压力管道焊接热影响区裂纹扩展研究

压力管道 焊接热影响区裂纹扩展研究

肖军 王晓磊

新疆维吾尔自治区特种设备检验研究院 新疆 830000

摘要：现绝大多数构件都属于焊接结构，而长输压力管道便是一种典型。在压力管道运行过程中，管体母材部分或焊缝周围会不可避免地产生裂纹缺陷。而在内部运行压力的作用下，这些裂纹可能高速扩展进入管体，且焊接残余应力的存在对裂纹扩展有很大影响。压力管道裂纹扩展有一个由慢至快的过程，当外载荷达到裂纹起裂条件后，裂纹开始缓慢扩展，当裂纹扩展至一定长度后就会演变成失稳扩展，这时扩展的速度非常快，破坏性大，可能引起泄漏、起火、爆炸等重大事故，酿成巨大的经济损失和人员伤亡，以及不良的社会影响。因此，开展压力管道焊接热影响区裂纹扩展研宄，可为含裂纹压力管道的安全评估和止裂设计提供理论依据和参考。

关键词：压力管道；焊接热影响区；裂纹扩展研究

引言

伴随压力管道材料的不断升级，其尺寸、断裂韧性、焊接性等均己发生变化，对传统压力管道断裂韧性以及焊接性的研宄需要扩展，对含裂纹压力管道的安全评估数据也需要更新。而在高钢级管线钢裂纹的研究中，大部分只停留在标准试件实验研究阶段，而当管线钢用于实际时，由于结构尺寸的变化以及工况的影响，裂纹会呈现出不同的扩展规律，所以对现役压力管道裂纹扩展，特别是压力管道焊接热影响区的研宄是十分迫切的。

1.研究的意义

压力管道是油气运输的主要形式，截止至2013年底，我国的油气压力管道总里程已经达到了10.6万公里，预计至2020年，我国的油气管网总里程将会达到15-20万公里。而压力管道发展的一个主要趋势是大口径、高输送压力以及采用高钢级材料。通过开发和应用高钢级管材，可降低压力管道的壁厚和总体重量，并缩短焊接的时间，以及降低管线建设成本，在今后的管线建设中会大量的使用高钢级管线钢。就陆上压力管道输送压力而言，渐渐从20世纪五六十年代6.3MPa的最高输送压力，到七八十年代lOMPa的输送压力，再到90年代14MPa的最大输送压力。输送压力的提高要求采用更高强度的管线钢，所以近年来制钢行业一直致力于X80以及更高级的管线钢研制。然而，裂纹是压力管道中常出现的一种缺陷，是不可避免的，其原因是：

（1）在压力管道的生产过程中，由于母材压制时产生分层和夹渣、焊缝质量差等都会产生裂纹。

（2）在压力管道现场施工时，由于对压力管道的运输、装卸等操作过程中可能造成压力管道表面划伤，且现场焊接作业时易受环境影响而产生裂纹。

（3）在压力管道的服役过程中，早期在制造或安装过程中产生的微裂纹可能逐渐发展成为宏观裂纹，且管内介质及外部环境都会使压力管道表面滋生腐蚀裂纹。

压力管道在运行过程中发生撕裂，主要是其本身所存在的裂纹失稳扩展后导致的。且管线在铺设过程中，焊接是必不可少的环节，在焊接热影响区更容易受外部环境影响而产生裂纹，且在其运行过程中，裂纹会逐渐扩展，随着尺寸增大最后可能快扩展，且由于焊接导致的残余应力也会影响焊缝周围管线钢的韧性。因此，为了更全面的对含裂纹压力管道进行安全评估，开展高钢级压力管道焊接热影响区裂纹扩展研究，既是对管线力学的一种重要的理论探索，也为评估在役含裂纹缺陷压力管道安全性提供了理论依据，具有重要的意义。

