管道环焊缝根部裂纹的有限元评价方法研究

＊张神良 何玉龙 毕玉龙 张轶男 魏昊天 王路明

（1.安徽省天然气开发股份有限公司 安徽 230051 2.中国石油大学（北京）安全与海洋工程学院 北京 102249）

随着管道的大规模建设，近年来，在我国油气管道试压、运行过程中，管道安全失效事件屡见不鲜。受焊接技术水平和现场施工质量限制，部分管道投产运行后存在严重的裂纹、未熔合、未焊透等环焊缝焊接缺陷。尤其近10年来因管道环焊缝失效导致的安全事故，如2017年7月2日、2018年6月10日中缅天然气管道连续发生两次环焊缝断裂失效事故，2019年泰青威输气管道发生1起环焊缝断裂事件。该类事故具有焊缝开裂尺寸长、泄漏量大的特点，易对周边人员安全和环境造成严重威胁。有必要对管道环焊缝根部裂纹进行安全评估研究。

本文综合采用有限元模拟和夏比冲击功计算的手段，评估含缺陷管道安全性。相较于传统方法，采用有限元方法进行分析大大提高了评估的准确度和效率，能够为含有环焊缝根部裂纹缺陷的管道安全运行提供参考。

1.概述

(1)管道基本参数

管道管径：610mm，壁厚：12.7mm；材质：X65直缝埋弧焊管；设计压力：9.2MPa；最大允许压力：9.0MPa。从保守角度考虑，管材屈服强度考虑为名以屈服强度450MPa，管材抗拉强度535MPa。

焊口采用手工电弧焊SMAW，根据该焊接工艺形成的环焊缝坡口形式，结合管道基本尺寸，建立了对应的有限元模型，模型考虑焊缝、热影响区、母材3种材料，对于X65钢，热影响区软化现象不明显，几乎可忽略，可认为与母材材料曲线一致[1,2]。对于焊缝材料，从保守角度来说考虑焊缝区等强匹配，最终得到管材与焊缝的塑性应变-真实应力曲线如下图1所示，母材与等强度匹配焊缝的曲线趋于一致。

图1 母材与焊缝材料应力-塑性应变关系曲线

(2)裂纹尺寸说明

根据裂纹缺陷检测结果，如图2所示，编号1、5、6、7的裂纹虽然单个长度较短，但裂纹间位置相近，编号3与编号4的裂纹长度较大。结合工程实际情况，共考虑3种裂纹尺寸。

图2 裂纹位置及编号示意图

第1种：将下图中编号1、5、6、7位置检测到的裂纹合并成等效裂纹，其裂纹长度为1、5、6、7位置各部分裂纹长度总和及四个裂纹间距离（共80mm），裂纹深度为所有检测结果中最大值1.8mm；

第2种：缺陷3位置的裂纹，其深度为0.7mm，长度为115mm；

第3种：缺陷4位置的裂纹，其深度为1.3mm，长度为160mm。

2.有限元模型

图3 有限元模型及裂纹局部放大图

图4 网格设置情况及裂纹局部放大图

该压力管道模型设置为管径610mm、壁厚12.7mm、管材X65，模型总长取6倍管径。结合实际焊接接头坡口情况，模型采用SMAW单V型坡口形式，建立有限元模型。为更好模拟裂纹真实情况，对裂纹尖端网格进行局部加密。有限元分析共包含两个载荷步，首先对管道内施加设计压力9.2MPa；其次对管道轴向施加拉伸载荷。利用有限元模型分析不同载荷条件下裂纹尖端的张开位移（Crack Tip Opening Displacement，CTOD），当CTOD达到材料的断裂韧性时认为结构失效。

3.环焊缝裂纹开裂行为分析

图5为3种裂纹尺寸情况下裂纹扩展驱动力CTOD随轴向载荷的变化曲线，可以看出，轴向载荷加载初期，整个结构主要处于弹性阶段，3种裂纹尺寸情况下的裂纹扩展驱动力都增长缓慢；当轴向载荷加载达到材料屈服极限后，3种裂纹尺寸情况下的裂纹扩展驱动力增长趋势变大。同时可以看出，裂纹深度对裂纹扩展驱动力CTOD值的影响更大。

图5 裂纹尖端张开位移随轴向载荷变化曲线

图6 数值模拟结果示意图

从基于应力评价角度来说，管道允许的最大轴向拉伸应力为0.9倍材料名义屈服强度[3]，对于X65钢来说，最大允许轴向拉伸应力为405MPa，通过数值仿真计算得到了该轴向应力水平下不同裂纹尺寸对应的CTOD值，见表1。

根据BS 7910以及SY/T 6477关于CTOD与应力强度因K子以及夏比冲击功的经验转换公式，如式（1）。

式中，m为与管材屈强比有关的系数，m=1.517，σy为管材屈服强度，MPa；σy为管材抗拉强度，MPa；E为弹性模量，MPa；v为泊松比。应力强度因子与夏比冲击功的转化如式（2）所示。

最终得到3种裂纹尺寸，裂纹不起裂对应的材料最小夏比冲击功如表1所示。

表1 计算结果汇总表

目前我国焊接接头材料数据统计表明，CTOD一般大于0.1mm，对应的夏比冲击功一般也会在100J以上，所以从断裂适用性评价的角度，基于现有的假设条件，在轴向应力小于0.9倍屈服强度的情况下是较为安全的。参考表1，若有较为明确的材料测定结果通过截取临界CTOD对应的轴向载荷可以得到该管道能够承受的极限轴向载荷。

4.总结

（1）如果按照X65材料是18J计算，对照表1，目前裂纹达不到起裂的条件，目前运行压力条件下，仍然处于安全状态。

（2）按照目前评价结果，建议夹具注环氧或B型套筒修复，需要说明的是采用夹具注环氧修复方法是可行的，其应力及时传递给外部钢套管，不会发生起裂情况。

（3）本文针对内检测中发现的环焊缝根部裂纹，建立有限元模型，分析得到裂纹扩展驱动力增长趋势在载荷达到材料屈服极限后变大，裂纹深度是影响裂纹扩展驱动力CTOD值的重要因素。并结合BS 7910以及SY/T 6477标准的经验公式，对含环焊缝根部裂纹管道的安全性进行准确评估，并给出修复建议，对实际管道缺陷的评估修复有指导意义，为实际管道安全运行提供参考。