0.   前言

管道输送作为成本最低的天然气长距离运输方式，自2004年西气东输一线建成以来，经历了近20年的大规模建设。以2019年底中俄东线北段建成为标志，中国已经形成了“西气东输、北气南下、海气登陆、就近供应”的天然气供应格局^[1]。截至2020年底，中国境内已建成长输油气管道总里程累计1.65×10⁵ km，其中天然气管道约1.02×10⁵ km^[2]。随着新建管道强度等级、管径、壁厚和输送压力的逐步提高，对管道的设计、制管、现场敷设及其服役安全性等方面均提出了更高要求^{[3 − 4]}。目前，高钢级管线钢母材及钢管经过多年技术攻关已经具备较高的综合性能^[5]，而管道现场敷设时的环缝焊接由于受到焊接方法及工艺、施工环境等多种因素制约，环焊接头的质量及性能仍存在较大不足^[6]，对高钢级管道的服役安全产生重要影响。

环焊缝失效是威胁高钢级管道服役安全的主要因素。大量研究表明：管道在试压和运行期间由于环焊接头焊接缺陷、性能不合格、变壁厚或错边、低强匹配等因素导致管道环焊缝产生附加载荷和应变集中，易引起环焊缝失效^[7]。目前，针对环焊缝失效问题的研究多集中于焊接缺陷方面，但大量环焊缝失效案例表明：一些失效的环焊缝处并未发现明显的超标缺陷，由于环焊接头低强匹配导致环焊缝在附加载荷下发生应变集中及后续应变时效导致的性能恶化可能是造成失效的重要原因。强度匹配，即焊缝金属与母材在强度上的差异^[8]。通常强度匹配系数${M_{\text{y}}} $为焊缝金属与母材的屈服强度或抗拉强度之比^[9]。Sabah-Sarawak输气管道（X70钢级、外径914 mm）于2014年和2018年发生2起环焊缝开裂事故，经调查发现环焊缝存在低强匹配现象，导致环焊缝在地质灾害作用下首先失效^[10]。戴联双等学者^[11]分析了中缅线“6·10”失效事故的原因，认为：环焊缝低强匹配导致管道环焊缝承载能力下降，在应变超过0.5%时，管道环焊缝首先发生失效。张宏等学者^[12]基于非线性有限元模拟的方法，对不同强度匹配状态环焊接头的应变能力进行了研究，认为：适当的高强匹配对环焊缝的应变能力有较大提升，当强度匹配系数增大时，焊缝应变能力增强。尤其对于低强匹配的环焊缝与热影响区软化的高强匹配环焊接头而言，当外部载荷超出该区域弹性范围时，焊缝或热影响区处将形成应力和应变集中，缺陷的存在会进一步加剧应力和应变集中程度，导致环焊缝失效。以上研究表明：对于低强匹配接头，当管道承受较大外部拉伸载荷作用使环焊缝处产生的应变集中超过其应变能力时，会引起环焊缝直接开裂失效。

近年因应变时效而导致的环焊缝性能恶化引起了管道从业者的广泛关注^{[13 − 15]}。环焊接头在吊装施工或者服役过程中因地质沉降等可能会发生少量的塑性应变，该塑性应变虽然不会因超过环焊接头的应变极限而导致其直接开裂失效，但是发生少量应变后，在长期服役过程中会因应变时效而导致其韧性发生显著恶化，进而对其服役安全性产生重大影响。该研究团队^[13]前期的研究结果表明：对X80管道自保护药芯焊丝半自动焊环焊缝金属仅施加1%的塑性应变后进行时效处理，环焊缝的冲击韧性由158 J降低至60 J左右，冲击韧性降幅达62%。高杉杉等学者^[14]及王汉奎等学者^[15]的研究也表明：环焊缝的应变时效会使得管道环焊缝发生脆化。

