一種高壓油管焊接質量評價方法

吳 煥，趙潤生

（中認英泰檢測技術有限公司，蘇州 215104）

一種高壓油管焊接質量評價方法

吳 煥，趙潤生

（中認英泰檢測技術有限公司，蘇州 215104）

闡述了高壓油管疲勞破壞的原理及危害，建立高壓油管焊接質量評價力學模型，通過有限元分析技術對其許用位移輸入進行計算，并結合應變測量技術，利用電動振動臺，對高壓油管焊接處的疲勞特性進行了試驗驗證。結果表明，此高壓油管焊接質量評價方法是可行的，有限元分析技術和應變測量技術的結合使用，保證了試驗的安全性和結果準確性，此外，利用電動振動臺進行疲勞耐久試驗，操作方便簡單，成本相對較低，具有通用性。

高壓油管；焊接；振動臺；疲勞破壞

引言

隨著經濟技術的發展，高壓油管道在汽車、石油、冶金、機械、建筑等工業系統有著廣泛應用，承擔著輸送高壓油的任務。高壓油管的安全可靠性是使用者最關心的問題。若高壓油管發生泄露和破壞，可能會導致危險油液的大量泄露，而引起燃燒爆炸等危險，造成較大的經濟損失和環境污染。

高壓油管是高壓油路的組成部分，要求油管需要承受一定的油壓而且有一定的疲勞強度，保證管路的密封要求，如車用高壓油管主要出現在高壓噴射柴油機和高壓噴射直噴汽油機中，要求其能承受發動機運轉過程中所需的油壓并且保證管路的密封性[1]。

高壓油管的失效大多是振動引起的疲勞失效，很多情況下是由于自身的承載能力和抗疲勞能力不足而引起的。高壓油管接頭處異常振動，導致漏油事故，是比較危險和嚴重的問題。長距離的高壓油管運輸不可避免的需要對高壓油管進行焊接，因此，保證高壓油管自身和焊接后的質量水平至關重要。

1 高壓油管的疲勞失效

高壓油管在實際工程應用中，受溫度、壓力、振動等的影響，時刻承受著交變應力，如圖1所示為對稱循環交變應力，這種交變應力的應力幅σa往往均低于油管的屈服極限，但常年累積，循環次數不斷增多，如果這種交變應力的應力幅大于材料的疲勞極限σ-1（如圖2所示），那么在交變應力作用下，微裂紋不斷萌生、集結、溝通，形成宏觀裂紋，材料就無法達到無限循環次數N，導致疲勞失效而突然斷裂。這種應力也會引起油管自身的突然破壞，以及焊接、接頭部位的突然失效，且斷裂前無明顯的塑性變形。這就是高壓油管的疲勞失效[2]。

從微觀角度來看，交變應力首先引起材料的原子晶格位錯運動，然后位錯運動聚集導致微裂紋的產生，微裂紋沿著結晶學方向擴展形成滑移帶，從而貫通形成宏觀裂紋，該宏觀裂紋逐漸沿著垂直于最大拉應力的方向擴展，其兩個側面在交變應力的作用下，經過反復擠壓、分開，逐漸形成斷口光滑區，最終導致油管突然斷裂，形成斷口顆粒區域。

高壓油管在交變應力的作用下發生疲勞失效，主要有如下幾個特征：

1）破壞時的名義應力值往往低于油管在靜載作用下的屈服應力；

2）油管在交變應力作用下發生破壞需要經歷一定數量的應力循環；

2 高壓油管力學分析

本文研究的高壓油管采用優質鋼制成，根據其焊接工藝，結合材料的S-N特性曲線，設計規定當需要滿足應力循環次數1 000萬次而不出現疲勞破壞，高壓油管焊接處表面的應力水平不宜超過118 MPa。

考核6種不同型號的高壓油管，焊接處強度的考核以焊接處表面的應力水平為依據，因此設計如圖3所示懸臂梁式力學模型，高壓油管端部通過法蘭與基座固定，法蘭厚度15 mm，焊接后油管全長450 mm，焊接環縫距離法蘭尺寸為15 mm或20 mm。應力通過高壓油管自由端施加位移δ進行輸入，因此，通過調整輸入位移的方向和頻率，能使焊接處得到交替變化的交變應力。

涉及的6種不同型號的高壓油管規格參數如表1所示。在實際疲勞耐久試驗中，直接確定油管自由端位移使得焊接處應力水平達到118 MPa，難以實現，若一開始施加的位移過大，可能會導致應力超過屈服極限，直接發生失效。因此，需要在疲勞耐久試驗前，對油管自由端的位移輸入值進行計算。

圖1 對稱循環應力示意圖

圖2 材料的應力—循環（S-N）曲線

圖3 焊接處強度的考核模型示意圖

表1 高壓油管力學模型尺寸參數

利用有限元分析軟件，建立高壓油管的有限元模型，端部法蘭施加固定約束后，在自由端變位施加位移進行計算[3-5]，得出使得焊接點應力為118 MPa時，6種規格型號高壓油管自由端的位移如表2所示，其中第二種規格高壓油管位移和焊接處表面應力情況如圖4、圖5所示。

3 高壓油管疲勞耐久試驗

3.1 動態應變測量

通過有限元分析，得到了使得高壓油管焊接處表面應為其疲勞極限應力時，高壓油管自由端的位移輸入值，為高壓油管的疲勞耐久試驗提供了有力的數據參考。但為保證試驗的安全性以及結果的準確性，需要在實際試驗中，監控高壓油管焊接處實際的應力大小，因此需要運用動態應變測量技術，測量焊接處的實時應力。

