预变形对X80直缝埋弧焊管焊接接头残余应力及疲劳性能影响的模拟研究

乔桂英，张诗禹， ZHANG Zhien，徐 凯，肖福仁

(1.燕山大学 河北省应用化学重点实验室，河北 秦皇岛 066004；2.燕山大学 环境与化学工程学院，河北 秦皇岛 066004；3.William G. Lowrie Department of Chemical and Biomolecular Engineering,The Ohio State University,Columbus, OH 43210, USA;4.燕山大学 亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，河北 秦皇岛 066004；5.燕山大学 河北省金属产品工艺与性能优化实验室，河北 秦皇岛 066004)

0 引言

管线输送是天然气最安全、连续、经济的运输方式之一。随国民经济对天然气等清洁能源需求的增加，大口径、高压大输量管线成为输送管线的重点发展方向，也促进了大口径厚壁高强管线钢管的发展[1-2]。大口径厚壁高强管线钢管的生产通常采用UOE或JCOE成型、多丝串列双面埋弧焊。高强管线钢在“UO”或“JCO”成型及“E”机械扩径过程中，因成型变形及不均匀性，导致钢管存在较大的残余应力，机械扩径过程虽然能够使管体的不均匀残余应力获得改善[3]，但在焊接接头处，因热影响区的软化及焊缝余高的作用，在扩径过程中会导致焊接热影响区处残余应力集中，从而显著影响管线钢管服役安全性。

疲劳是管线失效最主要的因素之一[4]，而大部分管线疲劳失效主要发生在焊接接头处[5]。全壁厚钢管焊接接头疲劳性能研究表明，疲劳裂纹萌生在内焊缝焊趾处，其疲劳抗力与管体母材相比，降低20%以上[6]。但在试验过程中，由于疲劳试样截取加工，焊接接头处残余应力释放，改变了焊接接头处残余应力状态，导致焊接接头的疲劳性能忽略残余应力的影响。马廷霞等[7]研究报道残余应力对含裂纹缺陷管道疲劳寿命有显著影响。因此，研究残余应力对管线钢管焊接接头疲劳性能的影响，控制钢管的残余应力，对提高管线服役安全具有重要意义。

然而，通过试验方法，因试样加工等导致残余应力的改变，给带有残余应力焊接接头疲劳性能研究带来不确定性。不断提高的计算机模拟技术为钢管残余应力分析及焊接接头疲劳性能研究提供了有效手段[8]。本工作采用数值模拟方法，根据X80钢管焊接接头疲劳性能测试试样，对试样施加不同预变形，模拟钢管扩径过程变形，研究扩径量对焊接接头残余应力的影响，进而模拟分析焊接接头的疲劳性能。目的为研究扩径后焊接接头残余应力分布及残余应力对疲劳性能的影响，为管线钢管残余应力控制提供参考数据。

1 试验材料及方法

焊接接头模拟试样取自外径为1 219 mm、壁厚为22 mm的X80直缝埋弧焊钢管，焊接接头的截面如图1(a)所示。焊接接头可分为焊缝金属、焊接热影响区(粗晶区、细晶区、两相临界区)及母材等。考虑焊接接头的对称性，使用Solidworks建模软件建立平板焊接接头的三维模型。将模型导入到ANSYS Workbench模拟计算软件进行网格划分，模型及网格划分结果如图1(b)所示。根据前期研究结果[9]，粗晶区韧性降低最大，而细晶区和两相临界区强度降低最大。在模拟模型中将粗晶区和细晶区单独划分。

由于实际焊接接头热影响区尺寸较小，无法获得焊接热影响区不同亚区域的性能参数测定的试样。为此，采用Gleeble-3500型热模拟试验机，按实际钢管焊接热循环条件，模拟制备焊接接头粗晶区和细晶区的试样，并测定了区域材料的拉伸性能和疲劳性能的S-N曲线。疲劳性能测试在MTS 858 Mini Bionix疲劳试验上进行，采用应力控制，应力比(R=σmin/σmax)为0.1，频率为10 Hz，波形为正弦波。最终结果如表1和图2所示。

表1 焊接接头不同区域性能参数Tab.1 Property parameters in different zone of weld joint

首先模拟扩径过程，对焊接接头分别施加一应力，控制应变使焊接接头产生0.5%、1%、2%和4%的预变形，去除应力后分析残余应力分布；随后将该模型导入nCode疲劳分析模块，按焊接热影响区疲劳参数对焊接接头疲劳性能进行分析。疲劳循环最大应力按X80钢技术要求最低屈服强度550 MPa、安全系数为0.8时的最大440 MPa选取，应力循环参数与S-N曲线测试参数一致。

2 试验结果及分析

2.1 焊接接头的残余应力

图3给出了焊接接头经不同变形加载并去除载荷的等效残余应力分布云图。由图3可见，母材的残余应力几乎为零，残余应力主要集中在焊缝金属和热影响区处。在热影响区中，残余应力分布也不均匀，内外表面残余应力较大，心部残余应力较小，且粗晶区的残余应力明显高于细晶区，最大应力出现在内外焊趾处。为更清晰地分析焊接热影响区残余应力的大小，将热影响区的残余应力单独提取，结果如图4所示。

由图4可见，在焊接热影响区中，残余应力在内外焊趾及细晶区和母材的交界处出现应力集中，最大残余应力出现在外焊趾处。当变形量为0.5%、1%、2%和4%时，外焊趾处最大残余应力分别为429 MPa、449 MPa、473 MPa、481 MPa。