近年大量的环焊接头根部失效案例说明环焊缝根部是整个环焊接头的薄弱点，但是目前关于不同强度匹配状态环焊接头在承载时根部的应变集中规律及其应变时效后性能变化规律的研究较少。文中以强度匹配状态对高钢级管道环焊接头根部应变集中行为及其分布规律的影响为出发点，基于数字图像相关技术（DIC），结合有限元模拟分析，对不同强度匹配状态下环焊接头在承受载荷时的根部应变集中行为进行定量表征及分析，并进一步研究了应变时效作用对环焊接头根部微区韧性的影响，研究成果可为揭示高钢级管道环焊缝失效原因提供理论支撑，对于提升管道的本质安全水平具有重要意义。

1.   试验材料与方法

1.1   试验材料

以填充焊金属与母材的屈服强度之比定义强度匹配系数，焊接制备了3种不同强度匹配状态的环焊接头，焊材选用及焊接工艺参照西三线的焊接工艺规程执行，见表1。其中，1号和2号分别为预制的低强匹配、等强匹配的X80钢环焊接头，管径、壁厚规格均为ϕ1 219 mm×18.4 mm。3号为预制的高强匹配X70钢环焊接头，规格为ϕ1 016 mm×22 mm。各环焊接头的母材、根焊、填充/盖面焊等的力学性能对应地在表1中列出。需要说明的是，在制备环焊接头时，几乎不可能制备得到母材与填充焊金属屈服强度完全相同的环焊接头，因此，文中将填充焊金属与母材的屈服强度之比在1±0.05之内的环焊接头定义为等强匹配。

表  1  不同强度匹配接头的基本信息汇总

Table  1.  Summary of basic information for different strength-matched welded joints

编号	匹配状态	焊接工艺	材料	力学性能
				屈服强度ReH/MPa	抗拉强度Rm/MPa
1	低强匹配	根焊：STT 填充/盖面焊：FCAW-S	X80钢母材	640	690
			根焊焊材：伯乐SG3-P（70S）	406	470
			填充/盖面焊焊材：郝伯特Fabshield X80	560	643
2	等强匹配	根焊：STT 填充/盖面焊：FCAW-S	X80钢母材	580	656
			根焊焊材：伯乐SG3-P（70S）	410	477
			填充/盖面焊焊材：郝伯特Fabshield X80	566	645
3	高强匹配	外焊机根焊+ 外焊机下向填充/盖面焊	X70钢母材	523	640
			根焊焊材：ACL-X52M	453	528
			填充/盖面焊焊材：AFR-85G	554	649

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1.2   试验方法

将预制的环焊接头按照GB/T 2652—2008《焊缝及熔覆金属拉伸试验方法》和GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》标准要求加工成全壁厚拉伸试样，尺寸如图1(a)所示。试验前用砂轮机打磨试样环焊缝截面，以便于喷涂DIC测试用散斑。散斑以白漆为底，均匀覆盖于截面标距段，白漆晾干后再将黑漆弥散喷洒于其表面，如图1(b)所示。全壁厚拉伸试验采用WDW-300E万能试验机以2 mm/min的拉伸速率进行拉伸，并利用DIC全场应变测量及分析系统（XTDIC 9.5）对试样拉伸过程中的应变情况以1幅/s的采集频率进行实时采集，图1(c)所示。DIC采集用相机镜头与试样距离430 mm左右，相机聚焦完成后将相机曝光度调至数值8，并利用标定板对相机进行标定以使系统获得相机内外参数。全壁厚拉伸试验结束后，在XTDIC 9.5系统中创建环焊缝标距段截面区域的散斑域，散斑域长度为60 mm，宽为试样壁厚，包含环焊缝余高，网格尺寸与步长均为10×10像素。散斑域创建完成并将参数调整后创建种子点，2个相机种子点计算误差控制在0.02以内，进行自动计算，获得每一时刻全壁厚拉伸试样散斑域内最大真应变云图。

图  1  全壁厚拉伸试样及试验过程示意图

Figure  1.  Schematic diagram of full wall thickness tensile specimen and test procedure. (a) dimensions of tensile specimen (mm); (b) physical diagram of tensile specimen after speckle spraying; (c) tensile and DIC test system

