吳 煥，趙潤(rùn)生

（中認(rèn)英泰檢測(cè)技術(shù)有限公司，蘇州 215104）

一種高壓油管焊接質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

吳 煥，趙潤(rùn)生

（中認(rèn)英泰檢測(cè)技術(shù)有限公司，蘇州 215104）

闡述了高壓油管疲勞破壞的原理及危害，建立高壓油管焊接質(zhì)量評(píng)價(jià)力學(xué)模型，通過(guò)有限元分析技術(shù)對(duì)其許用位移輸入進(jìn)行計(jì)算，并結(jié)合應(yīng)變測(cè)量技術(shù)，利用電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，對(duì)高壓油管焊接處的疲勞特性進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，此高壓油管焊接質(zhì)量評(píng)價(jià)方法是可行的，有限元分析技術(shù)和應(yīng)變測(cè)量技術(shù)的結(jié)合使用，保證了試驗(yàn)的安全性和結(jié)果準(zhǔn)確性，此外，利用電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行疲勞耐久試驗(yàn)，操作方便簡(jiǎn)單，成本相對(duì)較低，具有通用性。

高壓油管；焊接；振動(dòng)臺(tái)；疲勞破壞

引言

隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，高壓油管道在汽車(chē)、石油、冶金、機(jī)械、建筑等工業(yè)系統(tǒng)有著廣泛應(yīng)用，承擔(dān)著輸送高壓油的任務(wù)。高壓油管的安全可靠性是使用者最關(guān)心的問(wèn)題。若高壓油管發(fā)生泄露和破壞，可能會(huì)導(dǎo)致危險(xiǎn)油液的大量泄露，而引起燃燒爆炸等危險(xiǎn)，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染。

高壓油管是高壓油路的組成部分，要求油管需要承受一定的油壓而且有一定的疲勞強(qiáng)度，保證管路的密封要求，如車(chē)用高壓油管主要出現(xiàn)在高壓噴射柴油機(jī)和高壓噴射直噴汽油機(jī)中，要求其能承受發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中所需的油壓并且保證管路的密封性[1]。

高壓油管的失效大多是振動(dòng)引起的疲勞失效，很多情況下是由于自身的承載能力和抗疲勞能力不足而引起的。高壓油管接頭處異常振動(dòng)，導(dǎo)致漏油事故，是比較危險(xiǎn)和嚴(yán)重的問(wèn)題。長(zhǎng)距離的高壓油管運(yùn)輸不可避免的需要對(duì)高壓油管進(jìn)行焊接，因此，保證高壓油管自身和焊接后的質(zhì)量水平至關(guān)重要。

1 高壓油管的疲勞失效

高壓油管在實(shí)際工程應(yīng)用中，受溫度、壓力、振動(dòng)等的影響，時(shí)刻承受著交變應(yīng)力，如圖1所示為對(duì)稱(chēng)循環(huán)交變應(yīng)力，這種交變應(yīng)力的應(yīng)力幅σa往往均低于油管的屈服極限，但常年累積，循環(huán)次數(shù)不斷增多，如果這種交變應(yīng)力的應(yīng)力幅大于材料的疲勞極限σ-1（如圖2所示），那么在交變應(yīng)力作用下，微裂紋不斷萌生、集結(jié)、溝通，形成宏觀裂紋，材料就無(wú)法達(dá)到無(wú)限循環(huán)次數(shù)N，導(dǎo)致疲勞失效而突然斷裂。這種應(yīng)力也會(huì)引起油管自身的突然破壞，以及焊接、接頭部位的突然失效，且斷裂前無(wú)明顯的塑性變形。這就是高壓油管的疲勞失效[2]。

從微觀角度來(lái)看，交變應(yīng)力首先引起材料的原子晶格位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，然后位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)聚集導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生，微裂紋沿著結(jié)晶學(xué)方向擴(kuò)展形成滑移帶，從而貫通形成宏觀裂紋，該宏觀裂紋逐漸沿著垂直于最大拉應(yīng)力的方向擴(kuò)展，其兩個(gè)側(cè)面在交變應(yīng)力的作用下，經(jīng)過(guò)反復(fù)擠壓、分開(kāi)，逐漸形成斷口光滑區(qū)，最終導(dǎo)致油管突然斷裂，形成斷口顆粒區(qū)域。

高壓油管在交變應(yīng)力的作用下發(fā)生疲勞失效，主要有如下幾個(gè)特征：

1）破壞時(shí)的名義應(yīng)力值往往低于油管在靜載作用下的屈服應(yīng)力；

2）油管在交變應(yīng)力作用下發(fā)生破壞需要經(jīng)歷一定數(shù)量的應(yīng)力循環(huán)；

2 高壓油管力學(xué)分析

本文研究的高壓油管采用優(yōu)質(zhì)鋼制成，根據(jù)其焊接工藝，結(jié)合材料的S-N特性曲線，設(shè)計(jì)規(guī)定當(dāng)需要滿(mǎn)足應(yīng)力循環(huán)次數(shù)1 000萬(wàn)次而不出現(xiàn)疲勞破壞，高壓油管焊接處表面的應(yīng)力水平不宜超過(guò)118 MPa。

