肖 健，郭曉疆

（中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院，河北 廊坊065000）

管道環(huán)焊縫冷裂紋試驗(yàn)方法研究

肖 健，郭曉疆

（中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院，河北 廊坊065000）

國(guó)內(nèi)外常用評(píng)定冷裂紋敏感性的試驗(yàn)方法有20多種，選擇其中的斜Y形坡口試驗(yàn)、剛性拘束裂紋試驗(yàn)（RRC試驗(yàn)）和里海試驗(yàn)進(jìn)行分析對(duì)比。通過對(duì)這3種冷裂試驗(yàn)方法拘束度的有限元計(jì)算以及管道對(duì)接環(huán)焊縫拘束度的模擬計(jì)算，得出以下結(jié)論：①同種材料、同樣焊接工藝條件下，斜Y形坡口試驗(yàn)和平板對(duì)接試驗(yàn)焊縫拘束度遠(yuǎn)大于管道對(duì)接環(huán)焊縫的拘束度；②里海試驗(yàn)拘束度的大小與開槽的長(zhǎng)度有關(guān)，槽越深，拘束度越小；同種材料、同樣焊接工藝條件下，通過改變里海試樣開槽長(zhǎng)度可以模擬實(shí)際管道的拘束情況。

焊管；環(huán)焊縫；冷裂紋；有限元

0 前 言

20世紀(jì)50年代以來，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)做了大量的有關(guān)鋼材及焊縫金屬冷裂敏感性試驗(yàn)方法的研究工作，也根據(jù)研究材料本身的特點(diǎn)及研究目的制定了相應(yīng)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)或者應(yīng)用了相關(guān)的裂紋評(píng)定試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。由于各種冷裂試驗(yàn)方法本身具有一定的針對(duì)性，并非所有的冷裂試驗(yàn)都可以達(dá)到對(duì)管道環(huán)焊接頭冷裂敏感性進(jìn)行評(píng)價(jià)的目的。

1 常用冷裂紋試驗(yàn)方法

國(guó)內(nèi)外常用評(píng)定冷裂紋敏感性的試驗(yàn)方法約有20余種，按試驗(yàn)加載形式可分為有外加載荷和自身拘束兩種應(yīng)力加載形式。外拘束試驗(yàn)有插銷試驗(yàn)、LTP裂紋試驗(yàn)、應(yīng)力增強(qiáng)裂紋試驗(yàn)和拉伸拘束裂紋試驗(yàn)（TRC）；自拘束試驗(yàn)有斜Y形坡口對(duì)接裂紋試驗(yàn)、U形坡口焊接裂紋試驗(yàn)、IRC試驗(yàn)、里海拘束裂紋試驗(yàn)、CTS裂紋試驗(yàn)、RGW試驗(yàn)、環(huán)形鑲塊裂紋試驗(yàn)、焊道彎曲裂紋試驗(yàn)、Schnadt壓板對(duì)接裂紋試驗(yàn)、WIC試驗(yàn)、槽焊接裂紋試驗(yàn)、對(duì)接焊裂紋試驗(yàn)、十字接頭裂紋試驗(yàn)、Batelle焊道下裂紋試驗(yàn)、G-BOP試驗(yàn)和剛性拘束裂紋試驗(yàn)(rigid restraint cracking test，簡(jiǎn)稱RRC試驗(yàn))。

2 試驗(yàn)方法的初步選擇

LTP裂紋試驗(yàn)、應(yīng)力增強(qiáng)裂紋試驗(yàn)、IRC（instrumented restraint cracking）裂紋試驗(yàn)、RGW-19-KR裂紋試驗(yàn)等試驗(yàn)過程復(fù)雜，成本高，控制難度大，且由于控制引起的誤差較大，因此該類試驗(yàn)主要用于基礎(chǔ)性的試驗(yàn)研究，很少用于工程的冷裂敏感性評(píng)定。