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采用ABAQUS软件进行不同强度匹配情况下环焊接头全壁厚拉伸过程中应变规律的数值模拟计算。参照西三线焊接工艺规程、图2(a)实际环焊接头形貌及图1中试样尺寸建立了全壁厚拉伸试样的数值模型，如图2(b)所示。为保证模拟精度，将焊接接头部分划分为焊缝、热影响区（HAZ）及母材3大区域，并将焊缝细分为根焊区、填充焊区及盖面焊区，以便于对焊缝与母材强度匹配系数进行设定，进而保证模拟结果更接近于实际焊接接头情况。根焊区、填充/盖面焊区、热影响区的强度匹配系数分别定义为M_根、M_填/盖、M_热。各区网格划分采用八节点减缩积分单元（C3D8R）。母材依据X80管线钢的性能参数设定，其屈服强度设定为555 MPa。在此基础上，根据不同的强度匹配系数计算并赋予各区的屈服强度值，不同的强度匹配系数设置见表2。另外，根据不同区域材料的组织性能特点，设定根焊焊缝金属的屈强比为0.85，母材、填充焊、盖面焊区域的屈强比均设为0.9。各区域材料的其它属性统一设定：密度设为7.85 g/cm³，杨氏模量设为2.05×10⁵ MPa，泊松比设为0.3。有限元模拟全壁厚拉伸时先将模型一端固定装配，在另外一端距离端面中心20 mm空白处设置参考点，并将此端面耦合至参考点处，对参考点施加轴向拉伸位移边界条件。拉伸过程中软件自动生成材料弹性阶段应力应变曲线，对于塑性阶段，通过Ramberg-Osgood方程计算母材及各区应力应变曲线。

图  2  有限元建模示意图

Figure  2.  Schematic diagram of finite element modelling. (a) macro metallography of girth welded joint of the 3rd West-to-East Gas Pipeline; (b) ABAQUS full wall thickness tensile model (mm)

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表  2  有限元模拟各区与母材强度匹配系数设定方案

Table  2.  Scheme for setting strength matching coefficient between finite element simulation of each zone and base material

根焊区 M根	填充/盖面焊区 M填/盖	热影响区 M热
0.8	0.9, 0.95, 1.0, 1.05, 1.1, 1.15, 1.2	0.9
0.9	0.9, 0.95, 1.0, 1.05, 1.1, 1.15, 1.2	0.9
1.0	1.0, 1.05, 1.1, 1.15, 1.2	0.9

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为了对环焊接头根部微区的冲击韧性进行表征，沿内壁根焊处按GB/T 229—2020《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》取2.5 mm×10 mm×55 mm的非标准冲击试样，如图3(a)和图3(b)所示。将试样磨抛后用4%硝酸酒精侵蚀，确定根焊焊缝中心、热影响区、熔合线位置，并分别以3个位置为中心加工缺口，在−10 ℃下进行夏比冲击试验，试验设备采用JB-500B摆锤式冲击试验机。应变时效处理采用先施加预应变后进行时效处理的方式。全壁厚拉伸试样尺寸如图3(c)所示。在全壁厚拉伸过程中，利用DIC设备实时监测环焊接头的应变情况，当环焊接头整体发生1%的塑性应变时停止拉伸。在预应变后的全壁厚拉伸试样中切取图3(a)所示冲击试样，在SGL-1400真空加热炉中进行100 ℃保温6 h的时效处理后加工缺口并进行−10 ℃冲击试验，对比应变时效前后根部微区冲击韧性的变化。

图  3  根部冲击试样尺寸示意图（mm）

Figure  3.  Schematic of root impact specimen size (mm). (a) sampling position; (b) specimen size; (c) sampling of strain-aging impact specimen

