含气孔缺陷的管道环焊缝应力分析-中国石油大学北京.PDF

石油科学通报 2016 年 12 月 第 1 卷第3 期：417-424 　油气安全专题　 含气孔缺陷的管道环焊缝应力分析 1 1* 2 1 李燕 ，帅健 ，隋永莉 ，许葵 1 中国石油大学( 北京) 机械与储运工程学院，北京 102249 2 中国石油天然气管道科学研究院，廊坊 065000 * 通信作者, shuaij@ 收稿日期: 2016-11-15 国家科技支撑计划项目(2015BAK16B02) 资助 摘要 焊接质量控制是油气管道安全运营的重要保障。对于高强钢管道，焊接缺陷的尺寸控制是当前管道施工 中的瓶颈问题。在管道对接焊这一关键施工环节中，环焊缝气孔缺陷的形成实难避免。为了研究其尺寸控制指 标的适用性，根据实际管道环焊缝的坡口形状和热影响区材料的软化现象，建立了非线性有限元分析模型。以 管道设计标准为依据，确定了管道环焊缝应力分析的极端载荷条件，并采用基于流动应力的失效判据，对含气 孔缺陷的管道环焊缝进行了应力分析。结果表明，不同径向位置气孔的管道环焊缝应力水平相当，X90 钢级管 道对环焊缝气孔缺陷的容限能力低于X80 钢级管道，现行标准中关于气孔缺陷的3 mm 尺寸控制指标适用于X80 和X90 钢级环焊缝管道。 关键词 环焊缝管道；气孔缺陷；极端载荷条件；应力分析；缺陷尺寸 0 引言 入缺陷的方法阻碍焊接，在特定条件下形成气孔缺 陷[14] ，但是却无法观测气孔缺陷周围的应力分布。为 [1] 了准确描述气孔缺陷周围应力场的分布情况，逐渐开 环焊缝焊接是管道施工建设中的关键环节 ，受 焊接工艺和外界环境的影响，金属在熔化和凝固过 始用有限元模拟方法研究结构的微观缺陷对宏观力学 程中不可避免的会产生滞留气体，进而形成气孔缺 行为的影响[15-18] ，但此类研究仅局限于在微观尺度范 陷[2-4] 。气孔是管道环焊缝中常见的体积型缺陷，不仅 围内探讨夹渣和气孔缺陷。对于管道中的焊缝气孔缺 会减小管道环焊缝的真实截面面积、降低气密性[3-4] ， 陷，标准API Std 1104 和SY/T 4109 仅在尺寸控制方面 还会引发材料强度和韧性下降[5-7] ，引起局部区域应力 做出了规定。然而，随着长输管道朝着大口径、薄壁、 集中，削弱管道环焊缝的抗变形能力。尤其是当气孔 高压力的方向发展，高钢级管线钢的应用对管道环焊 缺陷的尺寸达到一定极限时，会在气孔截面处发生以 缝的质量控制提出了更高的要求[19] 。针对高强钢管道 脆性断裂为主导的失效[7-9] ，对管道的安全运营构成威 的焊缝缺陷，熊庆人等[20] 使用二维有限元模型，分析 胁。因此，分析气孔缺陷对管道环焊缝结构应力状态 了缺陷尺寸和焊缝强度匹配系数对应力的影响。但是， 的影响，并以此为依据来确定管道环焊缝质量控制指 二维模型不足以反映环焊缝管道中气孔缺陷的三维特 标是至关重要的。 性。 目前对焊缝气孔缺陷的研究主要集中于形成机制 鉴于高强钢管道环焊缝质量控制对确保管道安全 及控制措施[10-13] 。在小尺寸试验中，可以通过人工植 十分重要，而现有研究较少涉及含气孔缺陷的管道环 引用格式：李燕, 帅健, 隋永莉, 许葵. 含气孔缺陷的管道环焊缝应力分析. 石油科学通报, 2016, 03: 417-424 LI Yan, SHUAI Jian, SUI Yongli, XU Kui. Stress analysis of circumferential pipeline weld seams with pore defects. Petroleum Science Bulletin, 2016, 03: 417-424. doi: 10.3969/j.issn.2096-1693.2016.03.037 ©2016 中国石油大学( 北京) 清华大学出版社有限公司 418 石油科学通报 2016 年 12 月 第 1 卷第3 期 焊缝应力分析，缺乏针对高强钢管道环焊缝