2.压力管道焊接热影响区裂纹扩展研究

2.1完好压力管道极限内压研究

随着压力管道内压的逐渐增大，压力管道会从内壁开始屈服，并逐渐沿厚度方向扩展，直至整个壁厚方向上都屈服；之后若继续施加内压，压力管道便会发生硬化，极限承载能力有所上升，但壁厚减小；当管材的强化效应不能补偿壁厚变薄时就会发生失效破坏，而这时所对应的内压便为极限内压。

2.2塑性极限承载判定准则

极限分析中，对于含裂纹的构件，无论在什么加载方式下，对其进行极限载荷分析通常会涉及到裂纹失稳扩展和塑性极限。当含裂纹结构在外载的作用下而产生净截面屈服，此时构件就处于塑性极限状态，若裂纹开始扩展则构件将处于裂纹失稳扩展状态。

对于长输压力管道而言，其失效模式主要为塑性失效。在计算每一个增量步时，模型中的应力应变都会发生变化，特别是在含缺陷的地方，可根据其应力或应变是否达到容许值来判定压力管道是否失效。本文认为当裂尖处于净截面屈服时，压力管道便达到极限状态，这在实际工程中是偏于保守的。

2.3不同裂纹深度对极限载荷的影响

在三种工况下极限内压均随着裂纹深度而降低，且焊接热处理后的极限内压有明显的提高。由于三种塑性失效评判标准用于裂纹评判时只适用于细长裂纹，即认为裂纹无限长，所以计算值偏于保守，且当裂纹深度越大，与实际偏差越大。当裂纹长度不变时，极限内压随裂纹深度的变化规律。无焊接残余应力处压力管道的极限内压要高于含焊接残余应力的极限内压，且热处理后含焊接残余应力压力管道极限内压也有相应的提升，这是因为热处理后，焊接残余应力降低的原因。随着裂纹深度的加大，无焊接残余应力极限内压在逐渐减小，且减小的速率也逐渐增大；而含残余应力压力管道极限内压随裂纹深度的增大也呈较小趋势，且减小速率先增大后降低，这是因为受焊接残余应力的影响，在深度较浅时，裂纹受残余应力影响较大，随着扩展深度的增大，残余应力在裂纹影响下的释放率也越高，所以裂纹受其的影响也逐渐减弱

2.4不同裂纹长度对极限载荷的影响

无焊接残余应力场下含裂纹压力管道的极限内压要比含焊接残余应力场大，说明焊接残余应力会降低压力管道的强度。且对于中小长度的表面裂纹，三种判定标准均不太适用，所以需要对其进行公式的重新拟合，以适用各种表面裂纹。在具有相同裂纹深度情况下，压力管道极限内压随裂纹长度的变化规律。裂纹半长在70mm之前，含焊接残余应力压力管道与不含残余应力压力管道极限内压变化趋势基本一致，而随着裂纹长度的继续增加，焊接残余应力释放量增大，焊接热影响区裂纹扩展受残余应力的影响将越来越小，所以极限内压的变化速率也逐渐降低，当裂纹长度继续加大后，含焊接残余应力压力管道和无焊接残余应力压力管道极限内压逐渐接近，说明随裂纹长度的增加，焊接残余应力对压力管道极限载荷的影响越来越小。

结语

当管壁厚度增大时，裂纹随内压的变化规律基本一致，但裂纹扩展的起裂内压不同，管壁越厚裂纹扩展起裂内压越大，且裂纹扩展速率随内压的增大也逐渐增大。疲劳裂纹在压力管道壁厚、裂纹形状因子和应力比影响下的变化规律基本一致，当裂纹较浅时，扩展速率较低，随着裂纹深度的不断增大，扩展速率快速提升，直至贯穿管壁。在焊接残余应力的影响下，完好压力管道和含裂纹压力管道的极限载荷都下降了，且热处理有利于焊接压力管道极限载荷提升。随着裂纹长度和深度的增大，焊接残余应力释放率提高，极限载荷受其影响减小。

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