大口径天然气管道环焊缝残余应力分布

李玉坤,王鄯尧,杨进川,徐春燕,田 野,贾海东,曹小建

(1.中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院,山东青岛 266580;2.国家管网集团西部管道有限公司，新疆乌鲁木齐 830012)

管道环焊缝焊接技术是天然气管道现场施工的关键技术,焊接过程中不可避免地会产生焊接残余应力,残余应力的存在是影响管道焊接接头脆性断裂、疲劳断裂和应力腐蚀开裂等失效形式的重要因素。测量、表征残余应力分布特征需掌握快速准确的残余应力测量方法[1],随着残余应力理论[2]、测量技术[3]及测量设备的发展[4],残余应力的测量已获得广泛关注并已形成一些成熟方法。Soete等[5]研究了盲孔法测量残余应力的基本理论及测量方法;Bray[6]利用盲孔法验证了超声波法测量管道焊接残余应力结果的准确性;Yashar等[7-8]探究了304L不锈钢和A106碳钢两种材料管道焊接接头的残余应力分布规律,并通过有限元数值计算和盲孔法验证了检测精度;Sowards等[9]通过数值模拟方法研究了微合金管道在焊接过程中的焊接残余应力分布特点;Chen等[10]研究了不同焊接方法和不同焊接参数条件下X80钢的焊缝及热影响区的组织性能;刘昭等[11]针对GH4169合金热处理过程产生的残余应力采用中子衍射法进行了测量。Cho等[12]、刘增华等[13]利用试验及数值分析探究了各种强度钢焊缝处的残余应力分布规律。然而目前的研究大多采用单一试验法或数值计算法,且采用的试验方法多为传统的盲孔法和超声法,试验法与数值计算相结合的研究鲜有报道[14-17]。笔者首先对两钢板焊接的热循环过程进行数值计算,再以国家管网某公司Φ1219 mm含环焊缝X80管段为试验对象,采用矫顽力法和超声法两种无损检测方法以及盲孔法测量管道环焊缝及周边残余应力,获得残余应力分布;并基于数值计算和试验结果,探究环焊缝及周边残余应力分布特征,验证矫顽力法表征残余应力分布规律的准确性。

1 两钢板焊接过程数值计算

单个焊接试验耗时长、成本高,利用数值计算探究焊接残余应力分布特征可减少大量的实际焊接试验,是一种高效可行的焊接残余应力分布研究方法。大口径天然气管道尺寸大,数值计算模型对计算机要求过高,为提高计算速度,对模型进行合理简化,以与管道材质相同的两钢板为研究对象,建立钢板的二维有限元计算模型,进行焊接数值计算。

1.1 热源模型

常见的热源函数模型有3种:支持表面热处理作业的二维高斯(2D Guassian)模型,普通弧焊如MIG焊的双椭球(double ellipsoid)模型,允许高能束焊接作业的3维高斯圆锥(3D conical Guassian)模型。本文的工艺参数是参考常用的焊接工艺参数制定,因此选取的是双椭球热源模型。设ff、fr为双椭球热源的热输入分配系数,则前、后半椭球体的热流分布[18]为

(1)

(2)

ff+fr=2.

其中

式中,q为热通量,J/(m2·s);x、y、z为相对于热源中心的坐标;af为椭球前长,mm;ar为椭球后长,mm;b为椭球宽度的一半,mm;c为椭球深度,mm;Q为有效功率,W;η为电弧热效率;U为焊接电压,V;I为焊接电流,A。

1.2 有限元模型

通过SYSWELD软件的Visual-mesh组件建立有限元模型,大口径管道有限元模型见图1(a),管道的直径、高度、厚度为1200 mm×400 mm×16 mm,沿管道轴线方向网格均分为30层。图1(b)为从管道随机切取的钢板有限元模型,单块钢板尺寸为80 mm×20 mm,焊接方向设置为沿x轴正方向。焊接过程中,假设材料均匀且各向同性,焊接热量除一部分用于融化焊条和钢板外,部分与空气热交换。选取合适单元类型,施加与表1焊接工况相同的焊接热力边界条件。钢板底面与工作台接触,则将钢板底面设置为刚性约束。焊缝热影响区域温度梯度大,应力应变在焊接过程中变化剧烈。通过数值计算求解焊缝及周边的残余应力分布及变化规律。

图1 两钢板热循环模型Fig.1 Local finite element model

表1 X80管道焊接工艺Table 1 Welding process of X80 pipeline

1.3 数值计算结果

两钢板焊接数值计算中,考虑热传导,给定边界条件,求解得到焊接缝不同时刻各节点的温度,再将各时刻各节点的温度作为载荷施加到模型上,模拟稳定的焊接工艺,完成整个的应力-应变分析过程,分别获得焊缝处轴向和横向的残余应力分布云图(图2(a)、(b))。结合焊缝及影响区域的实际尺寸(图2(c))绘制焊缝表面残余应力分布曲线(图3)。

