姚海盛，汪 凡，張 勇

中國石油工程建設(shè)公司，北京 100120

N08825復(fù)合管焊接殘余應(yīng)力的X射線衍射測試

姚海盛，汪 凡，張 勇

中國石油工程建設(shè)公司，北京 100120

焊縫及附近區(qū)域的焊接殘余拉應(yīng)力對(duì)復(fù)合管的抗脆斷、疲勞和應(yīng)力腐蝕破壞性能等均有較大的不利影響，易成為系統(tǒng)的最薄弱區(qū)域。采用X射線衍射法對(duì)N08825復(fù)合管焊接接頭環(huán)焊縫表面與焊縫表面軸向殘余應(yīng)力進(jìn)行測試，得出其分布規(guī)律并加以分析，可為后續(xù)調(diào)整應(yīng)力分布，提高管道的抗腐蝕性能提供依據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：N08825復(fù)合管表面焊縫中心線的環(huán)向殘余應(yīng)力幾乎均為拉應(yīng)力，應(yīng)力波動(dòng)較為平緩，在起弧、收弧點(diǎn)位置均存在較大殘余拉應(yīng)力，這對(duì)管道的抗腐蝕性能及疲勞性能有不利的影響；復(fù)合管表面軸向殘余應(yīng)力分布呈對(duì)稱狀態(tài)，在焊縫及其附近區(qū)域均為壓應(yīng)力，隨著與焊縫距離的增大，管道表面殘余應(yīng)力數(shù)值逐漸減小并趨近于零。

N08825復(fù)合管；焊縫殘余應(yīng)力；X射線衍射；測試

眾所周知，焊接過程中的不均勻加熱和冷卻是焊接殘余應(yīng)力和變形產(chǎn)生的根本原因。焊接殘余應(yīng)力會(huì)降低結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、承載能力和抗疲勞性能，焊接變形會(huì)降低結(jié)構(gòu)的裝配精度和尺寸穩(wěn)定性。殘余應(yīng)力與工作應(yīng)力疊加，應(yīng)力峰值將達(dá)到甚至超過材料的屈服強(qiáng)度，降低焊接結(jié)構(gòu)的安全性與可靠性。因此，弄清殘余應(yīng)力的分布規(guī)律是焊接中的重要問題，對(duì)焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行測試，研究其分布規(guī)律尤為必要。

X射線衍射法屬于非破壞性的無損測量法，其原理是先測定應(yīng)變[1]，再按照彈性力學(xué)定律根據(jù)晶面間距的變化由應(yīng)變計(jì)算應(yīng)力值，因而可以測定很小范圍內(nèi)的應(yīng)變。該方法的理論推導(dǎo)嚴(yán)謹(jǐn)，試驗(yàn)設(shè)備日臻完善，測量結(jié)果比較可靠，在使用適當(dāng)?shù)膭兂椒ǎㄈ绺g）后，也能測量殘余應(yīng)力沿試件厚度方向的分布。X射線衍射法在材料及焊接領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用，獲得了廣泛的認(rèn)可。本文采用X射線衍射法對(duì)N08825復(fù)合管焊接接頭殘余應(yīng)力的分布進(jìn)行測試，得出其分布規(guī)律并加以分析，為后續(xù)調(diào)整應(yīng)力分布，提高管道的抗腐蝕性能提供依據(jù)和基礎(chǔ)。

1 X射線衍射應(yīng)力測試的原理與方法

X射線衍射應(yīng)力測定的基本原理是在應(yīng)力作用下結(jié)構(gòu)晶體晶格間距發(fā)生變化，通過X射線對(duì)晶體晶格的衍射，計(jì)算出晶面間距的變化，并與無應(yīng)力狀態(tài)下比較，確定應(yīng)力的數(shù)值[2]。

根據(jù)布拉格方程，在測得X射線發(fā)生衍射后，由入射角θ可算出晶面間距d，從而求得某一方向的應(yīng)力σφ，其公式如下：

式中：E為彈性模量，GPa；μ為泊松比；ψ為所測應(yīng)變方向與試樣表面法線的夾角，（°）；θ0為無應(yīng)力時(shí)的衍射半角，（°）；K為應(yīng)力常數(shù)；M為應(yīng)力因子，M=?（2θ）/?（sin2ψ）。

