输油管道螺旋焊缝残余应力分析研究

国内外现发生不少输油管段在水压试验和使用期间突然撕裂的事例，这引起有关专家及工程技术人员的重视。调查发现，螺旋焊缝是输油管道的薄弱部位，由于焊接过程中的约束和局部加热，冷却的收缩效应及金属组织的变化因素，使输油管道产生残余应力。输油管道投入使用后，所有螺旋焊缝都要经受输油管运输介质时产生的种种运行应力，残余应力及迭加力的作用，但焊缝存有缺陷时，可加速裂纹迅速扩展，致使输油管道的承载能力、使用性能下降，特别是对油管的低温脆断有很大的影响。因此对输油管道进行残余应力分析研究是十分有必要的。

输油管的原始情况及试件

输油管是用9mm厚、1200mm宽的16Mn钢板，按58°螺旋升角冷卷成φ720mm的钢管，然后焊成2400mm长的管材，焊丝为M10-MnSi，采用自动焊接，先内壁焊半螺距后，外壁再施补焊，焊缝为15mm宽。因卷板工艺的误差，有些焊缝坡口呈不对称“X”型，35%左右的焊缝没焊透，内有φ0.1-φ1.5mm大小不同的孔洞。

为了取得可靠的数据，我们从输油管上割下4块试板，其中440mm*340mm的1号试板1块，550mm*340mm的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ号试板3块，Ⅰ、Ⅲ号试板用于小孔法，Ⅱ、Ⅳ号试板用于切割法。

测点选择及布片

螺旋焊缝的形成不同于对接焊缝，主应力方向需测定，因此选择两种应变计测试。下面是Ⅰ、Ⅳ号试板的测试情况和结果。

残余应力分析的方法有很多，本次我们采用小孔法和切割法进行残余应力分析。

小孔法仪器采用JHMK残余应力测试仪，用JHZK残余应力精密钻孔装置在试板上钻2.4mm深盲孔，标定试件取输油管母材。

切割法采用JHYC切割法应力测量系统，经φ1.2mm的铝丝切割。由于线切割机行程有限，因此切割前试板上距焊缝熔合线3mm处钻孔φ2mm的通孔以备穿钼丝切割。第一次切割由A→B，第二次切割由C→D，两边联结处分别用锯割开。

残余应力测试结果分析

由Ⅰ号试板测试结果可以看出，小孔测得焊缝1-12点的纵向应力σ_x是拉应力，其最大值为115MPa，约0.25σ_x；垂直焊缝的横向应力σ_y均为压应力，最大值是-439MPa，约0.9σ_y。在垂直焊缝的Y截面上，为了考察焊缝熔合线处的应力大小，距焊缝中心线18mm处选择16和17两个测点。从y截面应力分布图可看出，17点的应力σ_y最大，其值是478MPa，约为1.16σ_y。16点的应力σ_y是-333MPa，约0.8σ_y。

由Ⅳ号试板测试结果可看出，切割法测得焊缝上多数点的最大主应力σ₁与0°轴夹角β接近45°，主应力σ₁和σ₂基本上是在焊缝的纵向及垂直焊缝的横向，1-6点的σ₁是拉应力，最大值是114MPa，约0.25σ₁。σ₂均为压应力，最大值为-249MPa，约0.55σ₂。σ₂的绝对值普遍比σ₁的绝对值大，最大剪应力r_max为147MPa。

由焊缝残余应力分布曲线可看到，两种方法测得的应力分布曲线基本形同，垂直焊缝的应力数值很大，分析其原因，主要是输油管道按58°螺旋升角冷卷成钢管的过程中，轴向必然产生回缩力，致使焊缝形成的同时产生了垂直焊缝的压应力。同时由于钢板的反弹作用，在靠近焊缝熔合线处，使母材两侧的残余应力形成反对称于焊缝分布的情况。

总结

1. 输油管焊缝上的残余应力，其最大、最小主应力分别在焊缝纵向及垂直焊缝的横向上。

2. 应力分布特征为焊缝纵向是拉应力曲线，焊缝横向是压应力曲线。

3. 垂直焊缝的y截面，靠近焊缝的熔合线部位的应力分布曲线反对称于焊缝。

4. 最大拉应力是478MPa，在靠近焊缝的熔合线部位，约1.16σ_x。最大压应力是-439MPa在焊缝上，约0.97σ_y。

测定结果符合输油管卷制过程中螺旋焊缝形成时的受力状况。总的来看，沿焊缝纵向应力分布特征与对接焊缝相同，垂直焊缝横向应力分布情况与其不同。