由图2可见,焊缝及周边的残余应力以焊缝为中心呈对称分布,在焊缝区域内呈“灯笼型”分布,轴向残余应力在熔合区和焊缝区表现为拉应力,拉应力峰值位于熔合区,环向残余应力在焊趾处和打底焊根部错边处表现为拉应力。由图3可见,轴向残余应力在焊缝区表现为拉应力,拉应力区域约为焊缝中心两侧各5 mm长度,拉应力随着距焊缝中心距离增大而减小,超过焊缝中心5 mm外轴向残余应力表现为压应力,压应力峰值约位于距焊缝中心9 mm处;环向残余应力在焊缝及热影响区内表现为拉应力,在焊缝区随着距焊缝距离增加拉应力逐渐增大,拉应力峰值位于距焊缝4.5 mm处,当距离超过4.5 mm后,应力随焊缝距离增大而减小,在焊缝区域环向残余应力略小于轴向残余应力。

图2 残余应力分布云图与焊缝及影响区域实际尺寸Fig.2 Residual stress distribution cloud chart and actual dimensions of welds and affected areas

图3 焊缝表面残余应力分布Fig.3 Distribution of residual stress on weld surface

2 试验法

残余应力测量目前已形成了完备的检测理论体系,检测方法大致可分为无损检测和有损检测两类。本文中采用的超声法和矫顽力法属于无损检测方法,盲孔法属于有损检测方法。

图4 测点区域划分Fig.4 Points area division

某含环焊缝管段材质为X80,公称直径为1 219 mm,壁厚为16.5 mm,长度为400 mm。如图4(a)所示,以管道的顶点为0点,在管道环向按照表盘用12个钟点方位标记环焊缝;并以0点为起点,每隔表盘30 min的位置取一个待测方位,如0:00、0:30、1:00等,每个待测方位上再以焊缝为中心在竖直方向取7个待测点,自上而下标号① ～⑦。首先使用矫顽力检测仪(图5(a))测量各待测点的轴向和环向矫顽力。再用超声在线应力测量装置(图5(b))沿管道环向每90 min表盘位置测量0:00、1:30、3:00、4:30、6:00、7:30、9:00、10:30共8个表盘方位的残余应力,每个表盘取点方位在竖直方向取5个待测点,如图4(b)所示,焊缝中心一个,焊缝上、下侧各两个;最后利用盲孔法对超声法所选取的各个测点进行应变测量。

图5 检测装置Fig.5 Detection device

2.1 矫顽力法

根据矫顽力法试验原理,矫顽力法应力测量技术是通过磁性薄膜应力效应计算残余应力的一种无损应力检测技术,矫顽力与材料的种类、杂质、试验温度以及内部应力有关[17]。当所有测点都在同一焊接管段上,能减少因材质、杂质温度等因素引起的测量误差,由于各点应力不同引起矫顽力相对差值,可通过直接测量焊缝及焊趾处矫顽力得到矫顽力分布规律,研究管段残余应力分布规律。

矫顽力与应力的理论关系:在应力波长远远大于畴壁厚度和应力波长远远小于畴壁厚度的两种模型中,每块畴壁有且只有一个临界场,铁磁性材料的矫顽力为各临界场的平均值,即

(3)

其中

式中,Hc为矫顽力,A·cm-1;δ为畴壁厚度,cm;l为应力波长,cm;λs为磁致伸缩常数;μ0为自由空间磁导率,也为常数;矫顽力Hc与应力函数Δσ成正比,与磁化强度Ms成反比。

试验中采用矫顽力检测装置对各待测点的轴向和环向矫顽力进行测量,即在管道环向分别取0:00、1:30、3:00、4:30、6:00、7:30、9:00、10:30表盘位置进行矫顽力测量,用Tecplot软件绘制矫顽力分布云图(图6)。矫顽力最大值为11.4 A·cm-1,为环向表盘3点钟位置处焊缝的轴向矫顽力Hcx;最小值为7.4 A·cm-1,为环向表盘8点钟位置处竖直方向②号点的环向矫顽力Hcy。环焊缝处轴向矫顽力平均值比环向矫顽力大0.2 A·cm-1,少数测点环向矫顽力大于轴向矫顽力。

图6 焊缝处矫顽力分布特征Fig.6 Coercivity distribution cloud map at weld

2.2 超声法

为了验证矫顽力法的可靠性,进一步定量地探究管道环焊缝处残余应力,采用超声法[18]测量管道焊缝区母材轴向残余应力。超声应力测量技术[19]是通过测量超声波在材料内飞行时间计算残余应力的一种无损应力测量技术。在各向同性弹性体中,超声波的传播速度不仅与材料的二阶弹性常数和密度有关,还与材料的高阶弹性常数和应力有关,即与声弹性效应有关。现对用矫顽力法测过的母材区域再应用超声法对各测点的残余应力进行测量,由于焊缝处无法满足超声法对于光滑平面的要求,故超声法只测得母材及热影响区轴向残余应力而不能测环向残余应力。超声法测得轴向残余应力(正值表示拉应力，负值表示压应力)如表2所示。

