幾種焊接缺陷對X70管道環縫接頭應力集中的影響

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 材料學院，成都610000）

0 前 言

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

1 管道規格及工況

管道規格為φ610mm×7.1mm，管道采用X70管線鋼，其性能參數見表1。管線長度26.33km，設計壓力為4.0MPa，運行壓力2.67MPa。

表1 X70管線鋼性能參數

2 有限元計算

2.1 純內壓無缺陷X70管道應力分析

由彈性力學以及管道的工況可知，管道在設計壓力為4MPa下工作，環向應力

式中：p—管道設計壓力，MPa；

D—管道外徑，mm；

B—管道壁厚，mm。

σ=175.8 MPa即為管道應力解析解。建立管道模型，取管道長度為0.6m。鑒于B/D=0.011，屬于薄壁容器而且屬于軸對稱，采用了ANSYS單元庫中的plane183單元[5]，同時打開單元成軸承選項，進行網格劃分，單元數為1 000個，網格劃分模型如圖1所示。

圖1 內壓情況下X70管道網格劃分模型（軸對稱）

當管道內壓達到4.0MPa的設計壓力時，管道的應力分布如圖2所示。從圖2中可以看出，管道內表面的應力為179MPa，外表面的應力達到172MPa，根據公式計算膜應力為

由此可知，有限元解和解析解吻合地非常好，這也從側面進一步證實了軸對稱模型建立的正確性。

圖2 無缺陷X70管道內壓后的應力分布圖（整體）

2.2 焊縫余高對X70環縫接頭應力集中的影響

在X70管道焊接過程中，由于焊接工藝參數的變化，焊縫形狀將發生變化，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。經典理論認為焊縫余高將增加焊接結構的不連續性，增大焊縫的應力集中。筆者利用軸對稱模型研究在相同的焊縫寬度、不同焊縫余高情況下X70管道的應力集中系數。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時管道應力集中情況。由圖4可知，在焊接接頭處，由于焊縫余高的影響，內壓管體的應力分布發生了變化，焊縫余高不但沒有產生應力集中，反而降低了焊接接頭部分的應力峰值，由175MPa降低到157MPa，應力的最大值分布在管道的內壁。原因是焊縫的余高增大了承載面積，因此焊縫余高對于承受靜載的焊接接頭是有利的。

圖5為焊縫余高對受內壓管體應力集中的影響。由圖5可知，在沒有焊接缺陷的情況下，焊縫余高增強了內壓管體的承載能力，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，峰值應力減小。值得注意的是，本次計算的模型是建立在焊縫余高與母材圓滑過渡的情況下，在實際生產中，過大的余高往往會導致其他焊接缺陷，而且也浪費焊接材料。總而言之，焊縫余高對焊接接頭的承載能力的影響不大，在可接受的范圍內對于承受靜載的X70管道焊接接頭，不需要將余高打磨掉，這也與文獻［7-8］中的結論吻合。

圖4 焊縫余高為1.5mm時管道應力分布圖 （軸對稱）

圖5 焊縫余高對受內壓管體應力集中的影響

2.3 錯邊對X70環縫接頭應力集中的影響

錯邊是常見的焊縫外部缺陷之一，錯邊缺陷使結構的外形尺寸發生突變造成形狀不連續。在錯邊處引起較強的應力集中和彎曲應力，會明顯降低焊接接頭的強度和韌性。在焊接結構承載動載荷的情況下，錯邊還會引起裂紋的產生，導致結構的疲勞破壞。目前針對焊接缺陷對焊接接頭應力集中及焊接結構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X70管道環縫出現的不同尺寸的錯邊缺陷對管道應力集中程度的影響進行研究，從而詳細分析錯邊對X70管道環縫焊接接頭應力集中的影響。

有限元模型取軸對稱模型，錯邊量0.5～4mm，細化接頭處的網格尺寸為0.2 mm，使其能反映錯邊處的應力集中。錯邊量有限元模型如圖6所示。

圖6 錯邊量從0.5～4mm的有限元模型（軸對稱）

圖7為錯變量為2 mm的管道應力分布圖。由圖7可知，錯邊處產生了應力集中，總體來說錯邊量越大，焊縫處的應力越大，這是因為錯邊的存在減小了焊縫的承載面積。

圖7 錯邊量為2mm時管道應力分布圖（整體）

圖8為X70管道應力峰值和錯變量的關系圖。由圖8可以發現，對X70環焊縫壓力管道的影響分成兩個階段，當錯變量在2 mm以內時，對管道的承載力不構成大的影響；當超過2 mm時，接頭處的應力迅速增大。

圖8 X70管道應力峰值和錯變量的關系圖

2.4 咬邊對X70環縫接頭應力集中的影響

咬邊是另外一種常見的焊接缺陷，通常是因為電流過大或者焊接位置不當引起的，咬邊的存在會大大地增加焊接結構失效的風險，而X70石油管道在生產和安裝的過程中，容易產生咬邊缺陷，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X70管道應力集中的影響。

圖9為咬邊缺陷軸對稱模型，咬邊寬度為10 mm，深度從0.5～3mm。

圖9 咬邊缺陷模型圖（軸對稱）

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

圖10 咬邊量為2mm的管道應力分布圖（軸對稱）

圖11 X70管道應力峰值和咬邊量的關系圖

2.5 凹坑對X70環縫接頭應力集中的影響

在X70管道的運輸和安裝過程中，非常容易產生表面凹坑缺陷，如在運輸過程中的擦碰、焊接時候的電弧擦傷等，都會在鋼管的表面產生凹坑缺陷。通常較大凹坑缺陷產生后，一般采用打磨再加上焊補的方法修復，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個方向（環向、徑向和深度方向）的尺寸對引力集中的影響進行了研究。

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

圖12 含凹坑缺陷的管道模型及網格示意圖

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

圖13 內壓管道凹坑應力分布圖

圖14 內壓管道應力與凹坑尺寸的關系

圖14為內壓管道應力與凹坑尺寸的關系圖。從圖14中可以看出，應力集中系數隨著凹坑環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 論

筆者采用ANSYS軟件研究了X70管道焊接中的焊縫余高、咬邊、錯邊和凹坑等缺陷對接頭應力集中系數的影響，得到結論如下：

（1）焊縫余高不影響X70管道接頭靜載強度。

（2）錯邊對X70管道環縫對接接頭的承載能力較小，錯邊量為2mm以內的應力集中較小；當錯邊量超過2mm以后，應力集中增大明顯。

（3）咬邊缺陷對X70管道環向接頭應力集中大于錯邊缺陷。

（4）凹坑缺陷三維尺寸對X70環縫焊接接頭應力集中系數的影響不同，其中焊縫應力集中隨著深度和徑向尺寸的增大而增大，隨著環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力集中系數最大。在管道的運輸和安裝中要特別注意表面的碰傷，特別是長軸方向即X70管道徑向的凹坑缺陷。

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