X80钢临氢螺旋焊管中诱发氢富集的力学因素研究

无缺欠螺旋焊管氢浓度场分析

目前大口径长输管线多采用螺旋焊管，螺旋焊管在制管过程中采用了埋弧焊的方法，焊接接头处不仅组织不均匀而且存在较大的焊接残余应力，两者均会导致临氢管线内发生氢的不均匀扩散进而在接头处局部富集。本章考虑了组织变化所带来的氢渗透参数差异，利用ABAQUS软件通过数值模拟的方法研究了螺旋焊管接头残余应力对焊接接头部位氢扩散及氢富集的影响。根据实际的螺旋焊管接头尺寸建立模型，计算工作内压应力影响下的氢浓度分布云图，并进一步计算获得了焊接接头部位在残余应力及工作应力同时作用下的氢浓度分布云图。

螺旋焊管接头残余应力分析

几何模型构建

首先结合实际的螺旋管焊接接头，建立计算用的模型。X80螺旋管的壁厚为18.4 mm，管外径为1219 mm，焊缝螺距为1760 mm，螺旋升角为24.7°。结合如图3-1所示的焊接接头形貌及尺寸，取1/4的螺距采用Solidworks建立模型并导入ABAQUS软件利用软件自带模块进行网格的划分。由于模拟过程主要研究焊接接头部位残余应力及氢浓度分布情况，在划分网格的时候，焊缝、热影响区和附近母材区域网格划分密集。远离焊接接头部位的网格划分相对粗大，网格划分如图3-2所示。这样可以使总网格数减少，既保证了计算的精度，同时还能有效的减少计算所需的时间。

X80钢高温性能参数

焊接过程中，受到高温的影响，管线的物理性能（密度、热导率、比热、热膨胀率）、力学性能都会发生较大的变化，不宜采用常温的性能参数。通过查阅文献，获得了X80钢在不同温度下的物理性能，如表3-1所示。此外，采用Gleeble 3500热模拟试验机进行了400℃～800℃等温条件下X80钢标准拉伸试样的拉伸试验，获得了不同温度下X80钢的应力-应变曲线，如图3-3所示。根据应力-应变曲线，计算得到了不同温度下管线钢的屈服强度和弹性模量，结果列于表3-2中。在计算时假设焊缝材料与母材的物理及力学性能相同。

焊接温度场计算及焊接温度场校核

首先根据焊接条件编写移动热源子程序，利用移动热源程序计算各节点焊接温度场，采用生死单元技术模拟焊缝成型过程和焊接热载荷输入，模拟过程考虑了材料的热物理性能和力学性能随温度的变化，同时假定焊缝金属和母材具备相同的热物理和力学性能。为了精确的分析焊接后的残余应力场，需要对温度场进行校核，将模拟获得的焊接温度场分布云图与实际的焊接接头进行比较，并反复对数值模拟参数进行修正，进而获得与实际接头尺寸匹配良好的计算模型。

根据表3-3所示的螺旋制管焊接工艺参数，结合材料的热物理性能，通过与管线接头截面形貌及尺寸对比，最终得到了如图3-4所示的接头温度场云图。其中，温度不小于1500℃的区域代表焊缝金属，750℃~1500℃的区域代表热影响区，通过与实际接头对比后可以确定，校正后的热源可以准确模拟实际焊接所用热源。

接头残余应力场分布

基于温度场的结果，结合表3-2所示高温力学性能，进一步计算得到了X80螺旋焊管焊接接头的完全冷却后的焊接残余应力分布，应力分布云图如图3-5所示。

由图3-5(a)可以看出，螺旋焊管焊缝及周边热影响区的残余应力显著高于母材区域。将接头区域的云图进一步放大，获得管线焊接接头横截面的残余应力分布云图，如图3-5(b)所示。观察发现，焊缝及热影响区的Mises等效应力峰值已经逼近580 MPa，即将达到材料的屈服强度。