表2 超声法轴向残余应力测量结果Table 2 Axial residual stress measurement results of ultrasonic MPa

2.3 盲孔法

盲孔法作为一种传统的测量残余应力的方法,已经为大多数学者熟知和认可。按美国材料试验协会ASTM制定的测量标准[20],其原理[21]为

(4)

(5)

其中

A=-(1+μ)a2/(2r1r2),

式中,σ1和σ3分别为最大和最小主应力,MPa;φ为第一主应力与ε1参考轴之间的夹角,(°);E为弹性模量,MPa;μ为泊松比;a为钻孔半径,mm;r1和r2分别为应变片内径和外径,mm;A、B为盲孔法残余应力释放计算系数;ε1、ε2、ε3为3个方向所测释放应变。

盲孔法试验中钻孔设备和应变片尺寸为a=2 mm,r1=2 mm,l=3 mm,r2=r1+l=5 mm,μ=0.3,代入公式(5)中可得A=-0.26,B=-0.394 4。盲孔法测量残余应力数值如表3所示。

表3 盲孔法测量结果Table 3 Blind hole stress measurement results MPa

2.4 试验结果

矫顽力法、盲孔法、超声法3种试验方法的测量结果如图7所示,左轴代表盲孔法、超声法测得残余应力数值范围,右轴代表矫顽力法测得矫顽力数值范围,3种试验方法得到的焊缝处轴向残余应力分布规律基本一致,大口径天然气管道环焊缝及周边轴向残余应力在焊缝区表现为拉应力,焊缝中心表现为应力集中,且应力随距焊缝距离增加而减小;母材区表现为压应力,应力较小,应力随距焊缝距离增加而减小。矫顽力法和盲孔法的环向残余应力测量结果表明,管道环焊缝及周边环向残余应力在焊趾处表现为拉应力,随着距焊缝中心超过5 mm后表现为压应力,环向残余应力略小于轴向残余应力;整体来看,环焊缝及周边残余应力总体沿管道轴向呈“山”字型分布。

3 结果对比

将0:00、6:00点试验法结果与数值计算结果进行对比如图8所示。由图8可知,3种试验法测得的轴向残余应力分布特征均与数值计算结果一致,但超声法对测量条件要求高且易受材质各向异性、加工工艺、热影响区等因素的影响,不适用于天然气管道残余应力的在线测试。轴向残余应力在焊缝区以拉应力为主,拉应力随距焊趾距离增大而减小;在母材区,轴向残余应力表现为压应力,应力随着距焊缝中心距离增大而减小。

图7 3种试验法的残余应力测量结果Fig.7 Residual stress results of three experimental methods

图8 三种试验法与数值计算结果对比Fig.8 Comparison of residual stress of three test methods and numerical calculation results

矫顽力法和盲孔法测得的环向残余应力分布特征与数值计算结果基本一致,环向残余应力在焊缝和热影响区表现为拉应力,应力随着距焊缝中心距离增加而增大,当距离超过4 mm后,应力随距焊缝中心距离增大而减小,残余应力总体沿管道轴向呈“山”字型分布。盲孔法属于有损检测方法,测量时需要对管道进行人为打孔,会造成管道损伤。矫顽力法为3种试验法中对天然气管道环焊缝残余应力在线测试的最有效方法。

4 结 论

(1)超声法对测量条件要求高且易受材质各向异性、加工工艺、热影响区等因素的影响,不适合天然气管道残余应力的在线测试。盲孔法属于有损检测方法,会对在役管道造成损伤,而矫顽力法对残余应力的分布特征有较好的表现形式,故矫顽力法为在线表征天然气管道残余应力的最佳无损检测方法。

(2)环焊缝及周边残余应力分布特征为在焊缝处轴向和环向残余应力均沿管道轴向呈“山”型分布,这是由于轴向残余应力在焊缝区和熔合区表现为拉应力,拉应力峰值位于熔合区,在焊缝表面,轴向残余应力焊缝区内表现为拉应力,应力随距焊缝中心距离增大而减小,热影响区内表现为压应力,应力随着距焊缝距离的增加先增大后减小再增大到峰值后减小;环向残余应力在焊缝及热影响区内表现为拉应力,应力随着距焊缝中心距离增加而增大,应力峰值约位于距焊缝中心4 mm处,当距离超过4 mm后,应力随距焊缝中心距离的增大而减小。