本實(shí)驗(yàn)中采用sin2ψ法計(jì)算應(yīng)力。sin2ψ法測量次數(shù)多，時(shí)間相對(duì)較長，由測得的應(yīng)變與sin2ψ擬合得到的直線斜率求得表面應(yīng)力σφ[3]。本實(shí)驗(yàn)采用半高寬定峰法，該法把衍射線峰強(qiáng)度一半處的峰寬度中點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的2θ值看作該衍射角，即衍射線半高寬中點(diǎn)的2θ值。

2 殘余應(yīng)力測試

2.1 應(yīng)力測試設(shè)備

測試采用日本理學(xué)（Rigaku）X射線衍射應(yīng)力測定儀。該儀器由測角儀、X射線發(fā)生裝置、樣品架臺(tái)、控制器、冷卻裝置、軟件和電源等幾部分組成。由布拉格方程可知，θ角越大則其測量誤差引起的Δd/d的誤差越小，所以，實(shí)際測量時(shí)應(yīng)選擇θ角盡量大的衍射面，本實(shí)驗(yàn)中鎳元素的推薦衍射角范圍為140°～160°。試樣與探測器以1∶2的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)。其織構(gòu)測角儀用PSPC-10S照射試件，X射線管電壓30 kV，管流2～10 mA，靶材為Cr，采用步進(jìn)掃描。根據(jù)上述參數(shù)選擇原則和鎳元素的性能特點(diǎn)，對(duì)X射線應(yīng)力測試參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并確定了最佳的測試晶面及衍射角度（155°），這樣不僅縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，且減小了實(shí)驗(yàn)誤差。

2.2 測試試件

N08825復(fù)合管試件規(guī)格和焊接方法見表1。殘余應(yīng)力測試分別沿著焊接接頭環(huán)向表面中心線與管道軸向進(jìn)行，應(yīng)力測試取點(diǎn)位置分別見圖1、2。

表1 管道試件

圖1 軸向測點(diǎn)分布

圖2 環(huán)向測點(diǎn)分布

3 測試結(jié)果

3.1 焊縫中心線周向殘余應(yīng)力分布

按照上述方法測得1#～5#管道表面焊縫中心線周向的殘余應(yīng)力分布曲線見圖3。從圖中可以看出，除少數(shù)位置外，管道接頭表面焊縫中心線的環(huán)向殘余應(yīng)力幾乎均為拉應(yīng)力，且殘余應(yīng)力數(shù)值分布在0～240 MPa范圍內(nèi)[4-5]。1#、3#、5#管道試件焊接殘余應(yīng)力的分布規(guī)律基本相同，應(yīng)力波動(dòng)較為平緩，不同環(huán)向位置的應(yīng)力梯度值較小，表明管道內(nèi)覆層的材質(zhì)對(duì)殘余應(yīng)力的數(shù)值大小有一定影響，此外焊接工藝、坡口型式、材質(zhì)等因素均會(huì)對(duì)管道焊縫周向殘余應(yīng)力分布產(chǎn)生影響。2#、4#管道試件焊接殘余應(yīng)力沿環(huán)向分布波動(dòng)較大，應(yīng)力分布無明顯規(guī)律性，但在起弧、收弧點(diǎn)位置均存在較大殘余拉應(yīng)力，這對(duì)管道的抗應(yīng)力腐蝕性能及抗疲勞性能有不利的影響。

