管線鋼管承壓時焊接接頭的應(yīng)力分布研究

肖旻堃

（上海交通大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海200240）

管線鋼管承壓時焊接接頭的應(yīng)力分布研究

肖旻堃

（上海交通大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海200240）

為了掌握管線鋼管承壓時焊接接頭的應(yīng)力分布情況，采用ANSYS有限元數(shù)值模擬軟件建立了直縫雙面埋弧焊管二維平面模型及三維立體模型，分析了鋼管內(nèi)部承壓時焊接接頭的應(yīng)力分布，結(jié)果表明：鋼管焊接接頭等效應(yīng)力的峰值出現(xiàn)在熱影響區(qū)；三維模型的應(yīng)力值大于二維模型，且隨內(nèi)壓的增加而增大,并向焊縫處靠近。焊縫的幾何尺寸對鋼管承壓能力也有顯著的影響，適當(dāng)?shù)膬?nèi)外焊縫熔寬和熔深能夠提高鋼管的承壓能力。

直縫埋弧焊管；熱影響區(qū)；應(yīng)力；ANSYS軟件

隨著我國空氣質(zhì)量的變化和節(jié)能減排要求的提高，對天然氣等清潔能源的需求越來越大。為了提高天然氣的輸送效率，降低管線建設(shè)和運(yùn)營成本，管線輸送開始向大直徑、高壓輸送方向發(fā)展[1-3]。目前在我國的管線建設(shè)中，X80已成為長輸管線首選鋼級。科研院所正積極開展X90/X100鋼的開發(fā)應(yīng)用研究[4-5]。大直徑管線鋼管均采用焊管，焊接接頭是鋼管性能最薄弱的區(qū)域，特別是熱影響區(qū)一直是管線鋼管研究的重點。在高壓天然氣輸送時，鋼管在內(nèi)壓作用下由于焊接接頭熔敷金屬余高的存在以及焊接熱作用使焊縫金屬、熱影響區(qū)及管體母材的性能出現(xiàn)差異，最終導(dǎo)致應(yīng)力集中出現(xiàn)在焊接接頭處[6]，這不僅降低鋼管的承載能力，還可能導(dǎo)致疲勞、應(yīng)力腐蝕等裂紋的萌生，而顯著影響管線的運(yùn)行安全。隨管線鋼級的提高和鋼管壁厚的增加，鋼管焊接熱輸入也顯著增加，焊接工藝不僅影響焊縫的幾何尺寸，還導(dǎo)致熱影響區(qū)強(qiáng)度降低[7]，這對焊縫的性能影響更大[8]。因此研究鋼管焊接接頭的應(yīng)力分布，分析焊縫尺寸對承載能力的影響對管線運(yùn)營安全十分必要。

本研究模擬分析了X90鋼管實際鋼管承載時焊接接頭的應(yīng)力分布，并分析了焊縫幾何尺寸對承載能力的影響，該工作對X90鋼管的開發(fā)應(yīng)用具有重要的參考價值。

1 焊接接頭的性能

圖1所示為某鋼管廠生產(chǎn)的Φ1 219 mm，壁厚為22 mm的X90鋼管焊接接頭的截面宏觀形貌。焊接接頭可分為熔敷金屬（WM）、熱影響區(qū)（HAZ）及母材（BM）三個區(qū)域。內(nèi)外焊熔敷金屬的幾何尺寸（熔寬B、熔深H）因焊接工藝參數(shù)的差異略有不同，內(nèi)外焊熔寬（B1和B2）相差不大，內(nèi)焊熔深（H2）較淺， 而外焊熔深（H1）較深。

