管道冷裂紋試驗(yàn)方法—TRC試驗(yàn)研究

肖 健，郭曉疆，蘆文發(fā)

(中國石油天然氣管道科學(xué)研究院，河北 廊坊，065000)

管道冷裂紋試驗(yàn)方法—TRC試驗(yàn)研究

肖 健，郭曉疆，蘆文發(fā)

(中國石油天然氣管道科學(xué)研究院，河北 廊坊，065000)

通過對TRC(tensile restraint cracking)試驗(yàn)進(jìn)行探索，對利用這種簡便、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)的小型試驗(yàn)方法研究管道環(huán)焊縫冷裂紋敏感性及指導(dǎo)生產(chǎn)中的成功應(yīng)用將起到重要作用。試樣采用管徑325mm的管圈進(jìn)行有限元計算拘束度值，發(fā)現(xiàn)焊縫各點(diǎn)的拘束度分布較為均勻，雖然拘束的大小上下有波動，大約在3點(diǎn)鐘方向和9點(diǎn)鐘方向稍有偏差，與實(shí)際管道拘束度相差不多。為驗(yàn)證模擬計算的拘束度的可靠性，進(jìn)行實(shí)際焊接試驗(yàn)，焊后測量值與模擬值在可控范圍內(nèi)，無裂紋，該試驗(yàn)可以應(yīng)用于管道生產(chǎn)中。

鋼管；焊接接頭；TRC；管道；有限元模擬

在管道工程中，焊接接頭是整個管道系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。冷裂紋是管道接頭中最為常見、危害性最大的一類缺陷。在焊接熱循環(huán)作用下，焊縫及熱影響區(qū)由于組織、性能發(fā)生變化，加之受殘余應(yīng)力的作用以及擴(kuò)散氫的影響，可能導(dǎo)致氫致裂紋的產(chǎn)生。隨著管道強(qiáng)度級別的提高，環(huán)焊接施工中冷裂紋的問題越來越突出，嚴(yán)重威脅著管道的安全運(yùn)行，是焊接工程中危害最大但必須避免的嚴(yán)重缺陷。

TRC(tensile restraint cracking)試驗(yàn)是一種外加載荷試驗(yàn)，用于檢驗(yàn)焊接構(gòu)件的冷裂紋敏感性。其檢驗(yàn)原理是對焊接構(gòu)件施加一定的總恒定載荷，以評定焊縫的冷裂紋性能。試驗(yàn)時，對接試板在不加拉力的狀態(tài)下進(jìn)行施焊，焊后立即從兩端施加拉伸力，并加以調(diào)整，使之可以保持任意的恒應(yīng)力，直到斷裂，當(dāng)恒應(yīng)力達(dá)到某一值時，可以求得加載24h而不發(fā)生開裂的臨界應(yīng)力，根據(jù)臨界應(yīng)力的大小，評定冷裂紋敏感性。

該試驗(yàn)主要考慮了垂直于焊道作用的拉伸拘束應(yīng)力對于冷裂紋有很大影響。由于自拘束試樣中的這種應(yīng)力在試驗(yàn)過程中不能自由地加以調(diào)整改變，因此設(shè)計了這一試驗(yàn)方法。

1 試驗(yàn)方法及其材料

1.1 TRC試驗(yàn)裝置及步驟

TRC試驗(yàn)裝置示意如圖1所示，試樣如圖2所示。

圖1 TRC試驗(yàn)裝置示意圖

圖2 TRC試樣示意圖

由于受試驗(yàn)條件即加載裝置的限制，本試驗(yàn)不采用圖2所示的尺寸標(biāo)準(zhǔn)，而采用管徑325mm的X80鋼管進(jìn)行對焊，并且對接坡口形式與實(shí)際工程中保持一致，通過加載一定的力測定其拘束程度，而不是直接拉斷記錄時間。在試驗(yàn)及模擬過程中均采用了此種改進(jìn)。

本試驗(yàn)分為3個步驟：

(1)針對管道對焊建立有限元模型，進(jìn)行焊接過程模擬并計算其管道焊縫拘束度的變化。

使用模擬軟件ABAQUS有限元程序系統(tǒng)對固體和結(jié)構(gòu)的力學(xué)問題進(jìn)行數(shù)值計算分析。本試驗(yàn)將其用于材料的計算機(jī)模擬及其前后處理。ABAQUS有眾多的分析模塊，本試驗(yàn)使用的模塊主要是ABAQUS/CAE及Viewer，前者用于建模及相應(yīng)的前處理，后者用于對結(jié)果進(jìn)行分析及處理。

