李 根， 張 騰

（1.中石油西南油氣田公司輸氣管理處，成都 610041；2.西南交通大學(xué) 材料學(xué)院，成都610000）

0 前 言

在管道運輸和安裝過程中不可避免地產(chǎn)生各種缺陷，如運輸中產(chǎn)生凹坑、管道焊接對口誤差造成錯邊、焊接工藝參數(shù)不正確產(chǎn)生咬邊等缺陷。以往的理論對于體積缺陷對焊接接頭性能的影響大多數(shù)只有定性的分析［1-5］。筆者利用大型有限元軟件，對每種缺陷的大小方位對X70管道焊接接頭應(yīng)力集中的影響做出了定量分析，為X70管道的安全評定提供了可靠的力學(xué)依據(jù)。

1 管道規(guī)格及工況

管道規(guī)格為φ610mm×7.1mm，管道采用X70管線鋼，其性能參數(shù)見表1。管線長度26.33km，設(shè)計壓力為4.0MPa，運行壓力2.67MPa。

表1 X70管線鋼性能參數(shù)

2 有限元計算

2.1 純內(nèi)壓無缺陷X70管道應(yīng)力分析

由彈性力學(xué)以及管道的工況可知，管道在設(shè)計壓力為4MPa下工作，環(huán)向應(yīng)力

式中：p—管道設(shè)計壓力，MPa；

D—管道外徑，mm；

B—管道壁厚，mm。

σ=175.8 MPa即為管道應(yīng)力解析解。建立管道模型，取管道長度為0.6m。鑒于B/D=0.011，屬于薄壁容器而且屬于軸對稱，采用了ANSYS單元庫中的plane183單元[5]，同時打開單元成軸承選項，進行網(wǎng)格劃分，單元數(shù)為1 000個，網(wǎng)格劃分模型如圖1所示。

圖1 內(nèi)壓情況下X70管道網(wǎng)格劃分模型（軸對稱）

當管道內(nèi)壓達到4.0MPa的設(shè)計壓力時，管道的應(yīng)力分布如圖2所示。從圖2中可以看出，管道內(nèi)表面的應(yīng)力為179MPa，外表面的應(yīng)力達到172MPa，根據(jù)公式計算膜應(yīng)力為

由此可知，有限元解和解析解吻合地非常好，這也從側(cè)面進一步證實了軸對稱模型建立的正確性。

圖2 無缺陷X70管道內(nèi)壓后的應(yīng)力分布圖（整體）

2.2 焊縫余高對X70環(huán)縫接頭應(yīng)力集中的影響

在X70管道焊接過程中，由于焊接工藝參數(shù)的變化，焊縫形狀將發(fā)生變化，如在焊接速度和電壓不變的情況下，焊接電流的變化將引起焊縫接頭余高的變化。經(jīng)典理論認為焊縫余高將增加焊接結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，增大焊縫的應(yīng)力集中。筆者利用軸對稱模型研究在相同的焊縫寬度、不同焊縫余高情況下X70管道的應(yīng)力集中系數(shù)。焊縫余高模型如圖3所示。

圖3 焊縫余高從0.5～5mm的模型圖

圖4為焊縫余高為1.5mm時管道應(yīng)力集中情況。由圖4可知，在焊接接頭處，由于焊縫余高的影響，內(nèi)壓管體的應(yīng)力分布發(fā)生了變化，焊縫余高不但沒有產(chǎn)生應(yīng)力集中，反而降低了焊接接頭部分的應(yīng)力峰值，由175MPa降低到157MPa，應(yīng)力的最大值分布在管道的內(nèi)壁。原因是焊縫的余高增大了承載面積，因此焊縫余高對于承受靜載的焊接接頭是有利的。

圖5為焊縫余高對受內(nèi)壓管體應(yīng)力集中的影響。由圖5可知，在沒有焊接缺陷的情況下，焊縫余高增強了內(nèi)壓管體的承載能力，而且焊接接頭的承載力隨著焊縫余高的增加基本不變。在焊縫余高處，由于承載面積的增加，峰值應(yīng)力減小。值得注意的是，本次計算的模型是建立在焊縫余高與母材圓滑過渡的情況下，在實際生產(chǎn)中，過大的余高往往會導(dǎo)致其他焊接缺陷，而且也浪費焊接材料?？偠灾?，焊縫余高對焊接接頭的承載能力的影響不大，在可接受的范圍內(nèi)對于承受靜載的X70管道焊接接頭，不需要將余高打磨掉，這也與文獻［7-8］中的結(jié)論吻合。

圖4 焊縫余高為1.5mm時管道應(yīng)力分布圖 （軸對稱）

圖5 焊縫余高對受內(nèi)壓管體應(yīng)力集中的影響

2.3 錯邊對X70環(huán)縫接頭應(yīng)力集中的影響

錯邊是常見的焊縫外部缺陷之一，錯邊缺陷使結(jié)構(gòu)的外形尺寸發(fā)生突變造成形狀不連續(xù)。在錯邊處引起較強的應(yīng)力集中和彎曲應(yīng)力，會明顯降低焊接接頭的強度和韌性。在焊接結(jié)構(gòu)承載動載荷的情況下，錯邊還會引起裂紋的產(chǎn)生，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的疲勞破壞。目前針對焊接缺陷對焊接接頭應(yīng)力集中及焊接結(jié)構(gòu)承載能力影響的研究[9]基本上還是理論性和定性的分析。因此采用有限元對X70管道環(huán)縫出現(xiàn)的不同尺寸的錯邊缺陷對管道應(yīng)力集中程度的影響進行研究，從而詳細分析錯邊對X70管道環(huán)縫焊接接頭應(yīng)力集中的影響。