圖1 焊縫的幾何形貌

鋼管實際性能檢測時，焊縫橫向拉伸時，即使在去除余高的條件下斷裂主要發(fā)生在熱影響區(qū)，說明熱影響區(qū)強(qiáng)度明顯降低。由圖1可見，熱影響區(qū)區(qū)域很小，很難測定其性能。根據(jù)鋼管熱影響區(qū)硬度的測試結(jié)果，確定焊縫硬度最低區(qū)域，采用Gleeble-3500型熱模擬試驗機(jī)，獲得與實際焊接工藝相似的熱影響區(qū)試樣，測定其拉伸性能，如圖2所示。可見熱影響區(qū)的強(qiáng)度顯著降低，其屈服強(qiáng)度僅相當(dāng)于母材的0.8，這種將顯著影響鋼管在內(nèi)壓作用下焊接接頭應(yīng)力分布。

圖2 熱影響區(qū)及母材應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2 有限元模型建立

根據(jù)直徑為Φ1 219 mm，壁厚為22 mm的X90鋼管及焊縫的幾何尺寸，采用ANSYS有限元分析軟件建立一個鋼管的二維及三維模型，該模型網(wǎng)格劃分如圖3所示。在鋼管的實際焊接時，通常采用的外焊熱輸入大于內(nèi)焊的熱輸入，故采用外焊縫幾何尺寸大于內(nèi)焊縫設(shè)計。為簡化模型，影響區(qū)僅按最低強(qiáng)度計算，并進(jìn)行以下假設(shè)：①焊接接頭無限長；②假設(shè)各個位置泊松比相同；③忽略殘余應(yīng)力對焊接接頭的影響；④同一區(qū)域內(nèi)材料屬性均勻。

圖3 鋼管的網(wǎng)格劃分

二維模型基于平面應(yīng)力設(shè)計理論[9]，考慮管道對稱性，選取管道的二分之一建模，利用二維平面彈塑性分析單元plane182以映射網(wǎng)格劃分方式對幾何模型進(jìn)行劃分。為提高計算精度和節(jié)省計算時間，焊縫及熱影響區(qū)處網(wǎng)格單元尺寸最小，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域母材采用比較稀疏的網(wǎng)格密度，如圖3（a）所示。對三維模型，李紅克等人[10]管道模擬研究結(jié)果表明對于無裂紋及缺陷的管道，管道的長度對模擬結(jié)果無影響，僅取管道一段進(jìn)行模擬。建模時仍取管道的二分之一進(jìn)行，鋼管采用Solid186單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分（如圖3（b）所示）。

載荷按內(nèi)部輸氣以內(nèi)部壓力施加，內(nèi)表面壓力載荷通過有限元網(wǎng)格傳遞作用，對管體整體進(jìn)行加載。鋼管母材及熱影響區(qū)處受力后的變形按應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行計算，當(dāng)某位置的應(yīng)力超過屈服點時，按應(yīng)力-應(yīng)變塑性加工硬化計算。對焊縫熔敷金屬，考慮其余高的作用，采用母材1.4倍的屈服應(yīng)力計算。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 二維模型模擬結(jié)果

圖4給出了管道輸送壓力為10 MPa以及20 MPa時的等效應(yīng)力分布云圖。由圖4可見，在焊縫金屬與熱影響區(qū)的交界處，形成應(yīng)力集中，其最大應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)焊縫的熱影響區(qū)處。隨內(nèi)壓的增大，最大應(yīng)力值也明顯增大。

圖4 鋼管不同內(nèi)壓作用下的應(yīng)力分布云圖

為了清晰的看出應(yīng)力沿焊縫的分布情況，在圖5中給出了內(nèi)外焊縫處的最大等效應(yīng)力的分布。當(dāng)管道輸送壓力為10 MPa時，內(nèi)外焊縫處的應(yīng)力的最大應(yīng)力相差不大。外焊縫的最大應(yīng)力為314 MPa；而內(nèi)焊縫最大應(yīng)力為323 MPa。鋼管總體處于彈性變形階段，焊縫內(nèi)外表面處的應(yīng)力沿焊縫橫截面分布呈連續(xù)分布狀態(tài)。