(2)采用與有限元模擬的管道相同的參數(shù)進(jìn)行實(shí)際焊接，測量其拘束度。

本試驗(yàn)采用管徑325mm的兩段短管對接焊接，試樣焊接完畢后，需要在鋼管兩端分別焊接1塊鋼板，以方便夾持。肋板是為了加固，防止焊縫強(qiáng)度不夠而開裂。然后，沿焊縫劃分標(biāo)記點(diǎn)，0點(diǎn)鐘、3點(diǎn)鐘、6點(diǎn)鐘、9點(diǎn)鐘，將這4個點(diǎn)作為拉伸時的測量點(diǎn)。將試樣夾持在試驗(yàn)機(jī)上，引伸計依次放在0點(diǎn)鐘、3點(diǎn)鐘、6點(diǎn)鐘、9點(diǎn)鐘4個點(diǎn)上，重復(fù)拉伸4次，最大拉伸力要小于材料屈服強(qiáng)度。測控系統(tǒng)會記錄拉力和位移大小，并將試驗(yàn)曲線和試驗(yàn)結(jié)果顯示在微機(jī)屏幕上。圖3為0點(diǎn)鐘顯示在微機(jī)屏幕上的拉伸曲線和拉伸數(shù)據(jù)。

(3)誤差分析，進(jìn)行可行性討論。

圖3 0點(diǎn)位置拉伸曲線及拉伸數(shù)據(jù)

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為長度150mm，規(guī)格φ325mm×15mm X80管線鋼管。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用設(shè)備為微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī),型號SHT5206-P，最大試驗(yàn)力高達(dá)2 000kN(如圖4所示)。

圖4 微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)

X80鋼管對接焊采用一道打底焊，所用焊接方法、焊條同平板對接，焊接工藝參數(shù)見表1。

表1 X80管線鋼管對接焊接工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

2.1 管道對接拉伸試驗(yàn)有限元分析

根據(jù)拘束度測定的定義，將兩管對接焊接后進(jìn)行整個鋼管的拉伸，拉伸過程中一邊固定，另一邊進(jìn)行拉伸，為了使鋼管受力均勻，可以加載均勻面載荷進(jìn)行模擬實(shí)際拉伸過程，測定焊縫的位移，從而求得拘束度。

X80管線鋼管對接幾何模型如圖5所示。模型尺寸、坡口形式等都與實(shí)際測量時的條件一致。模擬過程與模擬平板對接時相似，在此不再贅述。

圖6為鋼管模擬的網(wǎng)格劃分模型。完成網(wǎng)格劃分后，給鋼管賦予材料屬性，確定邊界條件，加載焊接熱源，進(jìn)行空冷至室溫后給鋼管加載25MPa的平均面載荷。焊接過程溫度場示意圖如圖7所示，焊接完成后進(jìn)行拉伸，拉伸完成后可以得到由拉伸產(chǎn)生的位移量如圖8所示。

圖5 鋼管對接幾何模型

圖6 鋼管對接網(wǎng)格劃分模型

圖7 焊接過程溫度場示意

圖8 拉伸產(chǎn)生的位移量

從起焊位置出發(fā)沿焊縫取一系列的點(diǎn)，導(dǎo)出這些點(diǎn)的橫向位移量，即可計算出其拘束度值，計算結(jié)果見表2。

將每個點(diǎn)的拘束度值表示在圖9中，觀察拘束度的分布情況可知，各點(diǎn)的拘束度分布較為均勻，雖然拘束的大小上下有波動，大約在3點(diǎn)鐘方向和9點(diǎn)鐘方向稍有偏差，但是相差不大。

表2 鋼管TRC試驗(yàn)?zāi)M試樣的拘束度

圖9 拘束度沿管道環(huán)焊縫的分布

2.2 實(shí)際焊接

試樣焊接完畢后，需要在鋼管兩端分別焊接1塊鋼板，以方便夾持，肋板是為了加固，防止焊縫強(qiáng)度不夠而開裂，如圖10所示。沿焊縫劃分標(biāo)記點(diǎn)，0點(diǎn)鐘、3點(diǎn)鐘、6點(diǎn)鐘、9點(diǎn)鐘，將這4個點(diǎn)作為拉伸時的測量點(diǎn)。

圖10 鋼管的TRC試件及測試過程

將試樣夾持在試驗(yàn)機(jī)上，引伸計依次放在0點(diǎn)鐘、3點(diǎn)鐘、6點(diǎn)鐘、9點(diǎn)鐘4個點(diǎn)上，重復(fù)拉伸4次，最大拉伸力要小于材料屈服強(qiáng)度。測控系統(tǒng)會記錄拉力和位移大小，并將試驗(yàn)曲線和試驗(yàn)結(jié)果顯示在微機(jī)屏幕上。圖3即為0點(diǎn)鐘顯示在微機(jī)屏幕上的拉伸曲線和拉伸數(shù)據(jù)。

