焊接残余应力和管道完整性分析

汪翰云，王 慧，张万鹏，鲜林云，常永乐 编译

(1.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西 宝鸡721008；2.宝鸡石油钢管有限责任公司，陕西 宝鸡721008)

焊接残余应力和管道完整性分析

汪翰云1，2，王 慧1，2，张万鹏1，2，鲜林云1，2，常永乐2编译

(1.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西 宝鸡721008；2.宝鸡石油钢管有限责任公司，陕西 宝鸡721008)

简要介绍了残余应力的分类及其产生原因。分析了焊接残余应力对管道疲劳寿命和断裂能力的不利影响。焊后塑性变形也可能与焊接残余应力交互影响整个壁厚层和管子周向最终残余应力的大小和分布状态。借助计算焊接力学(CWM)能够更准确地估算由焊接产生的残余应力和变形，其结果可用于优化和确定管道的结构寿命，分析结果还能有效评估塑性变形对焊接残余应力的影响。通过两个焊接实例验证了焊接残余应力及焊后塑性变形对焊管最终残余应力大小和分布的影响。

焊接；残余应力；塑性变形；管道完整性

1 残余应力介绍

在焊接结构和组件中不可避免会产生残余应力，残余应力会影响焊缝的断裂和疲劳性能，并导致焊接接头的应力腐蚀开裂。残余应力可以通过分析、计算或试验来确定。目前，准确描述和量化残余应力的方法并不多，且现有的模拟工具或者太复杂不便使用，或者太简单而计算结果误差较大。

残余应力可以分为宏观残余应力和微观残余应力，在组件范围内形成的残余应力称为宏观残余应力，在单个晶粒范围内变化或存在于一个晶粒内的称为微观残余应力。宏观残余应力又可分为短期残余应力和长期残余应力。宏观残余应力通常产生于热处理、机加工、二次加工和组装过程中，而微观残余应力通常是由于相与成分间或相变间不匹配而造成。宏观残余应力和微观残余应力可以共同存在于一个组件内。

2 焊接产生的残余应力

焊接是一种金属连接技术，涉及熔化金属填充材料的添加和局部加热的应用。焊接组件的性能受复杂的瞬态温度场和瞬态热应力的影响较大，当应力达到一定程度时会引起屈服，这种屈服发生在熔敷焊缝金属周围，且贯穿组织，当组织冷却时就会产生残余应力。焊缝热影响区 (HAZ)不但会受到循环屈服的影响，而且会受到与焊接循环有关的冷却速度的影响。

此外，在冷却速度和热影响区变形控制相变期间，构件内接头的残余应力会重新分布。一般情况下，焊管有环焊缝和纵焊缝，相对而言，环焊缝对残余应力的影响会更大一些，因此，应更多地关注环焊缝。UOE焊管焊缝通常要进行冷扩径，这会显著降低焊管的残余应力。

3 管道焊接残余应力分析方法及案例

3.1 焊接残余应力分析方法

如前所述，残余应力会显著影响焊缝组织的断裂和疲劳性能，对组件的结构性能有一定影响。当载荷主要为拉伸载荷时，压缩残余应力可能是有益的，反之亦然。到目前为止，仍然很难准确的把残余应力纳入到管道完整性评估中来，原因是此类测量技术较为复杂，且费用较高。另外，由于残余应力的大小和分布高度依赖于焊接过程、材料及几何结构，很难准确建立残余应力分布的数据库。通常假设残余应力等于屈服应力，但这种假设会导致管道完整性评估的结果过于保守。如果通过有限元模拟，建立焊接工艺模型来量化残余应力，建立相应的残余应力场，就能很方便地进行残余应力的相关研究。

在学术界，以有限元分析为基础，用热机械模拟来确定焊接过程中存在的温度及应力场的研究大约有40年的历史。计算焊接力学(CWM)是一种已经确定的并比较成熟的方法，可以作为结构设计的可靠工具，用于优化和参数研究。但目前试验验证焊接模拟方法仍有需要改进的地方：①建模材料，特别是在高温和固体相变方面的；②焊接工艺的精确建模和可能；③复杂的焊接，包括点焊的几何建模。

3.2 轴对称分析案例研究

用轴对称模型来预测φ323.9mm×24.3mm焊管环焊缝的焊接残余应力，焊缝区域的划分结果如图1所示。使用连续热应力有限元分析来评估焊接残余应力。线性元素用于热分析，二次元素用于应力分析。在焊缝区使用细网格法获取焊接过程形成的热梯度，网格由8 345个单元和8 525个节点组成。