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2.   结果及讨论

2.1   不同强度匹配状态环焊接头全壁厚拉伸载荷下局部应变集中分析

不同强度匹配状态环焊接头在全壁厚拉伸过程中不同时刻下测得的DIC应变云图结果如图4所示。由图4可知，低强、等强匹配接头在拉伸过程中根焊、热影响区位置均发生了不同程度的局部应变集中。其中，低强匹配接头由于焊缝整体强度较低，且根焊强度低于填充/盖面焊，所以在拉伸过程中局部应变集中位置首先出现在根焊位置，并随着拉伸的进行应变集中逐渐扩展至整个焊缝。低强匹配接头的颈缩位置及最终断裂位置均位于焊缝中心处，如图4(a)所示。而等强匹配环焊接头的局部应变集中位置起始于盖面焊的热影响区，之后应变集中沿填充焊及根焊的热影响区扩展至整个焊缝，拉伸后期根焊部位的应变集中程度高于热影响区位置；随拉伸过程的进行，该接头沿根焊及热影响区位置发生颈缩并最终断裂于近焊缝区的母材位置，如图4(b)所示。高强匹配环焊接头由于焊缝强度较高而受到保护，焊缝在拉伸过程中不发生局部应变集中，且焊缝的应变程度始终小于母材，随拉伸进行应变集中出现在一侧的母材并最终发生断裂，如图4(c)所示。

图  4  不同强度匹配状态环焊接头拉伸过程中不同时刻DIC最大真应变云图

Figure  4.  DIC maximum ture strain cloud map of tensile process of girth welded joints with different strength matching states at different times. (a) under-matched; (b) even-matched; (c) over-matched

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对基于应力设计的管道而言，管体允许承受的最大应变值为0.5%，因此文中对3种强度匹配状态的环焊接头在全壁厚拉伸过程中，远端母材的应变为0.5%时刻下根焊位置（图4虚线所示路径）的局部应变集中程度进行了定量分析。结果表明：低强、等强匹配接头的局部应变量最高可达7.55%和4.67%，而高强匹配接头未发生应变集中，如图5(a)所示。在现有标准评价体系中，当环焊接头在全壁厚拉伸过程中的断裂位置位于母材或者接头抗拉强度大于名义抗拉强度时，即认为该环焊接头属于高强匹配。但是上述结果表明：即便对于断裂位置位于母材的环焊接头而言，在受到轴向拉伸载荷时，其根焊位置的实际低强匹配、热影响区的软化等均会导致较大的局部应变集中，如图5(b)所示，对其服役安全性造成较大影响。图5(b)为拉伸初期远端母材应变为0.2%时，即管道整体处于弹性变形状态时，低强、等强匹配的环焊接头根部位置已经发生了明显的局部应变集中，局部应变可达2%左右。也就是说，对于低强、等强匹配的环焊接头而言，当管道在服役过程中承受拉伸载荷时，即便管体仍处于弹性阶段时，环焊接头的根部、热影响区等也有可能发生塑性变形，这为环焊接头在长期服役过程中发生应变时效进而导致韧性恶化提供了应变条件。

图  5  远端母材不同应变时刻各强度匹配状态环焊接头应变集中定量曲线

Figure  5.  Quantitative curve of strain concentration in girth welded joints under different strength matching conditions at different times of remote base material. (a) when strain of remote base material is 0.5%; (b) when strain of remote base material is 0.2%

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2.2   不同强度匹配系数环焊接头全壁厚拉伸过程中的应变集中演变规律数值模拟分析

为探索不同根焊、填充/盖面焊强度匹配系数对环焊接头局部应变集中的影响规律，进一步采用ABAQUS模拟分析了全壁厚拉伸过程中的应变集中行为，结果如图6所示。当固定根焊强度匹配系数不变时，如图6(a)所示，M_根=0.8时，随着填充/盖面焊强度匹配系数（M_填/盖）升高，根焊部位的局部应变集中程度越来越低；当填充/盖面焊位置为低强及等强匹配时（0.8＜M_填/盖≤1.0），根焊部位受到拉伸载荷时会产生明显的应变集中，且会向整个焊缝、热影响区及母材扩展；当填充/盖面焊为稍高强匹配时（1.0＜M_填/盖≤1.1），只有根焊及热影响区位置发生局部应变集中；当填充/盖面焊强度匹配系数较高时（M_填/盖＞1.1），环焊接头不发生应变集中。固定M_根=0.9时，如图6(b)所示，结果与M_根=0.8时变化趋势一致。而当M_根=1.0时，如图6(c)所示，当填充/盖面焊位置同为等强匹配时（M_填/盖＝1.0），只有根焊及热影响区位置发生少量应变集中，而当填充/盖面焊为高强匹配时（M_填/盖＞1.0），环焊接头未发生应变集中。对比图6(a)、图6(b)及图6(c)，随着M_根的增大，环焊接头在拉伸过程中的局部应变集中的程度与范围均有较大缓解与缩小。数值模拟结果说明：适当的高强匹配可以降低环焊接头局部应变集中，提高环焊接头的整体抗应变能力。

