幾種焊接缺陷對(duì)X70管道環(huán)縫接頭應(yīng)力集中的影響

李 根， 張 騰

（1.中石油西南油氣田公司輸氣管理處，成都 610041；2.西南交通大學(xué) 材料學(xué)院，成都610000）

0 前 言

在管道運(yùn)輸和安裝過程中不可避免地產(chǎn)生各種缺陷，如運(yùn)輸中產(chǎn)生凹坑、管道焊接對(duì)口誤差造成錯(cuò)邊、焊接工藝參數(shù)不正確產(chǎn)生咬邊等缺陷。以往的理論對(duì)于體積缺陷對(duì)焊接接頭性能的影響大多數(shù)只有定性的分析［1-5］。筆者利用大型有限元軟件，對(duì)每種缺陷的大小方位對(duì)X70管道焊接接頭應(yīng)力集中的影響做出了定量分析，為X70管道的安全評(píng)定提供了可靠的力學(xué)依據(jù)。

1 管道規(guī)格及工況

管道規(guī)格為φ610mm×7.1mm，管道采用X70管線鋼，其性能參數(shù)見表1。管線長(zhǎng)度26.33km，設(shè)計(jì)壓力為4.0MPa，運(yùn)行壓力2.67MPa。

表1 X70管線鋼性能參數(shù)

2 有限元計(jì)算

2.1 純內(nèi)壓無缺陷X70管道應(yīng)力分析

由彈性力學(xué)以及管道的工況可知，管道在設(shè)計(jì)壓力為4MPa下工作，環(huán)向應(yīng)力

式中：p—管道設(shè)計(jì)壓力，MPa；

D—管道外徑，mm；

B—管道壁厚，mm。

σ=175.8 MPa即為管道應(yīng)力解析解。建立管道模型，取管道長(zhǎng)度為0.6m。鑒于B/D=0.011，屬于薄壁容器而且屬于軸對(duì)稱，采用了ANSYS單元庫中的plane183單元[5]，同時(shí)打開單元成軸承選項(xiàng)，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元數(shù)為1 000個(gè)，網(wǎng)格劃分模型如圖1所示。

圖1 內(nèi)壓情況下X70管道網(wǎng)格劃分模型（軸對(duì)稱）

當(dāng)管道內(nèi)壓達(dá)到4.0MPa的設(shè)計(jì)壓力時(shí)，管道的應(yīng)力分布如圖2所示。從圖2中可以看出，管道內(nèi)表面的應(yīng)力為179MPa，外表面的應(yīng)力達(dá)到172MPa，根據(jù)公式計(jì)算膜應(yīng)力為

由此可知，有限元解和解析解吻合地非常好，這也從側(cè)面進(jìn)一步證實(shí)了軸對(duì)稱模型建立的正確性。

圖2 無缺陷X70管道內(nèi)壓后的應(yīng)力分布圖（整體）

2.2 焊縫余高對(duì)X70環(huán)縫接頭應(yīng)力集中的影響

在X70管道焊接過程中，由于焊接工藝參數(shù)的變化，焊縫形狀將發(fā)生變化，如在焊接速度和電壓不變的情況下，焊接電流的變化將引起焊縫接頭余高的變化。經(jīng)典理論認(rèn)為焊縫余高將增加焊接結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，增大焊縫的應(yīng)力集中。筆者利用軸對(duì)稱模型研究在相同的焊縫寬度、不同焊縫余高情況下X70管道的應(yīng)力集中系數(shù)。焊縫余高模型如圖3所示。

圖3 焊縫余高從0.5～5mm的模型圖

圖4為焊縫余高為1.5mm時(shí)管道應(yīng)力集中情況。由圖4可知，在焊接接頭處，由于焊縫余高的影響，內(nèi)壓管體的應(yīng)力分布發(fā)生了變化，焊縫余高不但沒有產(chǎn)生應(yīng)力集中，反而降低了焊接接頭部分的應(yīng)力峰值，由175MPa降低到157MPa，應(yīng)力的最大值分布在管道的內(nèi)壁。原因是焊縫的余高增大了承載面積，因此焊縫余高對(duì)于承受靜載的焊接接頭是有利的。

圖5為焊縫余高對(duì)受內(nèi)壓管體應(yīng)力集中的影響。由圖5可知，在沒有焊接缺陷的情況下，焊縫余高增強(qiáng)了內(nèi)壓管體的承載能力，而且焊接接頭的承載力隨著焊縫余高的增加基本不變。在焊縫余高處，由于承載面積的增加，峰值應(yīng)力減小。值得注意的是，本次計(jì)算的模型是建立在焊縫余高與母材圓滑過渡的情況下，在實(shí)際生產(chǎn)中，過大的余高往往會(huì)導(dǎo)致其他焊接缺陷，而且也浪費(fèi)焊接材料。總而言之，焊縫余高對(duì)焊接接頭的承載能力的影響不大，在可接受的范圍內(nèi)對(duì)于承受靜載的X70管道焊接接頭，不需要將余高打磨掉，這也與文獻(xiàn)［7-8］中的結(jié)論吻合。

