管道环焊缝结构性应力集中效应与拘束度评估

2022-12-16王富祥戴联双李梓溦

压力容器 2022年10期

杨辉,王富祥,戴联双,李梓溦

(1.国家管网集团科学技术研究总院,河北廊坊 065000；2.国家石油天然气管网集团有限公司，北京 100000；3.天津大学材料科学与工程学院，天津 300072)

0 引言

管道环焊缝一直是影响管道安全运行的薄弱环节，受焊接工艺、施工技术水平及施工条件的限制，环焊缝质量难以保证[1-4]。根据近年来的失效事故统计显示，焊缝多起裂于根部，尤其是存在于变壁厚、错边或成型不良的焊口[5-8]。2003～2019年，国内油气长输管道共发生的24起环焊缝失效事故，其中根焊部位超差缺陷占比62.5%；不等壁厚组对占比54.2%。美国管道和危险材料安全管理局PHMSA-2010-0078号公告中公布了4起高钢级管道环焊缝失效事故，失效原因均与变壁厚、错边、焊接工艺执行不当、外部载荷等因素有关[9]。对于高钢级管道，当焊缝韧性储备不足的情况下，这种结构不连续导致的结构性应力集中效应是极其危险的。孟波等[10-11]研究表明，当缺口张开角小于60°时，不同缺口应力强度因子随角度减小变化不明显，即几乎等同于裂纹。现行的设计与适用性评价方法一般通过放大膜应力或叠加附加弯曲应力来考虑焊趾或根部结构不连续产生的应力集中效应，可能严重低估了其对环焊缝承载能力的影响[12-13]。基于此，笔者采用应力三轴度表征裂纹尖端拘束度，通过对错边、不等壁厚及其叠加裂纹的根部结构不连续环焊缝及断裂韧性测试标准试样的有限元分析，明确环焊缝结构性应力集中效应的影响规律及与标准试样的拘束差异，以此来评估断裂韧性参数测试选取的保守程度。

1 裂纹尖端拘束度表征

由于工程中实际结构的尺寸通常较大，实验室条件下很难开展全尺寸测试和评估，取而代之的是小尺寸试样的测试结果，但随着结构尺寸和材料强度的增加，尺寸效应带来的拘束差异越来越大[14-15]。拘束反映的是结构对裂纹尖端区域塑性变形的限制，与裂尖的应力状态密切相关[16]。拘束度对表观断裂韧性的影响其实就是不同应力状态对材料性能测试结果的影响，材料断裂韧性的测试结果对于结构完整性评价结果影响很大，因此，在评估过程中必须考虑裂尖拘束的影响[17]。

近几十年来，一些学者[18-19]研究提出了许多表征裂尖应力应变场的拘束断裂理论，例如单参数理论(K或J积分)、双参数理论(K-T,J-T,J-Q,J-A2)以及三参数理论(K-T-Tz,J-Q-T)。有些理论被证明仅在高约束情况下有效，而有些理论则局限于描述面内拘束对裂纹尖端场及断裂韧性的影响[20-21]。除了上述几种参数外，HENRY等[22]提出采用应力三轴度η(见式(1)),作为断裂韧性的表征参数。

η=σm/σeq

(1)

式中，σm为平均应力，MPa；σeq为等效应力，MPa；σ1,σ2,σ3分别为三个方向上的主应力，MPa。

对于金属材料σeq可反映其塑性变形，σm可反映弹性变形，应力三轴度为二者的比值，综合考虑了两方面的影响，可以较合理地体现不同应力分量对塑性变形和断裂的影响。根据现代损伤力学的观点，金属的表观断裂韧性随着应力三轴度的增大而减小，即在一定的范围内应力三轴度越大，材料越趋于脆性[23]。应力三轴度的值反映了局部应力场对材料变形的拘束，决定材料是易于拉断或剪断[24]。因此，选用应力三轴度作为统一参数，表征焊缝结构及标准试样裂纹尖端拘束度。