考核6種不同型號(hào)的高壓油管，焊接處強(qiáng)度的考核以焊接處表面的應(yīng)力水平為依據(jù)，因此設(shè)計(jì)如圖3所示懸臂梁式力學(xué)模型，高壓油管端部通過(guò)法蘭與基座固定，法蘭厚度15 mm，焊接后油管全長(zhǎng)450 mm，焊接環(huán)縫距離法蘭尺寸為15 mm或20 mm。應(yīng)力通過(guò)高壓油管自由端施加位移δ進(jìn)行輸入，因此，通過(guò)調(diào)整輸入位移的方向和頻率，能使焊接處得到交替變化的交變應(yīng)力。

涉及的6種不同型號(hào)的高壓油管規(guī)格參數(shù)如表1所示。在實(shí)際疲勞耐久試驗(yàn)中，直接確定油管自由端位移使得焊接處應(yīng)力水平達(dá)到118 MPa，難以實(shí)現(xiàn)，若一開(kāi)始施加的位移過(guò)大，可能會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力超過(guò)屈服極限，直接發(fā)生失效。因此，需要在疲勞耐久試驗(yàn)前，對(duì)油管自由端的位移輸入值進(jìn)行計(jì)算。

圖1 對(duì)稱(chēng)循環(huán)應(yīng)力示意圖

圖2 材料的應(yīng)力—循環(huán)（S-N）曲線

圖3 焊接處強(qiáng)度的考核模型示意圖

表1 高壓油管力學(xué)模型尺寸參數(shù)

利用有限元分析軟件，建立高壓油管的有限元模型，端部法蘭施加固定約束后，在自由端變位施加位移進(jìn)行計(jì)算[3-5]，得出使得焊接點(diǎn)應(yīng)力為118 MPa時(shí)，6種規(guī)格型號(hào)高壓油管自由端的位移如表2所示，其中第二種規(guī)格高壓油管位移和焊接處表面應(yīng)力情況如圖4、圖5所示。

3 高壓油管疲勞耐久試驗(yàn)

3.1 動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量

通過(guò)有限元分析，得到了使得高壓油管焊接處表面應(yīng)為其疲勞極限應(yīng)力時(shí)，高壓油管自由端的位移輸入值，為高壓油管的疲勞耐久試驗(yàn)提供了有力的數(shù)據(jù)參考。但為保證試驗(yàn)的安全性以及結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要在實(shí)際試驗(yàn)中，監(jiān)控高壓油管焊接處實(shí)際的應(yīng)力大小，因此需要運(yùn)用動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量技術(shù)，測(cè)量焊接處的實(shí)時(shí)應(yīng)力。

用電測(cè)法對(duì)其焊接處表面應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試。其測(cè)試系統(tǒng)通常由電阻應(yīng)變片、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀和數(shù)據(jù)采集分析設(shè)備（計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集分析軟件）等三部分組成。測(cè)試原理如圖6所示[6]。

近年來(lái)，船舶載運(yùn)危險(xiǎn)貨物的數(shù)量和種類(lèi)持續(xù)增長(zhǎng)，特別是液化天然氣等液化氣體的運(yùn)輸量大幅攀升，安全形勢(shì)日益嚴(yán)峻，亟需進(jìn)一步強(qiáng)化船舶載運(yùn)危險(xiǎn)貨物安全監(jiān)管要求。與此同時(shí)，《國(guó)際海上人命安全公約》《國(guó)際海運(yùn)固體散裝貨物規(guī)則》等國(guó)際公約規(guī)則和《內(nèi)河交通安全管理?xiàng)l例》《危險(xiǎn)化學(xué)品安全管理?xiàng)l例》等國(guó)內(nèi)法規(guī)，對(duì)船舶載運(yùn)危險(xiǎn)貨物安全監(jiān)管均提出新的要求。并且，按照國(guó)家“放管服”改革的統(tǒng)一部署，船舶載運(yùn)危險(xiǎn)貨物部分行政許可事項(xiàng)已經(jīng)取消或者下放。因此，需要對(duì)該規(guī)定進(jìn)行全面修訂，以適應(yīng)實(shí)踐管理需要、符合國(guó)際公約和上位法并落實(shí)國(guó)家“放管服”改革要求。

測(cè)試時(shí)，將應(yīng)變片粘貼于高壓油管焊接處表面，當(dāng)自由端施加位移，焊接處表面產(chǎn)生微小的機(jī)械變形，粘貼在其表面上的應(yīng)變片亦發(fā)生相同的變化，應(yīng)變片的電阻也發(fā)生相應(yīng)的變化，經(jīng)過(guò)應(yīng)變儀最后輸入到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集分析軟件對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行采集和分析，最終得到測(cè)量點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)值，已知油管的彈性模量，計(jì)算出測(cè)量點(diǎn)的應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)值。