另外，由图3和图4可见，外焊缝热影响区表面残余应力较大，因此对外焊缝表面沿热影响区截面残余应力进行了分析，结果如图5所示。沿焊缝外表面，残余应力随远离焊趾逐渐降低，在细晶区中心降低到最低值，在靠近母材区域，残余应力又开始增大。这与前期对焊接接头拉伸加载时最大应力出现的位置及在热影响区分布的结果相一致[10]。在拉伸应力作用下，因焊缝余高及焊缝金属和粗晶区性能差异，在焊趾处出现较大的应力集中；而细晶区与母材性能差异，也导致了应力集中。拉伸变形过程中应力集中及分布的不同，导致最终残余应力分布不同。这也证实残余应力分布结果具有一定的准确性。

2.2 残余应力对疲劳性能的影响

采用nCode疲劳分析模块对未变形及经不同变形量变形后的模型进行疲劳模拟。为了减少计算量，在读取不同变形情况下各分区的残余应力数值时，在Offset选项中对残余应力分布进行了简化。在疲劳寿命计算时，按母材及热影响区疲劳试验的加载方式，最大应力按X80钢0.8安全系数选定，最大应力为440 MPa，应力比R为0.1，模拟结果如图6所示。为对比残余应力的影响，图6分别给出了未加变形及经过0.5%、1%、2%、4%变形后焊接接头的疲劳寿命分布云图。

对比残余应力分析结果(图3)，疲劳寿命分布与残余应力的结果相反，残余应力较大的区域，疲劳寿命较低。但两者也有所不同，细晶区疲劳寿命明显高于母材的寿命。由图2可见，焊接细晶区在最大循环应力为440 MPa，其疲劳寿命明显高于母材，导致变形后细晶区疲劳寿命也高于母材。因此，在焊接接头疲劳模拟结果中则表现出最大疲劳寿命。对焊接接头，其最低疲劳寿命决定了试样的最终疲劳寿命，因此确定焊趾处的疲劳寿命为焊接接头的最终寿命。未变形及经0.5%～4%变形后试样焊趾处的疲劳寿命分别为1.215×105、9.959×104、8.184×104、6.402×104和5.317×104周次。可见变形显著降低焊接接头的疲劳寿命。

疲劳断裂是裂纹萌生、扩展及断裂的过程[11]。疲劳裂纹萌生及扩展不仅与组织有关，而且与结构、夹杂物及组织不均匀性所引起的应力集中关系更大[12]。在焊接接头中，经变形后，在焊趾处出现最大残余应力，其疲劳寿命随变形量的增加而降低。因在模拟过程中，材料的塑性没有变化，可以认为其疲劳寿命的降低主要由残余应力所引起的。图7给出了疲劳寿命损失率随残余应力变化的关系。可见，随残余应力的增加，焊趾处疲劳寿命显著降低，当残余应力为429 MPa时，疲劳寿命降低18.0%；而当残余应力增加到481 MPa时，疲劳寿命降低56.2%。

由上述结果可见，在钢管扩径过程中，因焊接接头处焊缝金属、热影响区及母材组织和性能的不同以及焊缝余高的作用，在焊接热影响区产生较大的残余应力，残余应力随变形量的增加而显著增加。残余应力最大值出现在外焊缝的焊趾处，而疲劳寿命最低值出现的位置与残余应力值相对应，且随残余应力的增加，疲劳寿命降低幅度呈线性增加。这些结果表明，对高强直缝埋弧焊管，在成型、焊接及扩径过程中所产生的残余应力对服役过程安全性产生不利的影响，特别是焊接热影响区，由于经焊接热循环后性能的恶化，以及焊缝余高的作用，扩径变形导致残余应力集中更大，对疲劳寿命影响也更显著。从本工作的结果看，一般钢管的扩径量在0.8%～1.5%之间，其疲劳寿命降低约18%～40%，疲劳寿命仍能达到7.2×104周次以上。根据文献[13]钢管疲劳寿命估算，仍能满足30年的设计要求。另外，在本工作中，忽略了变形过程对性能的影响，而对实际材料，变形加工硬化使强度提高。虽然变形强化降低疲劳裂纹的扩展速率，但提高疲劳强度。在今后的研究过程中，还应考虑变形对焊接接头不同区域性能的变化，及其对疲劳寿命的影响。

3 结论

本文采用数值模拟方法，通过拉伸变形模拟研究X80直缝埋弧焊管扩径过程对焊接接头残余应力分布及其疲劳性能影响，取得如下结果：

1) 焊接接头经拉伸变形，残余应力主要出现在焊接热影响区，内外焊缝表面残余应力最大，且外焊缝残余应力大于内焊缝。残余应力最大值出现在外焊趾的粗晶区。随变形量的增加，残余应力增大。变形量由0.5%、1%、2%增加到4%时，焊趾处残余应力值由429 MPa、449 MPa、473 MPa增加到481 MPa。

2) 经变形后焊接接头的疲劳寿命分布与残余应力分布相反，疲劳寿命最低点出现在外焊趾处，且随变形量的增加，疲劳寿命降低。疲劳寿命与残余应力直接相关，与未变形试样相比，当残余应力由429 MPa增加到481 MPa时，疲劳寿命降低18.0%到56.2%。