焊接殘余應力對管線鋼防腐性能的影響

劉明磊

摘要：借助有限元分析手段對X80管線鋼對接接頭的殘余應力進行仿真計算，得到殘余應力分布情況。采用X射線衍射法和盲孔法對預測結果進行試驗驗證。結果表明，周向殘余應力總體變化趨勢呈現先增大，穩弧后應力平穩達到峰值位置保持，在接近收弧位置，殘余應力值減小;軸向殘余應力總體變化趨勢呈現先增大，殘余應力達到峰值位置后平穩下降。殘余應力仿真預測結果與兩種測量方法所得結果相吻合， X射線衍射法結果高于盲孔法應力結果。通過有限元仿真技術預測應力較大位置，此技術對有效防止應力腐蝕開裂有一定的工程應用指導意義。

關鍵詞：管線鋼;殘余應力分布;有限元模擬;防腐性能

中圖分類號：TG404? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）11-0022-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.11.04

0? ? 前言

在管道施工過程中，管線鋼的防腐性設計是可靠性設計考慮的重要因素。應力腐蝕開裂是在拉應力和腐蝕環境下產生的低應力脆性開裂現象[1]，管道表面一般通過涂覆涂層來保證其防腐性能。受表面接觸土壤、溫度和陰極保護電流等因素的影響，材料的化學成分、顯微組織變化、力學因素應力的影響等均會對應力腐蝕開裂產生直接的影響。力學因素中應力會導致材料形變和開裂，其大小、應力波動、應變率等均會影響材料腐蝕開裂的速度，從而影響結構件的疲勞壽命[2]。應力研究在需求可靠性、壽命最大化的設計中越來越被重視。分析手段有破壞性試驗和無損試驗，而無損試驗因其不準確性和高額的費用，越來越不適用工業生產。預測應力的各種仿真軟件在進行非線性分析時只能進行定性分析，做不到定量分析。為了保證定量分析，除了仿真軟件不斷完善，還需要使用者有豐富的生產經驗，并不能完全脫離生產經驗的積累。

為準確預測焊后殘余應力分布趨勢和大小，保證生產需求的高精度和短周期性，科研人員進行了大量焊接仿真應力研究。白芳[3]建立X80鋼多層多道焊有限元模型，通過試驗得到相對誤差范圍內的熱循環曲線，用于模擬等效熱源加載，得到峰值溫度和冷卻時間與焊縫中心距離的關系，同時得到縱向和橫向殘余應力的變化規律。顧國林[4]建立X80管線鋼對接接頭有限元模型，采用X射線衍射法驗證了焊根節點不耦合對殘余應力的預測精度更高，可以控制應力預測結果在10.35%。段衛軍[5]基于熱彈塑性理論建立S355鋼有限元模型，通過引入相變轉變模型、相變塑性和相變體積模型，得到等效應力應力值會大幅降低，殘余應力與實測結果吻合較好的結論。熊慶人[6]等采用切環試驗和盲孔試驗兩種手段對螺旋埋弧焊鋼管的殘余應力進行分析，對比了不同廠家生產的鋼管的殘余應力，提出了殘余應力控制指標建議，從而有效地促進了生產。張定銓和何家文[9]等對無損X射線衍射法殘余應力原理、方法和應用進行全面詳盡的闡述，對該方法的研究具有指導意義。但上述研究更多地集中于殘余應力分布趨勢和精度，對于殘余應力與防腐性之間的關系研究甚少。

文中借助有限元分析手段，通過建立X80管線鋼對接接頭有限元模型，預測分析殘余應力分布，然后采用X射線衍射法和盲孔法兩種測試手段驗證仿真結果，并結合工程宏觀分析其對防腐性的影響。

1 建立有限元模型

1.1 焊接參數

對接接頭管線鋼壁厚為22 mm，材料為X80管線鋼，X80管線鋼的化學成分如表1所示。焊接方法采用焊條電弧焊，焊材采用堿性低氫鈉型焊條 E7016，直徑3.2 mm，化學成分如表2所示，焊前預熱100 ℃，填充蓋面材料選用E8010-P1，其化學成分如表3所示。焊接參數為：電弧電壓27～28 V，焊接電流120～130 A，焊接速度42 cm/min，坡口形式為單邊U型，采用5層10道焊接。