2 参数设计与有限元建模

2.1 参数设计

为了研究由于错边、不等壁厚组对、裂纹等因素导致的环焊缝根部不连续结构的拘束差异，获取应力三轴度随各因素的变化规律，设计了有限元分析模型参数，如表1、图1所示。

表1 模型参数设计

图1 模型结构示意

2.2 模型建立与边界设置

运用Abaqus软件，分别建立了含错边、不等壁厚及其叠加裂纹后的环焊缝三维有限元模型,如图2所示。模型管径和薄壁侧壁厚分别为1 219 mm和18.4 mm，管长取6倍管径以消除远端边界效应的影响。根据对称性取1/2模型，在管道壁厚上划分4层网格，邻近焊缝处采用过渡网格控制网格总量，在保证精度的同时，提高计算效率，同时考虑裂尖钝化，将裂尖设置为半圆形结构，直径为0.1 mm，沿半圆环向均匀等分20个网格。对管道轴向截面施加对称约束；对于内压作用，在内表面施加内压载荷，两端面约束轴向位移；对于拉伸作用，一侧端面约束轴向位移，另一端面施加拉伸载荷。

(a)错边叠加不等壁厚模型

2.3 材料属性

由于不考虑强度匹配问题，对于母材和焊缝，均设定为X80钢，采用Ramberg-Osgood模型描述的应力-应变曲线(见图3)。

图3 材料应力-应变曲线

该模型为业内广泛认可的材料非线性本构模型之一[25-26]，被众多标准引用，适用于管线钢。同时，在材料属性中加入塑性损伤，可以在场输出中直接得到模型应力三轴度，简化计算过程。

(2)

(3)

(4)

式中,ε为应变；σ为应力，MPa；E为弹性模量，GPa,取E=210 GPa；α为屈服偏移量；σY为屈服强度，MPa；σT为抗拉强度，MPa；n为硬化指数。

3 焊缝根部应力三轴度分析

在焊接过程中，由于组对偏差、管口圆度、不等壁厚、成型不良等原因，常常在环焊缝焊根部位形成结构不连续性缺口，评价过程中易被忽视或低估，但多起事故已揭示了其对管道安全的破坏性。以下分别研究内压及位伸载荷作用下不同错边量、壁厚比、内坡角度及裂纹对应力三轴度的影响。

3.1 错边的影响

受装配偏差和管口圆度的影响，管道焊接和装配过程中易出现错边现象，使得焊缝结构不连续性进一步放大，从而产生附加应力，导致局部区域应力集中。错边量并非定值，而是沿管道环向位置变化。分别提取内压与拉伸载荷下不同最大错边量位置的应力三轴度计算结果(见图4，SMYS为规定的最小屈服强度)，可见，在等壁厚情况下，随着错边量的增加，尤其是承受较大拉伸载荷时，应力三轴度增大。

(a)内压载荷

3.2 不等壁厚的影响

不等壁厚焊接时，根焊质量不易控制，容易出现焊接缺陷，且由于外形不规则，无损检测易出现漏检。近年来，国内超过一半的环焊缝失效事故均发生在不等壁厚焊缝处。分别提取焊根部位的应力三轴度计算结果(如图5所示)，可以看出，在无错边、内坡角度一定的情况下，壁厚差越大，根部应力三轴度越大。与内压载荷作用不同，拉伸载荷下，对于不等壁厚焊缝根部的应力三轴度先增大、后减小。

(a)内压载荷

进一步分析主应力及Mises等效应力的计算结果(见图6)发现，第一主应力和第二主应力均随着拉伸载荷增加而增大，第三主应力在加载前期近似等于第二主应力，但当第一主应力达到屈服应力后，焊缝根部在变壁厚处产生塑性变形，第三主应力开始下降。在整个加载过程中，Mises等效应力持续增大，因此，应力三轴度出现下降的现象，即产生塑性变形后，焊缝根部的约束水平下降。