图1 焊缝轴对称模型的区域划分

假设焊缝和母材的初始性能相同，通过有限元模型来分析材料性能随温度变化的情况，结果如图2所示。

焊接残余应力模型由传热分析和后续的热应力分析组成。在传热分析中，使用焊接工艺评定报告中的焊接参数计算热流密度。按照Goldak等人的提议使用双椭球热流分布把移动焊接电弧的热量作为一个体积热流，热流以高斯分布在整个体积中，焊接残余应力模型中的热输入和焊接参数见表1。在该模型中，热输入略微增加，PGMAW和GSFCAW两种焊接工艺的焊接功率均采用0.8。假定热对流系数为10 W/m2·K，以辐射率为0.4来表征在空气中的热损失，每道焊接后焊管应冷却至层间温度。

图2 有限元模型分析的焊管母材和焊缝性能随温度变化的情况

表1 焊接残余应力模型中的热输入和焊接参数

在应力分析热传导计算中使用相同的网格划分和线性随动强化模型，模型限制轴向以约束刚体位移。基于随动强化材料模型的焊缝轴向和环向残余应力分布云图如图3所示。

图3 基于随动强化材料模型的焊缝轴向和环向残余应力分布云图

4 管道残余应力的工程关键评估及案例

4.1 残余应力的工程关键评估

管道环焊缝疲劳和断裂评估通常称为工程关键评估(ECA)，焊接残余应力是ECA的一个关键输入参数。在进行ECA时，通常还会使用焊缝纵向或横向简化的残余应力剖面图。为了得到更准确的ECA结果，在评估前，就应该将焊缝，特别是环焊缝的残余应力降到最低。有研究指出，当焊缝残余应力偏高时，建议在考虑载荷控制和位移控制的条件下，在ECA中要使用更准确和不保守的假设。但目前还没有研究位移控制条件下对残余应力如何处理的专用ECA指南。一些试验表明，在大的主要负载下残余应力的影响可以忽略不计。但残余应力和主要负荷之间的相互作用还是很复杂的。

4.1 管道塑性残余应力案例研究

除焊接外，还有一些工艺会导致塑性变形，如轧制、挤压、弯管和安装海洋管道(如卷曲安装)等。在海洋石油天然气管道的安装和运行过程中，管道可能会受到多种附加载荷的影响，如管道卷曲、蛇行运动、地震和冰川的冲击等，这可能会引起管道钢结构的塑性变形，产生残余应力。

以一段规格为φ273.15mm×12.7mm焊管的卷曲铺设为例，采用ABAQUS有限元软件对焊管在卷曲过程中因塑性变形导致的残余应力进行分析，并对分析结果进行比较。

如果忽略管道在安装期间保留的拉伸力和整平器附加的弯曲循环，卷曲辅设过程可以简化为一个弯曲-反弯-整平的过程。在一个弯曲-反弯-整平周期内，管端残余应力分布如图4所示。有研究者推导出简化公式来预测图4中σ1和σ2，结果显示对应于峰值的应力σ1和σ2分别接近中轴(3点钟位置)和处于尖端(12点钟位置)。随后又研究了焊管在承受弯曲-反弯-整平循环时，环焊缝焊接残余应力的变化的情况。

图4 焊管经一次弯曲-反弯-整平后因塑性变形导致的残余应力分布情况

ABAQUS有限元分析 (FEA)验证时所用焊管参数见表2。最初考虑用一个轴对称线性残余应力图(从管子内表面的-0.5σy增加到管子外表面的＋0.5σy)对此案例进行分析。为了研究应变硬化对残余应力分布的影响，模拟过程采用了与前者完全相同的几何模型、边界条件和载荷的单独模型，有限元分析过程采用了具有Ramberg-Osgood材料应力-应变行为的API SPEC 5L X65钢。

表2 ABAQUS有限元分析(FEA)验证时所用焊管参数

对分析结果进行了总结，绘制了弯曲-反弯-整平过程后，管子内和外表面残余应力相对于y的分量σ33，结果如图5所示。图中，y为弯曲过程中到管子中心轴的距离；σ33为管子轴向应力；ABAQUS EP是采用理想弹塑性材料模型计算的ABAQUS有限元分析结果；ABAQUS RO是采用与API SPEC 5L X65钢相近的Ramberg-Osgood材料模型计算的有限元分析结果；Analytical是试验管段ABAQUS有限元分析结果。