图  6  远端应变量为0.5%时不同强度匹配状态环焊接头ABAQUS模拟应变云图

Figure  6.  ABAQUS simulation strain contour map of girth welded joints under different strength matching conditions at remote strain of 0.5%. (a) M_r=0.8; (b) M_r=0.9; (c) M_r=1.0

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对各匹配系数环焊接头在母材远端应变量为0.5%时根焊部位的局部应变集中量进行定量分析，结果如图7所示。固定M_根为0.8时，较低填充/盖面强度匹配系数（M_填/盖=0.9）的低强匹配情况下，根焊部位局部应变集中量可达7.56%；随着强度匹配系数的增大，根焊部位应变集中量愈来愈小，较高匹配系数（M_填/盖=1.2）情况下，根焊部位应变集中量仅为0.83%。固定M_根=0.9时，随着M_填/盖由0.9提高至1.2，根焊部位应变集中量也由4.24%降低至0.61%。等强匹配状态下（M_根=1.0，M_填/盖=1.0），根焊部位应变集中量较小，为1.34%。提高填充/盖面的匹配系数至M_填/盖=1.2的情况下，根焊部位应变量仅为0.54%，未发生应变集中，环焊缝受到较好保护。固定M_填/盖=0.9时，随着M_根由0.8提高至0.9，其应变集中量从7.56%降至4.24%，降幅达44%；当M_填/盖=1.2时，随着M_根由0.8提高至1.0，根部的应变量从0.83%降至0.54%，降幅也达35%。结合2.1节中试验结果可知：数值模拟结果与试验数据的结果有较好的吻合，证明了数值模拟的准确性。同时，利用数值模拟能够设置更多的强度匹配系数搭配情况，进而系统揭示不同强度匹配状态对环焊接头局部应变集中的影响规律。当环焊缝整体强度低于母材时，根焊部位应变集中较大，随着填充/盖面焊强度的提高，根焊部位应变集中程度逐渐减小，局部应变集中区域从根焊及热影响区逐渐缩小至焊趾位置。当环焊缝整体强度均高于母材时，根焊位置未发生应变集中。

图  7  远端应变量为0.5%时不同强度匹配系数环焊接头根焊部位应变量变化图

Figure  7.  Strain variation chart of girth welded joints under different strength matching conditions at remote strain of 0.5%

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2.3   应变时效对不同强度匹配状态环焊接头根焊部位韧性的影响分析

为了表征材料对应变时效的敏感程度，通常采用材料应变时效前后冲击韧性降低的百分比来衡量，即应变时效敏感性系数。定义A_K为无预应变无时效处理时材料的冲击吸收能量，A_KS为经受一定应变时效处理后材料的冲击吸收能量，应变时效敏感性系数C为材料经应变时效处理前后的冲击吸收能量平均值之差与无预应变无时效时的冲击吸收能量平均值之比，如式（1）所示

式中：$ \overline{{A}_{\mathrm{K}}} $为无预应变无时效处理时冲击吸收能量的平均值；$ \overline{{A}_{\mathrm{K}\mathrm{S}}} $为经一定应变时效处理后冲击吸收能量的平均值。