圖5 焊縫處的應(yīng)力分布

當(dāng)輸送壓力達(dá)到20 MPa時，鋼管的總體應(yīng)力顯著增大，最大應(yīng)力仍出現(xiàn)在內(nèi)焊縫的熱影響區(qū)處，且內(nèi)外焊縫最大應(yīng)力差增大。外焊縫處的最大應(yīng)力達(dá)到553.96 MPa，而內(nèi)焊縫處的最大值達(dá)到580.03 MPa。應(yīng)力沿焊縫橫截面呈現(xiàn)雙峰，分別出現(xiàn)在焊縫與熱影響區(qū)及熱影響區(qū)與母材的交界處，且最大應(yīng)力向焊縫處靠近。由最大應(yīng)力可見，熱影響區(qū)局部的應(yīng)力大于其屈服強(qiáng)度，熱影響區(qū)發(fā)生塑性變形，而焊縫及母材仍處于彈性變形階段，塑性變形集中在熱影響區(qū)而導(dǎo)致出現(xiàn)兩個應(yīng)力峰。另外，在不同的內(nèi)壓條件下，焊縫處最大應(yīng)力與管體的應(yīng)力相差約80～100 MPa，即應(yīng)力集中將顯著降低鋼管承受內(nèi)壓的能力。

3.2 三維模型模擬結(jié)果

圖6 鋼管不同內(nèi)壓作用下的應(yīng)力分布三維云圖

圖6給出了與二維模型相同條件下管道三維模擬的應(yīng)力分布云圖。由圖6可見，三維模型計算的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)的位置與二維模型相差不大，均出現(xiàn)在內(nèi)外焊縫與熱影響區(qū)交界處，且內(nèi)焊縫的最大等效應(yīng)力大于外焊縫處最大等效應(yīng)力。

為了更清晰三維模型最大等效應(yīng)力在焊縫處的應(yīng)力分布，圖7分別給出了內(nèi)外焊縫處應(yīng)力的分布，同時為對比三維模型和二維模型的差異，同時給出了二維模型的結(jié)果。由圖7可見，三維模型應(yīng)力分布與二維網(wǎng)絡(luò)模型基本相同，但在相同的內(nèi)壓條件下，等效應(yīng)力值升高，且最大等效應(yīng)力向焊縫處靠近。另外隨內(nèi)壓增加，兩者的差值會變大。對外焊縫，在內(nèi)壓為10 MPa時，等效應(yīng)力由314.43 MPa增加到328.01 MPa；當(dāng)內(nèi)壓為20 MPa時，則由553.86 MPa增加到597.71 MPa。對內(nèi)焊縫，在內(nèi)壓為10 MPa時，等效應(yīng)力由323.18 MPa增加到344.61 MPa；當(dāng)內(nèi)壓為20 MPa時，則由580.03 MPa增加到620.45 MPa。

圖7 二維及三維模型內(nèi)外焊縫處應(yīng)力分布對比

3.3 焊縫幾何尺寸對鋼管承壓能力的影響

由上述二維及三維分析結(jié)果可見，在鋼管承受內(nèi)壓時，最大應(yīng)力集中在焊縫金屬及熱影響區(qū)的交界處，在相同的內(nèi)壓條件下，最大應(yīng)力與管體平均應(yīng)力相差可達(dá)90 MPa左右。但焊縫的幾何尺寸對焊縫的應(yīng)力集中程度有一定的影響[9]。對比兩種模型的分析結(jié)果，三維模型應(yīng)力大于二維模型，三維模型能更好的反映鋼管的實際情況，因此本研究采用三維模型分析了焊縫幾何尺寸對鋼管承壓能力的影響。承壓壓力的判據(jù)為焊縫處最大等效應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度，結(jié)果如圖8所示。由圖8（a）可見，當(dāng)內(nèi)外焊熔深（外焊熔深H1=15 mm、內(nèi)焊溶深H2=12 mm）一定時，內(nèi)外焊縫的熔寬對承載壓力有很大的影響。當(dāng)內(nèi)焊縫的熔寬較小或較大時，鋼管的承載壓力較低，且隨外焊縫熔寬的增大，承載壓力降低。當(dāng)外焊熔寬B1=16 mm時，隨內(nèi)焊縫熔寬的增大，在內(nèi)焊縫寬度B2=18 mm時，承載壓力最大。當(dāng)外焊縫B1≥18 mm時，隨內(nèi)焊縫寬度的增加，在內(nèi)焊縫寬度B2=20 mm時，承載能力最大，且隨外焊縫寬度的增加，承載壓力略有降低。可見，適當(dāng)?shù)膬?nèi)外焊縫寬度可提高鋼管的承載能力，且內(nèi)焊縫寬度略大于外焊縫寬度時，鋼管的承載能力最大。