有限元模型取軸對稱模型，錯邊量0.5～4mm，細化接頭處的網(wǎng)格尺寸為0.2 mm，使其能反映錯邊處的應(yīng)力集中。錯邊量有限元模型如圖6所示。

圖6 錯邊量從0.5～4mm的有限元模型（軸對稱）

圖7為錯變量為2 mm的管道應(yīng)力分布圖。由圖7可知，錯邊處產(chǎn)生了應(yīng)力集中，總體來說錯邊量越大，焊縫處的應(yīng)力越大，這是因為錯邊的存在減小了焊縫的承載面積。

圖7 錯邊量為2mm時管道應(yīng)力分布圖（整體）

圖8為X70管道應(yīng)力峰值和錯變量的關(guān)系圖。由圖8可以發(fā)現(xiàn)，對X70環(huán)焊縫壓力管道的影響分成兩個階段，當錯變量在2 mm以內(nèi)時，對管道的承載力不構(gòu)成大的影響；當超過2 mm時，接頭處的應(yīng)力迅速增大。

圖8 X70管道應(yīng)力峰值和錯變量的關(guān)系圖

2.4 咬邊對X70環(huán)縫接頭應(yīng)力集中的影響

咬邊是另外一種常見的焊接缺陷，通常是因為電流過大或者焊接位置不當引起的，咬邊的存在會大大地增加焊接結(jié)構(gòu)失效的風(fēng)險，而X70石油管道在生產(chǎn)和安裝的過程中，容易產(chǎn)生咬邊缺陷，此外咬邊缺陷還容易成為裂紋源［10］，以往的理論只給出了咬邊缺陷的定性分析。本次分析采用有限元分析在寬度一定而深度不一定的一系列咬邊缺陷對X70管道應(yīng)力集中的影響。

圖9為咬邊缺陷軸對稱模型，咬邊寬度為10 mm，深度從0.5～3mm。

圖9 咬邊缺陷模型圖（軸對稱）

圖10和圖11分別是錯變量為2 mm的管道應(yīng)力分布情況，以及X70管道應(yīng)力峰值和咬邊量的關(guān)系。由圖中結(jié)果分析可以看出，在溝槽的尖角處引起較大的應(yīng)力集中， X70管道環(huán)縫咬邊引起的應(yīng)力集中大于環(huán)縫錯邊引起的應(yīng)力集中。

圖10 咬邊量為2mm的管道應(yīng)力分布圖（軸對稱）

圖11 X70管道應(yīng)力峰值和咬邊量的關(guān)系圖

2.5 凹坑對X70環(huán)縫接頭應(yīng)力集中的影響

在X70管道的運輸和安裝過程中，非常容易產(chǎn)生表面凹坑缺陷，如在運輸過程中的擦碰、焊接時候的電弧擦傷等，都會在鋼管的表面產(chǎn)生凹坑缺陷。通常較大凹坑缺陷產(chǎn)生后，一般采用打磨再加上焊補的方法修復(fù)，而較小的凹坑缺陷由于不好返修，通常不做處理，而凹坑缺陷的存在使其更容易成為裂紋源。筆者以各種不同凹坑的3個方向（環(huán)向、徑向和深度方向）的尺寸對引力集中的影響進行了研究。

采用solid183單元，單元尺寸為整體0.5mm，局部地區(qū)如凹坑周圍0.2mm，建立三維凹坑模型。模型及網(wǎng)格如圖12所示。

圖12 含凹坑缺陷的管道模型及網(wǎng)格示意圖

圖13為內(nèi)壓管道凹坑應(yīng)力分布圖。由圖13可知，凹坑缺陷處發(fā)生了應(yīng)力集中，凹坑的環(huán)向邊緣應(yīng)力較小，而最大應(yīng)力發(fā)生在凹坑徑向，三維尺寸為8mm/4mm/4mm凹坑處的最大應(yīng)力為293MPa，應(yīng)力集中較大，同上述咬邊和錯邊的應(yīng)力集中比較，凹坑缺陷引起的應(yīng)力集中最大。

圖13 內(nèi)壓管道凹坑應(yīng)力分布圖

圖14 內(nèi)壓管道應(yīng)力與凹坑尺寸的關(guān)系

圖14為內(nèi)壓管道應(yīng)力與凹坑尺寸的關(guān)系圖。從圖14中可以看出，應(yīng)力集中系數(shù)隨著凹坑環(huán)向尺寸的增大而減小，隨著凹坑徑向尺寸的增大而增大，隨著凹坑深度的增加而增大。

3 結(jié) 論

筆者采用ANSYS軟件研究了X70管道焊接中的焊縫余高、咬邊、錯邊和凹坑等缺陷對接頭應(yīng)力集中系數(shù)的影響，得到結(jié)論如下：

（1）焊縫余高不影響X70管道接頭靜載強度。

（2）錯邊對X70管道環(huán)縫對接接頭的承載能力較小，錯邊量為2mm以內(nèi)的應(yīng)力集中較??；當錯邊量超過2mm以后，應(yīng)力集中增大明顯。

（3）咬邊缺陷對X70管道環(huán)向接頭應(yīng)力集中大于錯邊缺陷。

（4）凹坑缺陷三維尺寸對X70環(huán)縫焊接接頭應(yīng)力集中系數(shù)的影響不同，其中焊縫應(yīng)力集中隨著深度和徑向尺寸的增大而增大，隨著環(huán)向尺寸的增大而減小。

（5）在相同尺寸的所有缺陷中，表面凹坑所引起的應(yīng)力集中系數(shù)最大。在管道的運輸和安裝中要特別注意表面的碰傷，特別是長軸方向即X70管道徑向的凹坑缺陷。

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