图6 拉伸载荷作用下的焊缝根部应力变化规律

3.3 内坡口角度的影响

GB 50369—2014《油气长输管道工程施工及验收规范》规定，不等壁厚对焊管端宜采用加过渡管或坡口过渡处理措施。应采用内削边处理，内坡角度宜为14°～30°。内坡口角度越大，不等壁厚焊缝根部缺口尖锐程度越大，应力集中程度增加，同样内坡夹角处的应力三轴度也越大，且在较大拉伸载荷作用下会下降(如图7所示)。

(a)内压载荷

3.4 裂纹的影响

焊根部位由于成型不良、错边、不等壁厚焊接等导致应力集中，成为裂纹萌生的多发区域，而裂纹的存在无疑加剧了焊缝的失效风险，因此焊缝中不允许存在裂纹。提取裂纹尖端的应力三轴度计算结果(如图8所示)，对比无裂纹的情况发现，裂纹对应力三轴度的影响显著，裂纹尖端呈现严重的三轴拉应力状态，拘束水平很高。

(a)内压载荷

4 标准试样应力三轴度分析

为了研究目前常用的几种标准试样裂纹尖端的拘束情况，分别对单边缺口拉伸试样(SENT)、单边缺口弯曲试样(SENB)、紧凑拉伸试样(CT)以及中心裂纹板(CCP)4种类型标准试样(如图9所示)进行了有限元建模分析，其中根据BS 8571：2018标准设计了两种不同尺寸的SENT试样，其宽度分别为1倍厚度和2倍厚度，几何尺寸如表2所示。

表2 标准试样尺寸

图9 标准试样示意

为了避免裂纹尖端场受到试样尺寸效应的影响，裂纹深度均设置为a/W=0.5。

通过Abaqus后处理输出了5种标准试样裂纹尖端的应力三轴度(见图10)。这些试样应力三轴度随着载荷增加逐渐趋于稳定，即可近似认为这些试样在一定应变条件下的拘束水平与载荷无关。相同宽度和厚度的标准试样裂纹尖端的应力三轴度的水平排序为CT>SENB>SENT>CCP，而SENT-1试样的应力三轴度略小于SENT-2试样。因此，在实际评价过程中，采用不同标准试样的测试结果会导致评价结果保守度差异。

图10 标准试样应力三轴度随载荷变化情况

5 拘束度综合对比分析

断裂韧性与拘束水平存在很大关联性，在安全评定中，只有当环焊缝结构和标准试样的拘束水平一致的情况下，通过试样测得的断裂韧性才可以准确描述结构的断裂行为，评估结果也更准确。因此，在实际断裂评估中，通常采用与实际结构拘束水平相当的标准试样的测试结果。以12 MPa内压载荷(0.72倍SMYS)作用为例，对比评估各管道模型与标准试样的拘束差异，见表3和图11。

表3 管道模型与标准试样的应力三轴度对比

对于单纯含根部缺欠管道模型，错边3 mm模型和不等壁厚(壁厚比1.5)模型最大应力三轴度值分别为0.59和0.63，其组合模型最大应力三轴度值0.79，可采用拘束水平最近的CCP试样进行断裂评估；对于单纯含裂纹管道模型，最大应力三轴度值为1.53，评估中推荐使用SENT-2试样(W=2B)测试结果；对于根部缺欠组合裂纹管道模型，最大应力三轴度值为1.96，推荐使用SENB试样进行断裂评估。

由前述分析可知，采用不同标准试样的测试结果会导致评价结果保守度差异，其中CT试样最大，而CCP试样最小。通常认为SENT试样的拘束水平与管道实际情况更接近，很多文献均推荐采用SENT试样进行断裂韧性的测试与评估。但实际情况是，焊缝根部存在缺欠等不连续结构时，拘束水平会大大增加(如上述组合模型)，如再使用SENT试样会导致冒进甚至危险的评估结果，在评估中往往容易低估根部不连续对环焊缝承载能力的影响。因此，应选择与实际结构裂尖拘束度相匹配的标准试样进行断裂评估，可大大增加评估结果准确性。