不同强度匹配状态环焊接头应变时效前后根焊部位的冲击试验结果见表3。低强及等强匹配环焊接头根焊部位应变时效后其焊缝中心、热影响区、熔合线处韧性均显著下降。其中，低强匹配接头热影响区位置应变时效后冲击韧性降幅最大，可达52.1%，焊缝中心处降幅为48.9%；等强匹配接头熔合线附近应变时效后冲击韧性降幅最大，可达48.1%，焊缝中心处降幅为42.6%，且等强匹配环焊接头各位置经应变时效后韧性下降幅度均小于低强匹配环焊接头。而高强匹配环焊接头各位置经应变时效后韧性降幅最小，最大降幅为7.4%，最小降幅为6.3%。可见，低强、等强匹配的环焊接头整体发生1%应变后经应变时效作用韧性显著下降，尤其是根焊位置的热影响区及熔合线附近。结合图5(b)中结果，当管道整体处于弹性变形状态（远端母材应变0.2%）时，低强、等强匹配的环焊接头根部位置的局部应变已达2%左右，根焊位置的应变时效脆化将会增加长输天然气管道服役过程中的根部开裂风险。环焊接头根部应变集中及应变时效脆化现象在前期的管道设计及可靠性评价中未进行针对性的考虑，需引起管道从业者的重视。

表  3  不同强度匹配环焊接头根焊位置应变时效前后冲击韧性

Table  3.  Impact toughness before and after strain aging in the root welding position of girth welded joints with different strengths matching

位置	低强匹配
	应变时效前冲击吸收能量AK/J			应变时效后冲击吸收能量AKS/J		应变时效敏感性系数C(%)
	单个值	平均值		单个值	平均值
焊缝中心	48,45,42	45		22,24,23	23	48.9
热影响区	75,71,73	73		33,36,36	35	52.1
熔合线	54,49,45	49		22,27,23	24	51.0
位置	等强匹配
	应变时效前冲击吸收能量AK/J			应变时效后冲击吸收能量AKS/J		应变时效敏感性系数C(%)
	单个值	平均值		单个值	平均值
焊缝中心	41,49,51	47		28,27,26	27	42.6
热影响区	74,57,67	66		36,37,36	36	45.5
熔合线	42,54,60	52		28,26,26	27	48.1
位置	高强匹配
	应变时效前冲击吸收能量AK/J			应变时效后冲击吸收能量AKS/J		应变时效敏感性系数C(%)
	单个值	平均值		单个值	平均值
焊缝中心	27,28,25	27		24,26,26	25	7.4
热影响区	29,28,31	30		29,28,27	28	6.7
熔合线	32,31,31	32		33,29,28	30	6.3

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综上可知，低强匹配环焊接头在受外加载荷作用下根焊位置易产生局部应变集中，较大的应变集中与焊接缺陷相耦合可能会引起材料损伤或直接开裂，即便较小程度的应变集中也会为后期服役过程中应变时效的发生提供应变条件，最终导致环焊缝韧性恶化。因此，根据文中的研究结果，建议高钢级管道环焊缝采用整体高强匹配设计，根焊位置也应采用等强或高强匹配。适当提高根焊部位的强度匹配系数，能够改善环焊缝承受拉伸载荷时根焊部位局部应变集中情况，提高环焊接头的抗应变能力，从而提高管道的服役安全性。

3.   结论

（1）除高强匹配外，低强、等强匹配环焊接头的根焊、热影响区位置在全壁厚拉伸过程中均为优先发生局部应变集中位置，当远端应变为0.5%时，根焊部位的局部应变集中最高可达7.55%和4.67%。

（2）数值模拟结果表明：较低匹配系数（M_根=0.8，M_填/盖=0.9）情况下，根焊部位局部应变集中最高可达7.56%，随填充/盖面焊强度匹配系数增高，根焊部位局部应变集中越来越小；较高匹配系数（M_根=1.0，M_填/盖=1.2）情况下，根焊部位局部应变集中量仅为0.54%，未发生应变集中，环焊缝受到较好保护。

（3）应变时效后，低强及等强匹配环焊接头根焊位置焊缝中心、热影响区、熔合线处韧性均显著下降，降幅达42.6%～52.1%，而高强匹配环焊接头各位置经应变时效后韧性降幅较小，说明高强匹配接头具有较高的抗应变时效脆化能力。

（4）建议高钢级管道环焊缝采用整体高强匹配设计，根焊位置也应采用等强或高强匹配，能够有效提高环焊接头的抗应变能力，从而提高管道的服役安全性。