圖8（b）為內(nèi)外焊縫熔寬一定時熔深對承載壓力的影響。可見外焊縫熔深對承載壓力影響不大，而隨內(nèi)焊縫熔深的增加，鋼管的承載壓力略有增大，且隨外焊縫熔深的減小，增加幅度略有增大，即增大內(nèi)焊縫熔深對提高鋼管的承載壓力是有利的。

圖8 焊縫幾何尺寸對管內(nèi)最大承載壓力的影響

焊縫的幾何尺寸與焊接工藝參數(shù)有關(guān)。焊接電流的增加使熔深增加，而焊接電壓的增加使熔寬增加。由上述結(jié)果看，內(nèi)焊的熔深和熔寬略大于外焊時，有利于提高鋼管的承載能力。這要求在實際焊接時，需要內(nèi)焊熱輸入量略大于外焊熱輸入量。減小外焊熱輸入量還可降低焊接熱循環(huán)對熱影響區(qū)性能惡化的影響，對提高鋼管的質(zhì)量是有利的。這還需要更深入的理論和試驗研究。

4 結(jié) 論

（1）鋼管內(nèi)部承受壓力作用時，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在熱影響區(qū)處，且隨壓力增加，最大等效應(yīng)力向焊縫處靠近。最大等效應(yīng)力與管體相比增加90 MPa左右。

（2）鋼管的三維模型與二維模型相比，等效應(yīng)力沿焊縫分布規(guī)律相似，但其等效應(yīng)力均有所增大，且隨壓力增大，增加幅度也相應(yīng)增大。

（3）焊縫金屬的幾何尺寸對鋼管的最大承載壓力有一定的影響，且熔寬對承載能力影響大于熔深。在適當(dāng)?shù)娜蹖挆l件下，內(nèi)焊縫的熔寬和熔深略大于外焊縫時，鋼管的承載壓力最大。

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Research on the Stress Distribution of Welded Joint of Line Pipe under Internal Pressure

XIAO Minkun
（School of Mechanical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China）

In order to grasp the stress distribution of line pipe welded joint under pressure-bearing,two-dimension model and three-dimensional model of double sides longitudinal submerged arc welded pipe were constructed by ANSYS finite element simulating software,and the stress distribution of welded joint of welded pipe under internal pressure was analyzed.The results showed that the equivalent stress peak appears in the heat affected zone.The value of equivalent stress calculated by three-dimensional model is greater than that of two-dimensional model,and the difference value increases with the increase of internal pressure,meanwhile,the equivalent stress moves to weld metal.The weld geometry sizes have great effect on the pressure-bearing capacity of the welded pipe.The opportune size of weld width and weld penetration of the inside and outside weld will improve the pressure-bearing capacity of the welded pipe.

longitudinal submerged arc welded pipe;heat affected zone;stress;ANSYS software

TE973.1

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.01.003

致謝：感謝燕山大學(xué)過程裝備及控制專業(yè)劉雨萌碩士研究生在應(yīng)力計算方面的協(xié)助和指導(dǎo)；感謝巨龍鋼管有限公司陳小偉博士提供管線鋼和焊縫試樣以及相關(guān)背景數(shù)據(jù)及資料。

肖旻堃（1995—），男，上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，在讀本科生。

2015-10-20

羅 剛