如圖7所示，高壓油管自由端的位移輸入采用電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)實(shí)現(xiàn)，以有限元分析結(jié)果為依據(jù)，變位調(diào)整振動(dòng)臺(tái)的振幅，給自由端輸入頻率恒定的交變振幅，此時(shí)高壓油管焊接處表面產(chǎn)生對(duì)稱(chēng)循環(huán)的交變應(yīng)力，通過(guò)實(shí)時(shí)的應(yīng)力監(jiān)控（如圖8所示），使實(shí)測(cè)應(yīng)力幅達(dá)到118 MPa，記錄此時(shí)振動(dòng)臺(tái)的位移輸入值，如表3所示。

3.2 實(shí)際位移值與有限元分析結(jié)果比較

表2 高壓油管自由端位移有限元分析數(shù)據(jù)

圖4 位移云圖（自由端2.307 mm）

圖5 焊接處表面應(yīng)力（118 MPa）

圖6 高壓油管應(yīng)變測(cè)量原理圖

圖7 高壓油管動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量

電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)實(shí)際位移輸入值（單峰值）較有限元分析結(jié)果整體增大，但誤差較小，均在10 %之內(nèi)，最大誤差為6.6 %。振動(dòng)臺(tái)位移越大，誤差相對(duì)減小。

圖8 高壓油管動(dòng)態(tài)應(yīng)變監(jiān)控曲線

表3 高壓油管自由端位移實(shí)際輸入值

實(shí)際位移相比有限元分析結(jié)果偏大，可能有諸多原因，如：

1）有限元模型中油管端部的法蘭和基座為理想剛性固定，而實(shí)際中采用螺栓固定，可能會(huì)產(chǎn)生一定的位移退讓。

2）有限元模型中油管焊接環(huán)縫較為理想，焊接很集中，而實(shí)際中焊接環(huán)縫具有一定的寬度。

3）實(shí)際位移施加時(shí)，位移施加點(diǎn)較有限元模型中有一定的誤差。

4）實(shí)際應(yīng)變測(cè)量所用的電阻應(yīng)變片具有一定的寬度，帶來(lái)一定的誤差。

綜上，兩者的誤差在可以接收的范圍之內(nèi)，但是很難避免，有限元分析結(jié)果為實(shí)際動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量提供了數(shù)據(jù)支撐，實(shí)測(cè)結(jié)果為有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性提供了驗(yàn)證。

3.3 疲勞耐久試驗(yàn)

通過(guò)動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量得到了6種規(guī)格高壓油管自由端的實(shí)際位移，利用電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，逐個(gè)對(duì)其進(jìn)行疲勞耐久試驗(yàn)。自由端輸入對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)位移幅值，振動(dòng)頻率為25 Hz，振動(dòng)周期1 000萬(wàn)次，計(jì)算出每種規(guī)格的高壓油管試驗(yàn)時(shí)間在111 h以上。試驗(yàn)結(jié)束后6種規(guī)格高壓油管焊接處均未發(fā)生疲勞破壞，其焊接處的質(zhì)量水平滿(mǎn)足了工業(yè)需求。

4 結(jié)論

保證高壓油管的質(zhì)量至關(guān)重要，高壓油管的疲勞失效往往會(huì)帶來(lái)不可挽回的損失。本文利用有限元技術(shù)，對(duì)高壓油管焊接質(zhì)量評(píng)價(jià)模型進(jìn)行了力學(xué)計(jì)算，并通過(guò)實(shí)際動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量，驗(yàn)證了有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性以及該評(píng)價(jià)方法的可行性。在此基礎(chǔ)上，利用電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，對(duì)不同規(guī)格型號(hào)的高壓油管焊接質(zhì)量水平進(jìn)行了疲勞耐久試驗(yàn)，達(dá)到了工業(yè)質(zhì)量要求標(biāo)準(zhǔn)。該評(píng)價(jià)方法操作簡(jiǎn)單，可行性高，在工程應(yīng)用中具有一定的通用性。

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[2]聶毓琴,孟廣偉.材料力學(xué)[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2009,2.

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吳煥（1986.10-），男，工程師，從事環(huán)境可靠性相關(guān)技術(shù)研究、試驗(yàn)驗(yàn)證工作。

趙潤(rùn)生（1984.10-），男，技術(shù)總監(jiān)，從事檢測(cè)技術(shù)研究與實(shí)驗(yàn)室管理工作。

A Method of Welding Quality Evaluation for High Pressure Oil Pipe

WU Huan, ZHAO Run-sheng
(CQC Intime Testing Technology Co., Ltd., Suzhou 215104)

This paper expounds the principle and the damage of fatigue failure of the high pressure oil pipe.Based on establishing the welding quality evaluation mechanical model, the allowable input displacement is calculated by using the finite element analysis technology, and connecting with the strain measurement technology, the fatigue characteristics of the welding points for the high pressure oil pipe is verified using the electric vibration table.Results show that the method of welding quality evaluation for high pressure oil pipe is feasible, and the combination of finite element analysis technology and strain measurement technology ensures the safety and accuracy of the test In addition, using electric vibration table for fatigue test brings convenient operation, relatively low cost and universality.

high pressure oil pipe; welding; vibration table; fatigue failure

TG405

A

1004-7204（2016）05-0058-04