本研究?jī)H選擇斜Y形坡口試驗(yàn)、RRC試驗(yàn)以及里海試驗(yàn)測(cè)定冷裂紋敏感性并進(jìn)行分析比對(duì)。

3 冷裂紋試驗(yàn)的有限元模擬

3.1 斜Y形坡口試驗(yàn)的有限元模擬

根據(jù)斜Y形坡口試驗(yàn)要求，建立板厚為22mm的斜Y形坡口試驗(yàn)的模型，如圖1所示。建模完成后，設(shè)定模型相應(yīng)的材料屬性進(jìn)行裝配，設(shè)置邊界條件和加載焊接熱源進(jìn)行焊接；焊接完成后，自然空氣冷卻，在模擬中通過設(shè)置試件的熱傳導(dǎo)率及其與空氣的對(duì)流輻射系數(shù)來實(shí)現(xiàn)熱量的擴(kuò)散，直至冷卻到室溫（假設(shè)環(huán)境溫度20℃）。焊接過程完成后，按照拘束度的定義測(cè)量拘束度。首先加載垂直于焊縫方向的均勻載荷，為了保證力能均勻施加于焊縫上，模擬中將均布的面載荷（壓強(qiáng)）平行施加于焊縫兩個(gè)端面，并測(cè)量該載荷下焊縫根部產(chǎn)生的垂直于焊縫方向的位移量，以計(jì)算斜Y形坡口試驗(yàn)的拘束度。

圖1 22mm板厚斜Y形坡口試驗(yàn)有限元分析模型

3.1.1 網(wǎng)格劃分及有限元模擬

為了節(jié)省計(jì)算資源，提高計(jì)算速度，焊接部分網(wǎng)格劃分較為密集，遠(yuǎn)離焊縫的地方網(wǎng)格劃分較為稀疏，具體網(wǎng)格劃分如圖2所示。有限元模擬的焊接過程、冷卻過程及拉伸過程位移變化的熱源圖如圖3～圖5所示。

由于焊接過程中有一定的殘余應(yīng)力及殘余變形殘留，在計(jì)算由拉伸載荷產(chǎn)生的位移時(shí)，需要用最終垂直于焊縫方向的位移減去焊接殘余的變形量，從而得到拉伸載荷產(chǎn)生的凈位移量，用于計(jì)算拘束度。

圖2 斜Y形坡口試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷木W(wǎng)格劃分

圖3 有限元模擬的斜Y形坡口試驗(yàn)焊接過程溫度云紋圖

圖4 有限元模擬的斜Y形坡口試驗(yàn)冷卻過程溫度云紋圖

圖5 有限元模擬的斜Y形坡口試驗(yàn)拉伸過程位移變化分布圖

3.1.2 有限元模擬結(jié)果分析

焊接過程中產(chǎn)生的位移 （圖中黑線）、拉伸后產(chǎn)生的位移 （圖中紅線）及拉伸產(chǎn)生的凈位移（圖中藍(lán)線）如圖6所示，焊接過程及拉伸后各點(diǎn)的位移量見表1。

圖6 焊接過程及拉伸后的位移變化情況

表1 焊接過程及拉伸后各點(diǎn)的位移量

圖7 斜Y形坡口試驗(yàn)試件拘束度的分布

根據(jù)拘束度定義(單位長(zhǎng)度焊縫產(chǎn)生單位位移所需的力)可算出最大拘束度為131 830 MPa，最小拘束度為20 548 MPa。斜Y形坡口試驗(yàn)各點(diǎn)拘束度的分布如圖7所示。根據(jù)模擬結(jié)果分析可知，斜Y形坡口試驗(yàn)的各個(gè)部位拘束度都比較高，在其中間部位的拘束度最小，但仍然達(dá)到了20 000 MPa以上，這比一般平板焊接的理論值高出了1倍以上，明顯拘束情況較實(shí)際情況嚴(yán)格，根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)制定的焊接規(guī)范安全性高，但會(huì)增加施工成本及工時(shí)，焊接效率較低。

將模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較，試驗(yàn)過程中，焊接情況較好時(shí)斜Y形坡口試驗(yàn)也會(huì)出現(xiàn)一定的裂紋率，若試驗(yàn)條件較差則會(huì)在焊接過程中直接斷裂，而實(shí)際中很少出現(xiàn)直接斷裂的情況，基本都是在服役過程中斷裂。這也說明斜Y形坡口試驗(yàn)的拘束過于嚴(yán)格，與模擬分析結(jié)果相吻合。