圖4 焊縫余高為1.5mm時(shí)管道應(yīng)力分布圖 （軸對(duì)稱）

圖5 焊縫余高對(duì)受內(nèi)壓管體應(yīng)力集中的影響

2.3 錯(cuò)邊對(duì)X70環(huán)縫接頭應(yīng)力集中的影響

錯(cuò)邊是常見的焊縫外部缺陷之一，錯(cuò)邊缺陷使結(jié)構(gòu)的外形尺寸發(fā)生突變?cè)斐尚螤畈贿B續(xù)。在錯(cuò)邊處引起較強(qiáng)的應(yīng)力集中和彎曲應(yīng)力，會(huì)明顯降低焊接接頭的強(qiáng)度和韌性。在焊接結(jié)構(gòu)承載動(dòng)載荷的情況下，錯(cuò)邊還會(huì)引起裂紋的產(chǎn)生，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的疲勞破壞。目前針對(duì)焊接缺陷對(duì)焊接接頭應(yīng)力集中及焊接結(jié)構(gòu)承載能力影響的研究[9]基本上還是理論性和定性的分析。因此采用有限元對(duì)X70管道環(huán)縫出現(xiàn)的不同尺寸的錯(cuò)邊缺陷對(duì)管道應(yīng)力集中程度的影響進(jìn)行研究，從而詳細(xì)分析錯(cuò)邊對(duì)X70管道環(huán)縫焊接接頭應(yīng)力集中的影響。

有限元模型取軸對(duì)稱模型，錯(cuò)邊量0.5～4mm，細(xì)化接頭處的網(wǎng)格尺寸為0.2 mm，使其能反映錯(cuò)邊處的應(yīng)力集中。錯(cuò)邊量有限元模型如圖6所示。

圖6 錯(cuò)邊量從0.5～4mm的有限元模型（軸對(duì)稱）

圖7為錯(cuò)變量為2 mm的管道應(yīng)力分布圖。由圖7可知，錯(cuò)邊處產(chǎn)生了應(yīng)力集中，總體來說錯(cuò)邊量越大，焊縫處的應(yīng)力越大，這是因?yàn)殄e(cuò)邊的存在減小了焊縫的承載面積。

圖7 錯(cuò)邊量為2mm時(shí)管道應(yīng)力分布圖（整體）

圖8為X70管道應(yīng)力峰值和錯(cuò)變量的關(guān)系圖。由圖8可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)X70環(huán)焊縫壓力管道的影響分成兩個(gè)階段，當(dāng)錯(cuò)變量在2 mm以內(nèi)時(shí)，對(duì)管道的承載力不構(gòu)成大的影響；當(dāng)超過2 mm時(shí)，接頭處的應(yīng)力迅速增大。

圖8 X70管道應(yīng)力峰值和錯(cuò)變量的關(guān)系圖

2.4 咬邊對(duì)X70環(huán)縫接頭應(yīng)力集中的影響

咬邊是另外一種常見的焊接缺陷，通常是因?yàn)殡娏鬟^大或者焊接位置不當(dāng)引起的，咬邊的存在會(huì)大大地增加焊接結(jié)構(gòu)失效的風(fēng)險(xiǎn)，而X70石油管道在生產(chǎn)和安裝的過程中，容易產(chǎn)生咬邊缺陷，此外咬邊缺陷還容易成為裂紋源［10］，以往的理論只給出了咬邊缺陷的定性分析。本次分析采用有限元分析在寬度一定而深度不一定的一系列咬邊缺陷對(duì)X70管道應(yīng)力集中的影響。

圖9為咬邊缺陷軸對(duì)稱模型，咬邊寬度為10 mm，深度從0.5～3mm。

圖9 咬邊缺陷模型圖（軸對(duì)稱）

圖10和圖11分別是錯(cuò)變量為2 mm的管道應(yīng)力分布情況，以及X70管道應(yīng)力峰值和咬邊量的關(guān)系。由圖中結(jié)果分析可以看出，在溝槽的尖角處引起較大的應(yīng)力集中， X70管道環(huán)縫咬邊引起的應(yīng)力集中大于環(huán)縫錯(cuò)邊引起的應(yīng)力集中。

