心。

圖1 X70管線鋼及環(huán)焊縫小尺寸試樣拉伸結(jié)果

表2 X70管線鋼環(huán)焊接頭CTOD試驗結(jié)果

3 有限元模擬

根據(jù)小尺寸試驗提供的管材和焊縫性能參數(shù)，結(jié)合環(huán)焊縫的真實形貌特征，通過ABQUS軟件建立了X70管線鋼環(huán)焊縫缺陷寬板拉伸試驗有限元分析模型（如圖2所示）。在模型的焊縫中心處預(yù)制不同尺寸的裂紋缺陷，研究寬板拉伸試驗加載過程中不同缺陷的裂紋張開情況(如圖3所示)。從圖3可以看出，對應(yīng)不同的裂紋缺陷尺寸，相同軸向應(yīng)變量下，焊縫缺陷的張開位移明顯不同。根據(jù)管道應(yīng)變設(shè)計方法，取管材的遠(yuǎn)程應(yīng)變量2%~3%，從圖中可以看出當(dāng)裂紋缺陷尺寸取3.5mm×50mm時，焊縫安全，因而本研究中的寬板拉伸試驗焊縫缺陷尺寸為3.5mm× 50 mm。通過有限元模擬，計算出了X70環(huán)焊縫裂紋擴展動力曲線，為焊縫缺陷尺寸選擇提供了理論依據(jù)。

圖2 X70管線鋼環(huán)焊縫寬板拉伸試驗有限元模型

圖3 X70管線鋼寬板拉伸試驗裂紋驅(qū)動力曲線

4 寬板拉伸試驗準(zhǔn)備

在對接焊鋼管上切取寬板拉伸試樣弧板，并在焊縫中心處采用EDM電火花方法制備雙臺階型裂紋缺陷［9］，如圖4所示。環(huán)焊縫位于板長的中心位置，板寬700mm，兩側(cè)減寬段的長度應(yīng)為1 575mm。兩端部的寬度和長度分別為875mm和350mm。端部與減寬段之間應(yīng)該用平滑和連續(xù)的過渡圓弧進(jìn)行連接，過渡圓弧的半徑為210mm。

圖4 X70管線鋼環(huán)焊縫寬板拉伸試樣

制定了X70寬板拉伸試驗數(shù)據(jù)采集方案和傳感器布置方案，如圖5所示，采集試驗過程中板材的應(yīng)力-應(yīng)變行為及焊縫缺陷處的裂紋張開情況。圖6為試樣表面各種傳感器布置實景圖。試驗過程中主要采集的信號包括點應(yīng)變信號、區(qū)域應(yīng)變信號、溫度信號和裂紋張開位移信號等。

圖5 X70管線鋼環(huán)焊縫寬板拉伸試樣尺寸及信號采集傳感器布置方案

圖6 實際信號采集傳感器布置圖

5 試驗結(jié)果

試驗采用單試樣柔度法進(jìn)行試驗控制［8-9］，繪制多次加載/卸載過程應(yīng)力-應(yīng)變曲線及裂紋張開位移曲線，結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯?，焊縫左側(cè)和右側(cè)的管材因為性能差異，試驗過程中發(fā)生的變形情況不同，管材的變形主要發(fā)生在焊縫左側(cè)的管材上。試驗過程中，平均遠(yuǎn)端平均應(yīng)變可以達(dá)到3.2%，焊縫裂紋缺陷仍處于平穩(wěn)擴展階段。

圖7 管材應(yīng)力-應(yīng)變曲線及裂紋CMOD擴展曲線

拉伸試驗結(jié)束后，對焊縫缺陷處進(jìn)行取樣分析，缺陷處的金相照片如圖8所示。從圖8可以看出，裂紋在試驗后明顯張開，裂紋前端發(fā)生鈍化，尚未發(fā)生失穩(wěn)擴展，缺陷依然可靠。

圖8 裂紋擴展截面金相照片

圖9為裂紋斷面的掃描電鏡分析結(jié)果。從圖9可以看出，裂紋在試驗過程中發(fā)生的是韌性擴展，擴展區(qū)特征形貌為韌窩組織，韌性裂紋擴展量約350μm，未發(fā)生失穩(wěn)擴展。

圖9 裂紋斷面掃描電鏡照片

綜上可以看出， X70管線鋼高強匹配環(huán)焊縫當(dāng)含有尺寸為3.5mm×50mm的裂紋缺陷時，管道整體軸向應(yīng)變在3.2%以下，焊縫裂紋缺陷不發(fā)生失穩(wěn)擴展，管道整體仍處于安全狀態(tài)。結(jié)合寬板拉伸試驗不能夠反應(yīng)內(nèi)壓影響的特點［10］，建議管道應(yīng)變設(shè)計時，以上X70管道的最大應(yīng)變設(shè)計量為1.5%。

6 結(jié) 論

通過寬板拉伸試驗方法，對高強匹配X70管線鋼環(huán)焊縫裂紋缺陷進(jìn)行了安全性評估。通過以上試驗結(jié)果可以得出：

（1）試驗過程中，由于X70板材性能的差異，導(dǎo)致變形主要發(fā)生在焊縫左側(cè)板材上，整體變形不均勻。

（2）在不考慮內(nèi)壓影響的情況下，本研究中焊接工藝制備的X70高強匹配環(huán)焊縫，在含有3.5mm×50mm尺寸的裂紋缺陷情況下，管道整體軸向應(yīng)變可達(dá)3.2%，裂紋不發(fā)生失穩(wěn)擴展，缺陷依然可靠。

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