3.2 RRC試驗(yàn)

RRC試驗(yàn)是20世紀(jì)60年代早期，由日本大阪大學(xué)制定的在約束程度概念上發(fā)展出的一種試驗(yàn)方法。該試驗(yàn)使用單道/多道焊接試樣，寬度和厚度不一，但長(zhǎng)度恒定，采用圖8所示的閉環(huán)控制系統(tǒng)施加較大的載荷。載荷主要來源于施加的拉伸力及焊接收縮力。為了測(cè)量焊縫的剛度，根據(jù)彈性模量、板材的厚度和測(cè)量長(zhǎng)度，引入了拘束度參數(shù)K，該參數(shù)主要取決于焊縫的預(yù)處理情況和材料及焊縫材料的綜合性能。試驗(yàn)過程中對(duì)焊接金屬和熱影響區(qū)進(jìn)行檢驗(yàn)，從而了解到臨界應(yīng)力、氫含量、預(yù)熱溫度，以及依賴于熱輸入的微結(jié)構(gòu)之間的相互關(guān)系。

圖8 RRC試驗(yàn)裝置示意圖

試驗(yàn)過程中需要在RRC試件上標(biāo)出標(biāo)點(diǎn)，焊接開始后，使這一標(biāo)距始終保持不變，直到試驗(yàn)結(jié)束。RRC試驗(yàn)主要模擬剛性很大的結(jié)構(gòu)件，焊接后完全不能變形而且剛性固定的狀態(tài)，以便接近真實(shí)情況，但是使用該試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行預(yù)熱不易獲得準(zhǔn)確結(jié)果。

由于RRC試驗(yàn)對(duì)試樣尺寸沒有特殊要求，只需要長(zhǎng)度統(tǒng)一即可，本次模擬中選擇長(zhǎng)150mm、寬150mm、厚22mm的兩塊試板對(duì)接，對(duì)接坡口形式與管道焊接保持一致，取坡口角度60°進(jìn)行根焊，觀察其橫向應(yīng)力及位移。

根據(jù)實(shí)際情況及模擬軟件的相應(yīng)特點(diǎn)進(jìn)行模擬假設(shè)，忽略次要因素。RRC試件的幾何模型及網(wǎng)格劃分如圖9所示。

網(wǎng)格劃分完成后進(jìn)行相應(yīng)的邊界條件設(shè)置，然后加載焊接熱源進(jìn)行冷卻，焊接熱源為雙橢球熱源模型，焊接參數(shù)與實(shí)際試驗(yàn)中所用的參數(shù)相同。模擬計(jì)算完成后，在結(jié)果文件中提取橫向應(yīng)力及橫向位移量。RRC試驗(yàn)的焊接過程、冷卻過程及冷卻到室溫后橫向應(yīng)力及位移量分布如圖10和圖11所示。

用應(yīng)力值和該部位焊縫截面積的乘積與該處的橫向位移量相比，計(jì)算出各點(diǎn)的拘束度見表2。RRC試驗(yàn)中各點(diǎn)的拘束度分布情況如圖12所示。由圖12可見，焊縫處的拘束度分布在9 000 MPa左右，且沿焊縫方向拘束度值的變化不大。

圖9 RRC試件的幾何模型及網(wǎng)格劃分

圖10 RRC試驗(yàn)焊接過程溫度云紋圖

圖11 RRC試驗(yàn)冷卻過程及冷卻到室溫后橫向應(yīng)力及位移分布

表2 RRC試驗(yàn)的拘束度

圖12 RRC試驗(yàn)中試樣各點(diǎn)的拘束度分布

3.3 里海試驗(yàn)

里海試驗(yàn)是由美國(guó)里海大學(xué)提出的裂紋試驗(yàn)法，適用于評(píng)定碳鋼、低合金鋼和奧氏體不銹鋼焊接接頭的熱裂紋和冷裂紋敏感性。該試驗(yàn)是一種拘束度可調(diào)節(jié)的裂紋敏感性試驗(yàn)，且試件小，試驗(yàn)成本低，過程較為簡(jiǎn)單易控。試樣形狀和尺寸如圖13所示。在200mm×300mm整板中間開U形坡口，基本原理與斜Y形坡口相似，試驗(yàn)焊縫只有1道，試驗(yàn)時(shí)裂紋一般向焊縫金屬內(nèi)擴(kuò)展，所以該方法適用于檢測(cè)材料焊縫金屬和熱影響區(qū)的抗裂性。里海試驗(yàn)時(shí)在試樣兩側(cè)和兩端開貫穿板厚的槽線，以降低試樣拘束度，通過改變坡口到槽線末端的距離來調(diào)節(jié)拘束度大小。當(dāng)這個(gè)距離等于某值而恰好引起裂紋時(shí)，此值就稱為臨界拘束度，所以該方法可以定量表征引起裂紋的臨界拘束度量值。