为了更加深入的分析焊接接头应力分布状态，沿图3-5(b)路径1、2和3进行取点，分别对应管线壁厚方向、管线外表面和管线内表面方向，提取焊接接头的沿管线径向(S11)、环向(S22)和轴向(S33)的应力分布曲线，结果如图3-6所示。

对于图3-6所示的路径1（焊缝中心厚度方向）而言，其Mises等效应力已经较接近屈服强度。比较内外焊缝表面的Mises等效应力发现，内焊缝等效应力在550 MPa左右，外焊缝等效应力在580 MPa左右，内焊缝略低于外焊缝，可能是由于外焊过程对内焊过程的后热作用，使其部分残余应力得以消除。针对环向应力、径向应力以及轴向应力：焊缝所受环向应力显著高于径向应力和轴向应力，并且内表面环向应力高于外表面。焊缝中心的轴向应力在管道内表面为拉应力，外表面为压应力，而环向应力和径向应力在管道的内、外表面均为拉应力。由图3-6（b）所示路径2方向应力可以看出，沿螺旋焊管外表面，在焊缝和热影响区处的Mises等效应力值显著高于母材区域。沿路径2上，环向应力、轴向应力以及径向应力相对焊缝中心呈现对称分布。焊缝区域处的环向应力、径向应力为拉应力，轴向应力为压应力，其中以环向应力值最高。焊缝边缘和热影响区过渡的区域存在应力值的突变，环向应力值发生突降，径向应力由焊缝的拉应力转变为近缝区的压应力，轴向应力则出现压应力的峰值。热影响区的环向应力水平最大，为拉应力。图3-6（c）所示为路径3方向接头内表面的应力分布曲线。其应力分布特征与管线外表面的应力分布特征相似，焊缝及热影响区位置的Mises等效应力显著高于周边的母材区，同时三个方向的主应力都关于焊缝中心对称分布。而焊缝区域的应力水平稍低于热影响区。对应的环向应力、径向应力和轴向应力均为拉应力，且其中的环向应力最高。

在管线服役时焊接接头处的应力分布会因内部介质产生的压力作用而发生变化，焊接残余应力场叠加工作应力后获得的耦合应力场最终决定接头区域的氢扩散结果，因此进一步计算了在服役压力为12 MPa时螺旋焊管的耦合应力场分布，计算获得的整体应力分布云图如图3-7所示。由图中可以看出焊缝及热影响区的Mises等效应力仍显著高于附近母材区。在服役条件时，即内压为12 MPa作用下，焊缝区及热影响区的等效应力较无工作内压时有所增加。母材区出现了300 MPa左右的等效应力。为了详细了解内外表面及焊缝中心的应力分布，沿3-7(b)所示的路径1、2和3进行取点，分别对应管线壁厚方向、管线外表面和管线内表面方向，提取焊接接头沿管线径向(S11)、环向(S22)和轴向(S33)的应力分布曲线。最终获得的结果如图3-8所示。

对于3-8（a）所示路径1（焊缝中心厚度方向）而言，外焊缝Mises等效应力在590MPa左右，内焊缝Mises等效应力在580 MPa左右，较无工作内压时等效应力值均有所提高，其中内焊缝由550 MPa左右提高到580 MPa左右，提高较多。从各个方向的应力来看，焊缝的环向应力仍显著高于轴向应力，焊缝中心位置轴向应力在焊缝内表面为拉应力，外表面为压应力。环向应力及径向应力均为拉应力。且与无工作内压相比，环向应力明显增大。在工作内压的影响下，管线有向外膨胀扩大的趋势，由于管线自身的约束，所以环向应力会在残余应力的基础上有所增大。在管线外表面环向应力为450 MPa左右，增大了约100 MPa；管线内表面环向应力为500 MPa，增大了约60 MPa。

