管道環(huán)焊縫冷裂紋試驗方法研究

肖 健，郭曉疆

（中國石油天然氣管道科學(xué)研究院，河北 廊坊065000）

管道環(huán)焊縫冷裂紋試驗方法研究

肖 健，郭曉疆

（中國石油天然氣管道科學(xué)研究院，河北 廊坊065000）

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

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方法的研究工作，也根據(jù)研究材料本身的特點及研究目的制定了相應(yīng)的試驗標(biāo)準(zhǔn)或者應(yīng)用了相關(guān)的裂紋評定試驗標(biāo)準(zhǔn)。由于各種冷裂試驗方法本身具有一定的針對性，并非所有的冷裂試驗都可以達(dá)到對管道環(huán)焊接頭冷裂敏感性進(jìn)行評價的目的。

1 常用冷裂紋試驗方法

國內(nèi)外常用評定冷裂紋敏感性的試驗方法約有20余種，按試驗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。外拘束試驗有插銷試驗、LTP裂紋試驗、應(yīng)力增強裂紋試驗和拉伸拘束裂紋試驗（TRC）；自拘束試驗有斜Y形坡口對接裂紋試驗、U形坡口焊接裂紋試驗、IRC試驗、里海拘束裂紋試驗、CTS裂紋試驗、RGW試驗、環(huán)形鑲塊裂紋試驗、焊道彎曲裂紋試驗、Schnadt壓板對接裂紋試驗、WIC試驗、槽焊接裂紋試驗、對接焊裂紋試驗、十字接頭裂紋試驗、Batelle焊道下裂紋試驗、G-BOP試驗和剛性拘束裂紋試驗(rigid restraint cracking test，簡稱RRC試驗)。

2 試驗方法的初步選擇

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

本研究僅選擇斜Y形坡口試驗、RRC試驗以及里海試驗測定冷裂紋敏感性并進(jìn)行分析比對。

3 冷裂紋試驗的有限元模擬

3.1 斜Y形坡口試驗的有限元模擬

根據(jù)斜Y形坡口試驗要求，建立板厚為22mm的斜Y形坡口試驗的模型，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)率及其與空氣的對流輻射系數(shù)來實現(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）平行施加于焊縫兩個端面，并測量該載荷下焊縫根部產(chǎn)生的垂直于焊縫方向的位移量，以計算斜Y形坡口試驗的拘束度。

圖1 22mm板厚斜Y形坡口試驗有限元分析模型

3.1.1 網(wǎng)格劃分及有限元模擬

為了節(jié)省計算資源，提高計算速度，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，在計算由拉伸載荷產(chǎn)生的位移時，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，用于計算拘束度。

圖2 斜Y形坡口試驗?zāi)Ｐ偷木W(wǎng)格劃分

圖3 有限元模擬的斜Y形坡口試驗焊接過程溫度云紋圖

圖4 有限元模擬的斜Y形坡口試驗冷卻過程溫度云紋圖

圖5 有限元模擬的斜Y形坡口試驗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的位移量

圖7 斜Y形坡口試驗試件拘束度的分布

根據(jù)拘束度定義(單位長度焊縫產(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形坡口試驗各點拘束度的分布如圖7所示。根據(jù)模擬結(jié)果分析可知，斜Y形坡口試驗的各個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，但會增加施工成本及工時，焊接效率較低。

將模擬結(jié)果與試驗結(jié)果比較，試驗過程中，焊接情況較好時斜Y形坡口試驗也會出現(xiàn)一定的裂紋率，若試驗條件較差則會在焊接過程中直接斷裂，而實際中很少出現(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形坡口試驗的拘束過于嚴(yán)格，與模擬分析結(jié)果相吻合。

3.2 RRC試驗

RRC試驗是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)展出的一種試驗方法。該試驗使用單道/多道焊接試樣，寬度和厚度不一，但長度恒定，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。為了測量焊縫的剛度，根據(jù)彈性模量、板材的厚度和測量長度，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。試驗過程中對焊接金屬和熱影響區(qū)進(jìn)行檢驗，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試驗裝置示意圖

試驗過程中需要在RRC試件上標(biāo)出標(biāo)點，焊接開始后，使這一標(biāo)距始終保持不變，直到試驗結(jié)束。RRC試驗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)，以便接近真實情況，但是使用該試驗時進(jìn)行預(yù)熱不易獲得準(zhǔn)確結(jié)果。

由于RRC試驗對試樣尺寸沒有特殊要求，只需要長度統(tǒng)一即可，本次模擬中選擇長150mm、寬150mm、厚22mm的兩塊試板對接，對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)實際情況及模擬軟件的相應(yīng)特點進(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)與實際試驗中所用的參數(shù)相同。模擬計算完成后，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，計算出各點的拘束度見表2。RRC試驗中各點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試驗焊接過程溫度云紋圖

圖11 RRC試驗冷卻過程及冷卻到室溫后橫向應(yīng)力及位移分布

表2 RRC試驗的拘束度

圖12 RRC試驗中試樣各點的拘束度分布

3.3 里海試驗

里海試驗是由美國里海大學(xué)提出的裂紋試驗法，適用于評定碳鋼、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。該試驗是一種拘束度可調(diào)節(jié)的裂紋敏感性試驗，且試件小，試驗成本低，過程較為簡單易控。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，試驗焊縫只有1道，試驗時裂紋一般向焊縫金屬內(nèi)擴(kuò)展，所以該方法適用于檢測材料焊縫金屬和熱影響區(qū)的抗裂性。里海試驗時在試樣兩側(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)這個距離等于某值而恰好引起裂紋時，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 里海試驗試樣的形狀和尺寸

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

X=50mm時里海試驗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。里海試驗的焊接過程模擬如圖15所示。

圖14 里海試驗試樣的幾何模型及網(wǎng)格劃分（X=50mm）

圖15 里海試驗的焊接過程模擬

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個點進(jìn)行加載，加載力2 500 N。

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

表3 里海試驗試樣各點的拘束度

試驗結(jié)果表明，里海試驗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值里海試驗結(jié)果也是如此。

4 結(jié) 論

（1）通過對3種冷裂試驗方法拘束度的有限元計算以及管道對接環(huán)焊縫拘束度的模擬計算，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形坡口試驗和平板對接試驗的焊縫拘束度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于管道對接環(huán)焊縫的拘束度；②里海試驗試樣拘束度的大小與開槽的長度有關(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度可以模擬實際管道的拘束情況。

（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，實現(xiàn)對管道環(huán)焊縫的冷裂敏感性分析。里海試驗是一種拘束度可調(diào)節(jié)的試驗，且試樣小，試驗成本低，過程較為簡單易控，可通過調(diào)節(jié)試樣開槽長度X、試件壁厚δ來模擬實際管道的拘束情況。

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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，主要研究方向為管線鋼焊接工藝及材料性能。

2014－12－12

謝淑霞