圖10 咬邊量為2mm的管道應(yīng)力分布圖（軸對(duì)稱）

圖11 X70管道應(yīng)力峰值和咬邊量的關(guān)系圖

2.5 凹坑對(duì)X70環(huán)縫接頭應(yīng)力集中的影響

在X70管道的運(yùn)輸和安裝過程中，非常容易產(chǎn)生表面凹坑缺陷，如在運(yùn)輸過程中的擦碰、焊接時(shí)候的電弧擦傷等，都會(huì)在鋼管的表面產(chǎn)生凹坑缺陷。通常較大凹坑缺陷產(chǎn)生后，一般采用打磨再加上焊補(bǔ)的方法修復(fù)，而較小的凹坑缺陷由于不好返修，通常不做處理，而凹坑缺陷的存在使其更容易成為裂紋源。筆者以各種不同凹坑的3個(gè)方向（環(huán)向、徑向和深度方向）的尺寸對(duì)引力集中的影響進(jìn)行了研究。

采用solid183單元，單元尺寸為整體0.5mm，局部地區(qū)如凹坑周圍0.2mm，建立三維凹坑模型。模型及網(wǎng)格如圖12所示。

圖12 含凹坑缺陷的管道模型及網(wǎng)格示意圖

圖13為內(nèi)壓管道凹坑應(yīng)力分布圖。由圖13可知，凹坑缺陷處發(fā)生了應(yīng)力集中，凹坑的環(huán)向邊緣應(yīng)力較小，而最大應(yīng)力發(fā)生在凹坑徑向，三維尺寸為8mm/4mm/4mm凹坑處的最大應(yīng)力為293MPa，應(yīng)力集中較大，同上述咬邊和錯(cuò)邊的應(yīng)力集中比較，凹坑缺陷引起的應(yīng)力集中最大。

圖13 內(nèi)壓管道凹坑應(yīng)力分布圖

圖14 內(nèi)壓管道應(yīng)力與凹坑尺寸的關(guān)系

圖14為內(nèi)壓管道應(yīng)力與凹坑尺寸的關(guān)系圖。從圖14中可以看出，應(yīng)力集中系數(shù)隨著凹坑環(huán)向尺寸的增大而減小，隨著凹坑徑向尺寸的增大而增大，隨著凹坑深度的增加而增大。

3 結(jié) 論

筆者采用ANSYS軟件研究了X70管道焊接中的焊縫余高、咬邊、錯(cuò)邊和凹坑等缺陷對(duì)接頭應(yīng)力集中系數(shù)的影響，得到結(jié)論如下：

（1）焊縫余高不影響X70管道接頭靜載強(qiáng)度。

（2）錯(cuò)邊對(duì)X70管道環(huán)縫對(duì)接接頭的承載能力較小，錯(cuò)邊量為2mm以內(nèi)的應(yīng)力集中較小；當(dāng)錯(cuò)邊量超過2mm以后，應(yīng)力集中增大明顯。

（3）咬邊缺陷對(duì)X70管道環(huán)向接頭應(yīng)力集中大于錯(cuò)邊缺陷。

（4）凹坑缺陷三維尺寸對(duì)X70環(huán)縫焊接接頭應(yīng)力集中系數(shù)的影響不同，其中焊縫應(yīng)力集中隨著深度和徑向尺寸的增大而增大，隨著環(huán)向尺寸的增大而減小。

（5）在相同尺寸的所有缺陷中，表面凹坑所引起的應(yīng)力集中系數(shù)最大。在管道的運(yùn)輸和安裝中要特別注意表面的碰傷，特別是長(zhǎng)軸方向即X70管道徑向的凹坑缺陷。

［1］李國成，劉仁桓.壓力容器安全評(píng)定技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：中國石化出版社，2007.

［2］曲文卿，張彥華，張鵬.油氣管道缺陷評(píng)定方法的發(fā)展［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2002,21（07）：3-8.

［3］夏鋒社，淡勇，陳聰.在役油氣輸送管道體積型缺陷安全評(píng)定方法［J］.化工機(jī)械，2011,38（03）：269-272.

［4］王旭東，徐杰，孫冬柏，等.國外油氣管道缺陷評(píng)估方法評(píng)介［J］.機(jī)械工程材料，2009,3（04）：6-9.

［5］夏鋒社，淡勇，陳聰.在役油氣輸送管道體積型缺陷安全評(píng)定方法［J］.化工機(jī)械，2011,38（03）：269-272.

［6］博弈創(chuàng)作室.ANSYS9.0經(jīng)典產(chǎn)品基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解[M].北京：中國水利水電出版社,2006.

［7］陳伯蠡.焊接工程缺欠分析與對(duì)策[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1998.

［8］趙熹華.焊接檢驗(yàn)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

［9］劉明,雷斌隆，徐磊.錯(cuò)邊對(duì)壓力管道焊接接頭應(yīng)力集中影響的研究［J］.管道技術(shù)與設(shè)備，2008（01）：36-38.

［10］徐磊,雷斌隆，劉明.咬邊缺陷對(duì)壓力管道焊接接頭應(yīng)力集中的研究［J］.焊管，2007,30（06）：28-30.