1.2 材料參數的建立

借助JMATPRO軟件分析獲得模擬用材料X80的材料參數，隨溫度變化的部分物性參數和力學參數如圖1所示。

1.3 網格模型的建立

為保證應力場求解精度，建立比較成熟且能反映焊條電弧焊熱源的雙橢球熱源模型[10]。由于近焊縫和焊趾附近位置殘余應力值相對較大，兼顧溫度梯度，對焊縫處網格采用加密處理，熱影響區與遠離焊縫位置采用過渡網格，遠離焊縫區域網格稀疏處理。焊縫位置單元尺寸2 mm，單元總數108 648，節點數121 598，如圖2所示。

1.4 力學邊界條件

在對接接頭鋼管外表面焊趾位置，沿著焊縫橫截面方向，選擇圓周位置的單元節點進行X向的位移約束，從而保證X80鋼線管有限元模型的橫向收縮不受影響;沿焊縫縱向和圓周中心法平面方向，選擇對接接頭自由邊界的管線鋼管的外表面單元節點，約束Y向和Z向位移，從而保證模型的縱向收縮不受影響。

2 試驗測量方法

2.1 無損X射線衍射法

X射線測定應力為無損檢測，其基本原理基于布拉格定律，以一定應力狀態下引起的材料晶格應變和宏觀應變一致為基本依據。金屬材料一般為多晶體，在單位體積含有數量極多、取向各異的晶粒，從空間任意方向都可觀察到任一選定的晶面。根據彈性力學方程，通過晶面間距的變化，計算相應晶面的應變值[7]，即

式中 ε為晶面應變值;d0為無應力狀態下晶面間距。

2.2 盲孔法

盲孔法殘余應力測試[8]為無損檢測，是在被測工件的表面貼上應變花，通過在應變花的中心對工件打孔，使得應力的平衡受到破壞，產生一定量的應變，測得孔附近的彈性應變增量，便可以用彈性力學原理來推算出小孔處的殘余應力。小孔處的主應力和方向可以按下式推算。

式中 εA為應變片a的應變量;A、B為應變釋放系數。

2.3 試驗方法設計

為盡量減小誤差，采用兩種方法對同一試驗件進行測量，先用X射線測定法，再用盲孔法。為驗證計算結果的準確性，在進行X射線衍射法測量時需對零應力和高應力校核設備;在進行盲孔法測量時測量點之間需間隔30 mm方能有效釋放打孔應力。X80管線鋼對接接頭焊接后，沿圓周方向選取焊趾位置和焊縫中心位置進行應力測量。

3 仿真結果分析與驗證

3.1 周向殘余應力測量結果分析

通過仿真計算，獲得X80鋼線管對接接頭周向應力場仿真結果。提取對接接頭一側焊趾位置至相對平滑外表面的殘余應力，進行X射線和盲孔法應力測試，結果如圖3所示。

由圖3可知，從起弧位置到收弧位置，殘余應力總體變化趨勢呈現先增大，穩弧后應力平穩達到峰值位置后保持，在接近收弧位置，殘余應力值減小，與經典對接接頭規律一致。在焊接起收弧位置時，焊件所受拘束作用相對較小，同時起收弧位置存在一定的交叉，導致應力值變化不大，起弧位置對收弧位置有一定預熱作用，因此焊接應力相對較小，主要表現為壓應力;中間部分由于先焊接對后焊接位置的拘束作用力大，應力也大，先增大再減小，主要表現為拉應力。兩種測量方法與仿真結果趨勢較好吻合。仿真結果與X射線衍射法測量結果誤差最大的位置是在距離焊縫起始位置490 mm處，誤差為15.9%;仿真結果與盲孔法測量結果誤差最大的位置是在490 mm，誤差為12.4%，X射線法測量殘余應力的結果波動相對較大。