圖13 里海試驗(yàn)試樣的形狀和尺寸

按圖13建立系列里海試驗(yàn)試樣幾何模型，分別取X=25mm，33mm，50mm，67mm，75mm和100mm，并進(jìn)行加載，測(cè)定其拘束度。下面以X=50mm的模型進(jìn)行分析。

X=50mm時(shí)里海試驗(yàn)試樣有限元分析幾何模型及其網(wǎng)格劃分如圖14所示。網(wǎng)格劃分完成后，對(duì)模型賦予材料屬性，給定確定的邊界條件，加載焊接熱源進(jìn)行焊接，焊接完成后進(jìn)行空冷到室溫。里海試驗(yàn)的焊接過程模擬如圖15所示。

圖14 里海試驗(yàn)試樣的幾何模型及網(wǎng)格劃分（X=50mm）

圖15 里海試驗(yàn)的焊接過程模擬

焊接完成后，需要在焊縫兩邊加載一定的力使其產(chǎn)生一定橫向位移。由于里海試驗(yàn)兩邊有拘束，所以不能將載荷直接加載在端面上，而是要將載荷加載在焊縫兩邊，模擬過程中在焊縫兩邊取均布的20個(gè)點(diǎn)進(jìn)行加載，加載力2 500 N。

沿焊縫方向取一系列測(cè)量點(diǎn)，導(dǎo)出其焊接后及拉伸后的位移量，計(jì)算拉伸產(chǎn)生的凈位移，就可以得到這些點(diǎn)的拘束度，詳見表3。

表3 里海試驗(yàn)試樣各點(diǎn)的拘束度

試驗(yàn)結(jié)果表明，里海試驗(yàn)試樣的拘束度也是兩邊大、中間較為平均，但兩邊與中間的差值沒有斜Y形坡口試驗(yàn)的大，這與試樣所開的工藝孔有關(guān)，也與兩邊的開槽有關(guān)。不同X值里海試驗(yàn)結(jié)果也是如此。

4 結(jié) 論

（1）通過對(duì)3種冷裂試驗(yàn)方法拘束度的有限元計(jì)算以及管道對(duì)接環(huán)焊縫拘束度的模擬計(jì)算，可以得出以下結(jié)論：①同種材料、同樣焊接工藝條件下，斜Y形坡口試驗(yàn)和平板對(duì)接試驗(yàn)的焊縫拘束度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于管道對(duì)接環(huán)焊縫的拘束度；②里海試驗(yàn)試樣拘束度的大小與開槽的長(zhǎng)度有關(guān)，槽越深，拘束度值越??；同種材料、同樣焊接工藝條件下，通過改變里海試樣開槽長(zhǎng)度可以模擬實(shí)際管道的拘束情況。

（2）選用同種材料（相同的組織）、相同焊接工藝參數(shù)（熱輸入量）的前提下，通過拘束度可調(diào)的試樣，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道環(huán)焊縫的冷裂敏感性分析。里海試驗(yàn)是一種拘束度可調(diào)節(jié)的試驗(yàn)，且試樣小，試驗(yàn)成本低，過程較為簡(jiǎn)單易控，可通過調(diào)節(jié)試樣開槽長(zhǎng)度X、試件壁厚δ來模擬實(shí)際管道的拘束情況。

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Research on Pipeline Circumferential Weld Cold Crack Test Method

XIAO Jian,GUO Xiaojiang
(Pipeline Research Institute of CNPC,Langfang 065000,Hebei,China)

The test methods of cold crack sensitivity evaluation commonly used at home and abroad are more than 20,in this article,the inclined Y type groove test,rigid restraint cracking(RRC)test and Caspian Sea test were selected to conduct analysis and contrast.Through finite element calculation for the above 3 cold crack test methods restraint intensity and simulated calculation of pipeline butt circumferential weld restraint intensity,the following conclusions were obtained:①under the condition of same material and same welding process,the restraint intensity of inclined Y type groove test and plate butt weld is much larger than that of pipeline butt circumferential weld;②the restraint intensity of Caspian Sea test is related to the length of groove,the deeper the groove is,the smaller the constraint intensity is.Under the condition of the same welding process and same material,by changing the groove length of the Caspian Sea sample can simulate the actual pipeline constraint intensity.

welded pipe;circumferential weld;cold crack;finite element

TG457.6

A

1001－3938（2015）04-0026-07

肖?。?988—），男，碩士，助理工程師，主要研究方向?yàn)楣芫€鋼焊接工藝及材料性能。

2014－12－12

謝淑霞