圖3 管道試件表面焊縫中心線周向殘余應(yīng)力分布

3.2 管道表面焊縫軸向殘余應(yīng)力分布

1#～5#管道試件焊縫表面軸向的殘余應(yīng)力分布曲線見圖4，其中橫坐標(biāo)為測點(diǎn)的無量綱軸向位置，即測點(diǎn)距中心點(diǎn)O的軸向距離與管道半徑比值為1 000倍。從圖中可以看出，焊接接頭左右兩端的表面軸向殘余應(yīng)力分布呈對(duì)稱狀態(tài)。在焊縫及其附近區(qū)域，1#～5#管道試件焊縫接頭表面軸向殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力，隨著與焊縫距離的增加，管道表面殘余應(yīng)力數(shù)值逐漸減小并趨近于零。殘余應(yīng)力在焊接管道中在一定范圍內(nèi)是自相平衡的，但其分布特點(diǎn)會(huì)隨著焊接管道的坡口形狀、焊縫位置和約束狀態(tài)的不同而不同。在焊接接頭及熱影響區(qū)附近，殘余應(yīng)力值變化較劇烈。焊縫及附近區(qū)域的焊接殘余拉應(yīng)力對(duì)復(fù)合管的抗脆斷、疲勞和應(yīng)力腐蝕破壞性能等均有較大的不利影響，對(duì)管道安全運(yùn)行構(gòu)成潛在的危險(xiǎn)，易成為系統(tǒng)的最薄弱區(qū)域。因此，焊后需采取有效措施，改善焊縫及附近區(qū)域的殘余應(yīng)力分布狀態(tài)，減小乃至消除不利的拉應(yīng)力，使其朝著有利于提高抗應(yīng)力腐蝕性能和疲勞性能的方向轉(zhuǎn)變，以此提高管道的服役壽命和安全性。

4 結(jié)論

（1）N08825復(fù)合管表面焊縫中心線的環(huán)向殘余應(yīng)力幾乎均為拉應(yīng)力，應(yīng)力波動(dòng)較為平緩，在起弧、收弧點(diǎn)位置均存在較大殘余拉應(yīng)力，這對(duì)管道的抗應(yīng)力腐蝕性能及抗疲勞性能有不利的影響。

圖4 管道試件表面焊縫軸向殘余應(yīng)力分布

（2）復(fù)合管表面軸向殘余應(yīng)力分布呈對(duì)稱狀態(tài)，在焊縫及其附近區(qū)域，均為壓應(yīng)力，隨著與焊縫距離的增大，管道表面殘余應(yīng)力數(shù)值逐漸減小并趨近于零。

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用X射線衍射法測量殘余應(yīng)力分布，其數(shù)據(jù)可靠，精確度高，對(duì)復(fù)合管焊接工藝的優(yōu)化具有指導(dǎo)意義，具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。

[1]周上祺.X射線衍射分析原理、方法、應(yīng)用[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，1991.

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

[3]張持重，李冬梅，龐紹平，等.采用X射線法測算金屬材料內(nèi)部殘余應(yīng)力的研究[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，18（4）：73-75.

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X-rayMeasurement for Welding ResidualStress ofN08825 Composite Tube

YAO Haisheng，WANG Fan，ZHANG Yong
China Petroleum Engineering&Construction Corporation，Beijing 100120，China

Welding residual stresses in weld and its nearby zone have unfavorable influence on the resistance capacities of brittle fracture，fatigue and stress corrosion of composite tube，and make the zone easily become the weakest zone. X-ray diffraction method is employed to measure the circumferential surface welding residual stresses of N08825 composite tube welded joints.Then the axial and circumferential surface residual stresses distribution law can be obtained and analyzed.The results show that the residual stresses along weld central line are almost the tensile stresses with gentle stress fluctuation and some peaks at arc welding start and ending points.The axial surface stresses along the composite tube distribute symmetrically with the compressive stresses at weld and nearby zone.With the increasing distance from weld，the surface residualstress decreases gradually and close to zero at last.

N08825 composite tube；weld residualstress，X-ray diffraction；test

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.06.005

姚海盛（1969-），男，廣西陸川人，高級(jí)工程師，1992年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)，2014年畢業(yè)于桂林理工大學(xué)MBA專業(yè)，主要從事石油天然氣產(chǎn)能建設(shè)工程項(xiàng)目管理工作。Email：yaohaisheng@cpecc.com.cn

2016-10-09