由于測量方法和測量樣件的自身特點，X射線衍射法在測量時，對測量表面平面度要求較高，而X80鋼線管對接接頭的平面有一定的弧度，測量位置晶格尺寸發生畸形變化，導致應力值結果均偏大。兩種測量方法變化趨勢大致相符，測量值大部分大于仿真值，仿真計算在模型建立的過程中，不考慮填充單元流動性、材料硬化、相變等因素，導致仿真預測的殘余應力結果偏小。

3.2 軸向殘余應力測量結果分析

軸向殘余應力測試和仿真結果如圖4所示。

由圖4可知，從起弧位置到收弧位置，殘余應力總體變化趨勢呈現先增大，殘余應力達到峰值位置后平穩下降，與經典對接接頭規律一致。在焊縫中心位置附近，焊件所受拘束作用相對較大，導致應力值變化大，焊接應力相對較大，主要表現為拉壓應力;在接近自由端位置，因不受焊接熱輸入冷熱收縮應變引起的拘束作用，殘余應力值相對較小。兩種測量方法與仿真結果趨勢吻合較好。仿真結果與X射線衍射法測量結果誤差最大位置在68 mm處，誤差為13.9%;仿真結果與盲孔法測量結果誤差最大位置在110 mm處，誤差為11.4%，X射線法測量應力的結果波動相對較大。

3.3 工程應用中殘余應力對腐蝕性影響

通過不同測量方法獲得的殘余應力結果，驗證了X80管線鋼仿真預測殘余應力結果的準確性。在實際工程應用反饋的售后應用案例中，巴基斯坦售后保障人員曾經在使用維護過程中發現，X80管線鋼焊趾位置的焊縫在長期土壤腐蝕和光照作用下，其長期暴露位置的油漆極容易發生脫落，在環境因素和殘余應力等作用下釋放有害應變，導致X80管線鋼出現局部腐蝕破壞，從而最終導致應力腐蝕開裂，在未發生嚴重事故的情況下，通過故障排查分析解決了現場應用問題。

4 結論

（1）采用建立的有限元模型對X80管線鋼對接接頭進行殘余應力仿真計算，并用X射線衍射法和盲孔法驗證了仿真結果的準確性。仿真結果與兩種測量方法吻合度較好，X射線衍射結果高于盲孔法。

（2）從起弧位置到收弧位置，周向殘余應力總體變化趨勢呈現先增大，穩弧后應力平穩達到峰值位置后保持，在接近收弧位置，殘余應力值減小。從起弧位置到收弧位置，軸向殘余應力總體變化趨勢呈現先增大，殘余應力達到峰值位置后平穩下降。

（3）X80管線鋼出現局部應力腐蝕開裂，通過有限元仿真技術，預測應力較大位置，對有效防止應力腐蝕開裂有一定的工程應用指導意義。

參考文獻：

田錫唐. 焊接結構[M]. 北京：機械工業出版社，1982.

方洪淵. 焊接結構學[M]. 北京：機械工業出版社，2008.

白芳，童莉葛，丁紅勝，等. X80鋼多層焊溫度分布對殘余應力的影響研究[J]. 工程熱物理學報，2019，40（4）：931-937.

顧國林. 焊根節點耦合對管線鋼對接接頭殘余應力的影響[J]. 熱加工工藝，2019，48（19）：164-167.

段衛軍，鄧鴻劍，陳北平，等. S355鋼焊接溫度場和應力場有限元分析[J]. 電焊機，2021，51（2）：31-36，110.

熊慶人，陳宏達，衛遵義，等.不同廠家X80大口徑厚壁SAWH焊管的殘余應力試驗分析[J].石油管材與儀器，2021，7（1）：44-47.

張定銓，何家文.材料中殘余應力的X射線衍射分析和作用[M].西安：西安交通大學出版社，1999.

房元斌，王勇，王燦，等. Q890D高強鋼中厚板殘余應力測量技術[J]. 電焊機，2016，46（10）：85-89.