X80管線鋼管對接實(shí)測數(shù)據(jù)見表3，拘束度平均實(shí)測值為9 791MPa。

表3 X80管線鋼管對接焊縫拘束度實(shí)測值

2.3 分析比對

表4給出了各點(diǎn)實(shí)際測量拘束度與有限元模擬結(jié)果的對比，其最大誤差為7.4％。

表4 實(shí)測值與模擬分析值的對比

從表4可以看出，所使用的這種改進(jìn)，TRC試驗(yàn)針對管道環(huán)焊縫進(jìn)行冷裂紋敏感性評價是可行的。

3 結(jié) 論

(1)根據(jù)對管道對焊進(jìn)行有限元模擬計算，可以發(fā)現(xiàn)焊縫各點(diǎn)的拘束度分布較為均勻，大約在3點(diǎn)鐘方向和9點(diǎn)鐘方向稍有偏差，但是相差不大，基本在9 500MPa左右。

(2)有限元模擬拘束度值與實(shí)際焊接測量的拘束度的最大誤差為7.4％，在可控范圍內(nèi)，模擬數(shù)值與實(shí)際管道拘束度相符。

(3)改進(jìn)的TRC拉伸試驗(yàn)可以針對小管徑的管圈進(jìn)行冷裂紋敏感性評價。

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Experimental Exploration on TRC-a Test Method of Cold Crack in Pipes

XIAO Jian,GUO Xiaojiang,LU Wenfa
(Pipeline Research Institute of CNPC,Langfang 065000,Hebei,China)

This paper carried out exploration on the TRC test(tensile restraint cracking test).And the exploration results will play an important role in utilizing this simple,practical,economic and small-scale test method to study the susceptibility of circumferential weld cold cracking of pipes and guiding its successful applications in production.Tube coil with a diameter of 325mm was adopted in the calculation.Restraint intensity values of the tube were obtained using finite element calculation method.It is found that the distribution of restraint intensity values along the weld joint is even.Although calculated restraint intensity values fluctuate in amplitude and there is slight deviation at three o，clock and nine o，clock directions,they are almost the same as actual values of pipes.In order to verify the reliability of the simulated restraint intensity,actual welding actions were carried out.The measured values and simulation values after welding are in a controllable range and there is no crack.Therefore,the test can be applied in the pipeline production.

steel pipe;welded joint;TRC；pipeline；finite element modelling

TE973.6

A

1001-3938(2015)01-0042-05

肖 健(1988—)，男，碩士，助理工程師，主要研究方向?yàn)楣芫€鋼焊接工藝及材料性能。

2014-07-30

李紅麗

《中國焊管50年》征訂啟事

由中國金屬學(xué)會軋鋼學(xué)會第五屆焊管學(xué)術(shù)委員會組織編撰,《焊管》期刊社負(fù)責(zé)資料收集、整理、編輯,中國工程院李鶴林院士擔(dān)任主編，焊管制管企業(yè)和相關(guān)科研院所50余位學(xué)者、專家共同參與編寫的大型歷史文獻(xiàn)《中國焊管50年》，發(fā)行以來，受到廣大讀者的廣泛好評。《中國焊管50年》充分展現(xiàn)了50年來中國焊管工業(yè)的發(fā)展歷程及所取得的輝煌成就；真實(shí)記載了我國焊管產(chǎn)品、工藝、設(shè)備、材料、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量檢測及控制技術(shù)的設(shè)計、制造、應(yīng)用的發(fā)展過程；客觀反映了我國焊管行業(yè)的現(xiàn)狀；科學(xué)分析了未來我國及國際焊管工業(yè)的發(fā)展趨勢。它既是一部我國焊管工業(yè)的發(fā)展史，同是又是一部焊管行業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的現(xiàn)行教科書。《中國焊管50年》共分7篇，41章，約100萬字。第1篇：中國焊管工業(yè)發(fā)展史；第2篇：焊管制造技術(shù)與裝備；第3篇：用管品種及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；第4篇：重大科研項(xiàng)目；第5篇：行業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研討；第6篇：主要焊管生產(chǎn)企業(yè)、科研院所、設(shè)備制造企業(yè)及行業(yè)學(xué)會、期刊簡介；第7篇：附錄。

《中國焊管50年》由陜西科技出版社出版，大16開本，全書542頁，定價200元(含郵資)。可直接與《焊管》期刊社聯(lián)系訂購。

聯(lián)系人：謝淑霞 聯(lián)系電話：0917-3398448