对于3-8（b）所示路径2（管线外表面）而言，焊缝区及热影响区的Mises等效应力仍高于母材区，但是相比无工作内压时已经不是特别显著。焊缝区域的环向应力、径向应力及轴向应力均为拉应力。相比无工作内压而言，环向应力明显增大，增大约100MPa。环向应力在焊缝边缘与热影响区间仍有一个突降，但突降幅度有所减少。对于3-8（c）所示路径3（管线内表面）而言，焊缝区及热影响区的Mises等效应力与近焊缝母材区的Mises等效应力相差不大。就各个方向的应力来看，环向应力较无工作内压时增大，且近焊缝母材区的应力比焊缝区的环向应力大。结合三条路径上的各向应力分布来看，在工作内压的影响下，环向应力在无残余应力基础上有所增加，但是不均匀性有所降低，应力梯度有所减少。

氢扩散结果及分析

前期利用高压氢渗透装置，在氢气压力12 MPa条件下对接头不同区域的氢扩散动力学参数进行测试，测试获得的氢扩散动力学参数结果见表3-4。然后以氢活度、应力场为边界条件，以扩散系数、溶解度等为初始条件，在应力场基础上进一步计算工作应力组织均匀、工作应力组织不均匀、耦合应力场组织不均匀三种情况下氢扩散达到稳态后的氢浓度分布云图。其中，图3-9(a)为工作应力下组织均匀的氢浓度分布状态，图3-9(b)为工作应力下组织不均匀的情况，图3-9(c)为考虑接头残余应力与工作应力耦合作用时组织不均匀的情况。

通过对图3-9中的几种情况进行对比可以看出，当不考虑接头残余应力时，氢扩散主要受内外壁氢浓度梯度的影响，即氢的扩散方向是由管线内壁的高浓度区域向管线外表面扩散，扩散至管外壁表面的氢原子复合成为氢气后逸出，因此管线外壁的氢浓度始终为零。结合图3-9(a)也可以看出，没有应力作用时，管线内壁接头区域的氢浓度表现为母材的氢浓度最高（内表面红色区域），焊缝、部分相变区和细晶区的氢浓度稍低且基本一致（内表面显示棕黄色区域），粗晶区的氢浓度最低（内表面绿色区域），氢浓度从管道材料的外表面到内表面呈现梯度均匀下降的规律。

当有应力作用时，焊缝和HAZ以及母材中氢浓度不再呈现由内表面向管外表面梯度降低的关系，焊缝近中心处富集较高的氢浓度。当存在残余应力和工作应力的耦合作用时，最高氢浓度值仍然在母材内管壁，但是焊接接头的近中心处仍有较高的氢浓度。应力对氢浓度的影响高于组织对氢浓度的影响。

本章小结

（1）根据实际螺旋焊管焊接接头尺寸建立数值模拟计算模型，采用与实际焊接工艺一致的参数，编写螺旋焊管焊接子程序，利用生死单元技术获得了螺旋焊管焊接过程的温度场，焊接过程考虑了材料的热物理性能和力学性能随温度的变化。根据焊缝熔合线的实际形貌和尺寸对温度场模拟计算的结果进行反复校核，得到正确的焊接温度场从而保证了后续残余应力场及氢扩散场的准确性。

（2）焊接完成后，焊缝及热影响区区域Mises等效应力值在580 MPa左右，三向应力中环向应力最高。环向应力相对较高且出现了明显的应力集中，外焊缝根部为应力集中位置。在12 MPa的应力环境下，工作压力改变了管道内壁的应力状态；沿着管道外壁，轴向应力、径向应力和环向应力值变化趋势不变，但环向应力明显增大；管道厚度方向上，径向应力和轴向应力值有所减小，环向应力增大。应力峰值均未超过材料的屈服极限，不会发生塑性变形。

（3）以氢渗透试验所得的氢渗透参数作为边界及已知条件，计算获得了工作应力及考虑残余应力耦合工作应力两种情况下的氢浓度分布云图。结果发现，接头区域的不均匀应力作用可显著提高焊缝区域的氢浓度，其他区域影响较小，焊接残余应力以及耦合应力作用下焊缝区域的氢浓度升高2.1倍。接头中焊缝氢浓度决定于静水应力梯度，而HAZ氢浓度则受组织和应力共同影响。