用電測法對其焊接處表面應力進行測試。其測試系統通常由電阻應變片、動態應變儀和數據采集分析設備（計算機和數據采集分析軟件）等三部分組成。測試原理如圖6所示[6]。

近年來，船舶載運危險貨物的數量和種類持續增長，特別是液化天然氣等液化氣體的運輸量大幅攀升，安全形勢日益嚴峻，亟需進一步強化船舶載運危險貨物安全監管要求。與此同時，《國際海上人命安全公約》《國際海運固體散裝貨物規則》等國際公約規則和《內河交通安全管理條例》《危險化學品安全管理條例》等國內法規，對船舶載運危險貨物安全監管均提出新的要求。并且，按照國家“放管服”改革的統一部署，船舶載運危險貨物部分行政許可事項已經取消或者下放。因此，需要對該規定進行全面修訂，以適應實踐管理需要、符合國際公約和上位法并落實國家“放管服”改革要求。

測試時，將應變片粘貼于高壓油管焊接處表面，當自由端施加位移，焊接處表面產生微小的機械變形，粘貼在其表面上的應變片亦發生相同的變化，應變片的電阻也發生相應的變化，經過應變儀最后輸入到計算機，計算機運行數據采集分析軟件對被測信號進行采集和分析，最終得到測量點的應變數值，已知油管的彈性模量，計算出測量點的應力實測數值。

如圖7所示，高壓油管自由端的位移輸入采用電動振動臺實現，以有限元分析結果為依據，變位調整振動臺的振幅，給自由端輸入頻率恒定的交變振幅，此時高壓油管焊接處表面產生對稱循環的交變應力，通過實時的應力監控（如圖8所示），使實測應力幅達到118 MPa，記錄此時振動臺的位移輸入值，如表3所示。

3.2 實際位移值與有限元分析結果比較

表2 高壓油管自由端位移有限元分析數據

圖4 位移云圖（自由端2.307 mm）

圖5 焊接處表面應力（118 MPa）

圖6 高壓油管應變測量原理圖

圖7 高壓油管動態應變測量

電動振動臺實際位移輸入值（單峰值）較有限元分析結果整體增大，但誤差較小，均在10 %之內，最大誤差為6.6 %。振動臺位移越大，誤差相對減小。

圖8 高壓油管動態應變監控曲線

表3 高壓油管自由端位移實際輸入值

實際位移相比有限元分析結果偏大，可能有諸多原因，如：

1）有限元模型中油管端部的法蘭和基座為理想剛性固定，而實際中采用螺栓固定，可能會產生一定的位移退讓。

2）有限元模型中油管焊接環縫較為理想，焊接很集中，而實際中焊接環縫具有一定的寬度。

3）實際位移施加時，位移施加點較有限元模型中有一定的誤差。

4）實際應變測量所用的電阻應變片具有一定的寬度，帶來一定的誤差。

綜上，兩者的誤差在可以接收的范圍之內，但是很難避免，有限元分析結果為實際動態應變測量提供了數據支撐，實測結果為有限元分析結果的準確性提供了驗證。

3.3 疲勞耐久試驗

通過動態應變測量得到了6種規格高壓油管自由端的實際位移，利用電動振動臺，逐個對其進行疲勞耐久試驗。自由端輸入對應的實測位移幅值，振動頻率為25 Hz，振動周期1 000萬次，計算出每種規格的高壓油管試驗時間在111 h以上。試驗結束后6種規格高壓油管焊接處均未發生疲勞破壞，其焊接處的質量水平滿足了工業需求。

4 結論

保證高壓油管的質量至關重要，高壓油管的疲勞失效往往會帶來不可挽回的損失。本文利用有限元技術，對高壓油管焊接質量評價模型進行了力學計算，并通過實際動態應變測量，驗證了有限元分析結果的準確性以及該評價方法的可行性。在此基礎上，利用電動振動臺，對不同規格型號的高壓油管焊接質量水平進行了疲勞耐久試驗，達到了工業質量要求標準。該評價方法操作簡單，可行性高，在工程應用中具有一定的通用性。

[1]田朕.柴油機高壓油管用材 料綜述[J].汽車工藝與材料, 2011,(3) : 37～39

[2]聶毓琴,孟廣偉.材料力學[M].北京: 機械工業出版社, 2009,2.

[3]周永祿.機架疲勞壽命分析[J].計算機應用, 2013,(1):74～76.

[4]任國晶,蔡春麗,汪大海.壓力傳感器位移分析及疲勞壽命預測[J].環境技術, 2016,(3) :33～36.

[5]浦廣益.ANSYS Workbench12基礎教程與實例詳解[M].北京:水利水電出版社, 2013,4.

[6]王伯雄等.工程測試技術[M].北京:清華大學出版社, 2012,10.

吳煥（1986.10-），男，工程師，從事環境可靠性相關技術研究、試驗驗證工作。

趙潤生（1984.10-），男，技術總監，從事檢測技術研究與實驗室管理工作。

A Method of Welding Quality Evaluation for High Pressure Oil Pipe

WU Huan, ZHAO Run-sheng
(CQC Intime Testing Technology Co., Ltd., Suzhou 215104)

This paper expounds the principle and the damage of fatigue failure of the high pressure oil pipe.Based on establishing the welding quality evaluation mechanical model, the allowable input displacement is calculated by using the finite element analysis technology, and connecting with the strain measurement technology, the fatigue characteristics of the welding points for the high pressure oil pipe is verified using the electric vibration table.Results show that the method of welding quality evaluation for high pressure oil pipe is feasible, and the combination of finite element analysis technology and strain measurement technology ensures the safety and accuracy of the test In addition, using electric vibration table for fatigue test brings convenient operation, relatively low cost and universality.

high pressure oil pipe; welding; vibration table; fatigue failure

TG405

A

1004-7204（2016）05-0058-04