X70管線鋼管環焊縫寬板拉伸試驗

姚登樽， 隋永莉， 孫 哲， 姚學全， 范玉然

（1.中國石油天然氣管道科學研究院，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展，管道環焊縫的受力情況也日趨苛刻。在施工過程中，焊接接頭往往會發生組織性能的劣化并存在各種缺陷，致使焊縫處出現應力集中，容易引起裂紋的失穩擴展，導致安全事故。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焊縫缺陷評估的重要手段。與常規環焊縫缺陷評估方法相比，寬板拉伸試驗具有其獨特的優越性［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），裂紋尖端會產生較高的約束，這與管道現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用于管線鋼管環焊縫評估和應變設計中［8］。

本研究借助寬板拉伸試驗方法，對X70管線鋼管環焊接頭進行了缺陷評估試驗，研究環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，為管道應變設計提供基礎參考數據。

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。環焊接頭焊接工藝為低氫焊條手工電弧焊 （SMAW）+自保護藥芯焊絲半自動焊（FCAW）焊接工藝，具體工藝參數見表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。焊接前進行預熱處理，預熱溫度為100℃，層間溫度控制在60~100℃。

表1 X70管線鋼管環焊接工藝參數

2 小尺寸試樣性能

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

圖1 X70管線鋼及環焊縫小尺寸試樣拉伸結果

表2 X70管線鋼環焊接頭CTOD試驗結果

3 有限元模擬

根據小尺寸試驗提供的管材和焊縫性能參數，結合環焊縫的真實形貌特征，通過ABQUS軟件建立了X70管線鋼環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，對應不同的裂紋缺陷尺寸，相同軸向應變量下，焊縫缺陷的張開位移明顯不同。根據管道應變設計方法，取管材的遠程應變量2%~3%，從圖中可以看出當裂紋缺陷尺寸取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。

圖2 X70管線鋼環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動力曲線

4 寬板拉伸試驗準備

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。環焊縫位于板長的中心位置，板寬700mm，兩側減寬段的長度應為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該用平滑和連續的過渡圓弧進行連接，過渡圓弧的半徑為210mm。

圖4 X70管線鋼環焊縫寬板拉伸試樣

制定了X70寬板拉伸試驗數據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力-應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變信號、區域應變信號、溫度信號和裂紋張開位移信號等。

圖5 X70管線鋼環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 試驗結果

試驗采用單試樣柔度法進行試驗控制［8-9］，繪制多次加載/卸載過程應力-應變曲線及裂紋張開位移曲線，結果如圖7所示?？梢钥闯觯缚p左側和右側的管材因為性能差異，試驗過程中發生的變形情況不同，管材的變形主要發生在焊縫左側的管材上。試驗過程中，平均遠端平均應變可以達到3.2%，焊縫裂紋缺陷仍處于平穩擴展階段。

圖7 管材應力-應變曲線及裂紋CMOD擴展曲線

拉伸試驗結束后，對焊縫缺陷處進行取樣分析，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，裂紋前端發生鈍化，尚未發生失穩擴展，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果。從圖9可以看出，裂紋在試驗過程中發生的是韌性擴展，擴展區特征形貌為韌窩組織，韌性裂紋擴展量約350μm，未發生失穩擴展。

圖9 裂紋斷面掃描電鏡照片

綜上可以看出， X70管線鋼高強匹配環焊縫當含有尺寸為3.5mm×50mm的裂紋缺陷時，管道整體軸向應變在3.2%以下，焊縫裂紋缺陷不發生失穩擴展，管道整體仍處于安全狀態。結合寬板拉伸試驗不能夠反應內壓影響的特點［10］，建議管道應變設計時，以上X70管道的最大應變設計量為1.5%。

6 結 論

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

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

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

［1］駱建武，覃海濤.高鋼級管線鋼斷裂韌性確定方法研究［J］.焊管，2009，32（07）：33-37.

［2］羅金恒，趙新偉，李新華，等.X80管線鋼斷裂韌性研究［J］.壓力容器，2007，2（08）：6-9.

［3］張華，趙新偉，羅金恒，等.X80管線鋼斷裂韌性及失效評估圖研究［J］.壓力容器，2009,26（12）：1-4.

［4］WANG Yongyi,LIU Ming,SONG Yaxin.Second Generation Models for Strain-based Design［R］.U.S.Department of Transportation Pipeline and Hazardous Materials Safety Administration,PRCIReportPR-ABD-1-Project2.2011.

［5］FAIRCHILD D P,CHENGW,FORD S J,MINNAAR K. Recent Advances in Curved Wide Plate Testing and Implications for Strain-based Design［C］//Proceedings of the Sixteenth（2007）International Off shore and Polar Engineering Conference.Lisbon,Portugal：［s.n.］,2007.

［6］PARK D Y,TYSONW R,GIANETTO JA,et al.Small Scale Low Constraint Fracture Toughness Test Discussion and Analysis［R］.U.S.Departmentof Transportation Pipeline and Hazardous Materials Safety Administration, PHMSA Report277-T-07.2011.

［7］SHEN G,GIANETTO JA,TYSON W R.Development of Procedure for Low-constraint Toughness Testing Using a Single-specimen Technique［R］.U.S.Department of Transportation Pipeline and Hazardous Materials Safety Administration,PHMSA Report277-T-03.2011.

［8］WANG Yongyi,HONG gang.Curved Wide Plate Test Results and Transferability of Test Specimens［R］.U.S. Department of Transportation Pipeline and Hazardous Materials Safety Administration,PHMSA Report277-T-11.2012.

［9］姚登樽，周寶庫.管線鋼寬板拉伸試驗概述［J］.焊管，2013，36（07）：53-56.

［10］WANG Yongyi,LIU Ming.Validation and Documentation of Tensile Strain Limit Design Models for Pipelines［R］. Pipeline Research Council International，Inc.，PR-ABD-1.2010.