图5 环绕管子周向最终纵向残余应力的比较

从图5可以看出，Analytical和ABAQUS EP的结果具有相关性。对其他几何形状的管子在不同初始残余应力条件下的最终残余分布也进行了相应的验证，结果表明，所有研究的案例都具有相似的符合度。

图5的研究结果还表明，应变强化的引入对本研究案例的残余应力分布没有产生显著影响。有限元分析管道模型的数值显示管子的后循环残余曲率小于(1×10-3)/m，这表明反向弯曲半径受应变硬化的影响较小。

为了评估不同焊接残余应力分布对最终残余应力分布的影响，本研究应用了三种不同的初始纵向残余应力分布，如图6所示。同样考虑了一个附加的基本案例(O型)，此种情况下，管子没有任何初始残余应力。所有分析案例的屈服应力和杨氏模量保持不变，分别为448MPa和207 GPa。

图6 三种类型初始纵向残余应力

在经过一个弯曲—反弯—整平循环后，管子外壁的纵向残余应力(分别对应于O，A，B和C四种初始残余应力)的分布如图7所示。从图中可以看出，当|y|＞52mm时，即在弯曲过程中离开管子中心轴52mm，不同类型初始残余应力几乎没有影响最终残余应力的分布。

管子不同位置全壁厚最终纵向残余应力分布如图8所示。由图8(a)可见，12点钟位置的全壁厚最终残余应力也证实了上述观点；由图8(b)可见，在3点钟位置，由于应变水平还未达到整个变形序列的塑性变形区域，因而最终纵向残余应力还保持在初始残余应力的状态。

如果在模型中施加更大的拉伸载荷，受初始残余应力影响严重的区域将远离3点钟和9点钟位置，但不会完全消失。可以进一步认为，残余应力在工作负载(如温度变化和机械载荷)作用下会有一定程度的释放，但是这种影响未被记录，且未能在本研究中说明。基于该案例研究的结果，分析和数值模拟都证实了在远离中性轴位置的焊接残余应力能通过塑性变形(例如卷曲)降低。然而，管子的残余应力最大值出现在中性轴附近，该数值接近于屈服强度。

图7 四种初始残余应力条件下管子外径周围最终纵向残余应力的分布

图8 焊管不同位置全壁厚最终纵向残余应力分布

5 结 语

焊接残余应力的分布有较大的偏差，但可用的焊接残余应力数据是分散的，这也提示我们要在将来的研究中增加数据的可信度水平。目前，有很多残余应力对管道失效(如氢致开裂和应力腐蚀)产生不利影响的案例。人们普遍认为残余应力会显著影响管道完整性及其寿命，这种影响的程度也受到管道的材料性能、制造方法和加热方面的影响。

译自：TORNQVIST R,WANG J,TRONSKAR J P,et al.Welding residual stress and pipeline integrity[C]//Offshore Technology Conference 2014.Kuala Lumpur,Malaysia:SPE,OTC-25039-MS:25-28.

Welding Residual Stress and Pipeline Integrity

Edited and Translated by WANG Hanyun1，2,WANG Hui1，2,ZHANG Wanpeng1，2,XIAN Linyun1，2,CHANG Yongle2
(1.National Engineering Technology Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008，Shaanxi,China;2.Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China)

In this article,it briefly introduced the classification and the cause of the residual stress,analyzed the unfavorable influence of residual stress on fatigue life and fracture capacity of the pipeline.The post-weld plastic deformation may also interact with welding residual stress and affect the magnitude and distribution of the final residual stress state through-thickness and around the pipe’s circumference.With the latest development in Computational Welding Mechanics(CWM),it is today possible to estimate the residual stresses and distortions due to welding more accurately,and the results from which can be used for optimisation and determination of the structural life time of pipelines.Moreover,recent advances in analytical solutions have also enabled efficient estimation of the effects of plasticity on welding residual stresses.Welding residual stress and the influence of post-welding plasticity on final residual stress magnitude and distribution were verified by two examples.

welding;residual stress;plastic deformation;pipeline integrity

TE973

B

1001-3938(2015)03-0067-06

汪翰云(1975—)，女，工程师，从事科技论文翻译及技术编辑工作。

2014-09-28

李 超