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在管道施工过程中，管线钢的防腐性设计是可靠性设计考虑的重要因素。应力腐蚀开裂是在拉应力和腐蚀环境下产生的低应力脆性开裂现象。文中借助有限元分析手段，通过建立X80管线钢对接接头有限元模型，预测分析残余应力分布，然后采用X射线衍射法和盲孔法两种测试手段验证仿真结果，并结合工程宏观分析其对防腐性的影响。
01
建立有限元模型
1.1 焊接参数
对接接头管线钢壁厚为22 mm，材料为X80管线钢，X80管线钢的化学成分如表1所示。焊接方法采用焊条电弧焊，焊材采用碱性低氢钠型焊条 E7016，直径3.2 mm，化学成分如表2所示，焊前预热100 ℃，填充盖面材料选用E8010-P1，其化学成分如表3所示。焊接参数为：电弧电压27~28 V，焊接电流120~130 A，焊接速度42 cm/min，坡口形式为单边U型，采用5层10道焊接。
1.2 材料参数的建立
借助JMATPRO软件分析获得模拟用材料X80的材料参数，随温度变化的部分物性参数和力学参数如图1所示。
1.3 网格模型的建立
为保证应力场求解精度，建立比较成熟且能反映焊条电弧焊热源的双椭球热源模型[10]。由于近焊缝和焊趾附近位置残余应力值相对较大，兼顾温度梯度，对焊缝处网格采用加密处理，热影响区与远离焊缝位置采用过渡网格，远离焊缝区域网格稀疏处理。焊缝位置单元尺寸2 mm，单元总数108 648，节点数121 598，如图2所示。
1.4 力学边界条件
在对接接头钢管外表面焊趾位置，沿着焊缝横截面方向，选择圆周位置的单元节点进行X向的位移约束，从而保证X80钢线管有限元模型的横向收缩不受影响;沿焊缝纵向和圆周中心法平面方向，选择对接接头自由边界的管线钢管的外表面单元节点，约束Y向和Z向位移，从而保证模型的纵向收缩不受影响。
02
试验测量方法
2.1 无损X射线衍射法
X射线测定应力为无损检测，其基本原理基于布拉格定律，以一定应力状态下引起的材料晶格应变和宏观应变一致为基本依据。金属材料一般为多晶体，在单位体积含有数量极多、取向各异的晶粒，从空间任意方向都可观察到任一选定的晶面。根据弹性力学方程，通过晶面间距的变化，计算相应晶面的应变值[7]，即
式中ε为晶面应变值;d0为无应力状态下晶面间距。
2.2 盲孔法
盲孔法残余应力测试[8]为无损检测，是在被测工件的表面贴上应变花，通过在应变花的中心对工件打孔，使得应力的平衡受到破坏，产生一定量的应变，测得孔附近的弹性应变增量，便可以用弹性力学原理来推算出小孔处的残余应力。小孔处的主应力和方向可以按下式推算。
式中εA为应变片a的应变量;A、B为应变释放系数。
2.3 试验方法设计
为尽量减小误差，采用两种方法对同一试验件进行测量，先用X射线测定法，再用盲孔法。为验证计算结果的准确性，在进行X射线衍射法测量时需对零应力和高应力校核设备;在进行盲孔法测量时测量点之间需间隔30 mm方能有效释放打孔应力。X80管线钢对接接头焊接后，沿圆周方向选取焊趾位置和焊缝中心位置进行应力测量。
03
仿真结果分析与验证
3.1 周向残余应力测量结果分析
通过仿真计算，获得X80钢线管对接接头周向应力场仿真结果。提取对接接头一侧焊趾位置至相对平滑外表面的残余应力，进行X射线和盲孔法应力测试，结果如图3所示。
由图3可知，从起弧位置到收弧位置，残余应力总体变化趋势呈现先增大，稳弧后应力平稳达到峰值位置后保持，在接近收弧位置，残余应力值减小，与经典对接接头规律一致。在焊接起收弧位置时，焊件所受拘束作用相对较小，同时起收弧位置存在一定的交叉，导致应力值变化不大，起弧位置对收弧位置有一定预热作用，因此焊接应力相对较小，主要表现为压应力;中间部分由于先焊接对后焊接位置的拘束作用力大，应力也大，先增大再减小，主要表现为拉应力。两种测量方法与仿真结果趋势较好吻合。仿真结果与X射线衍射法测量结果误差最大的位置是在距离焊缝起始位置490 mm处，误差为15.9%;仿真结果与盲孔法测量结果误差最大的位置是在490 mm，误差为12.4%，X射线法测量残余应力的结果波动相对较大。
由于测量方法和测量样件的自身特点，X射线衍射法在测量时，对测量表面平面度要求较高，而X80钢线管对接接头的平面有一定的弧度，测量位置晶格尺寸发生畸形变化，导致应力值结果均偏大。两种测量方法变化趋势大致相符，测量值大部分大于仿真值，仿真计算在模型建立的过程中，不考虑填充单元流动性、材料硬化、相变等因素，导致仿真预测的残余应力结果偏小。
3.2 轴向残余应力测量结果分析
轴向残余应力测试和仿真结果如图4所示。
由图4可知，从起弧位置到收弧位置，残余应力总体变化趋势呈现先增大，残余应力达到峰值位置后平稳下降，与经典对接接头规律一致。在焊缝中心位置附近，焊件所受拘束作用相对较大，导致应力值变化大，焊接应力相对较大，主要表现为拉压应力;在接近自由端位置，因不受焊接热输入冷热收缩应变引起的拘束作用，残余应力值相对较小。两种测量方法与仿真结果趋势吻合较好。仿真结果与X射线衍射法测量结果误差最大位置在68 mm处，误差为13.9%;仿真结果与盲孔法测量结果误差最大位置在110 mm处，误差为11.4%，X射线法测量应力的结果波动相对较大。
3.3 工程应用中残余应力对腐蚀性影响
通过不同测量方法获得的残余应力结果，验证了X80管线钢仿真预测残余应力结果的准确性。在实际工程应用反馈的售后应用案例中，巴基斯坦售后保障人员曾经在使用维护过程中发现，X80管线钢焊趾位置的焊缝在长期土壤腐蚀和光照作用下，其长期暴露位置的油漆极容易发生脱落，在环境因素和残余应力等作用下释放有害应变，导致X80管线钢出现局部腐蚀破坏，从而最终导致应力腐蚀开裂，在未发生严重事故的情况下，通过故障排查分析解决了现场应用问题。
04
结论
(1)采用建立的有限元模型对X80管线钢对接接头进行残余应力仿真计算，并用X射线衍射法和盲孔法验证了仿真结果的准确性。仿真结果与两种测量方法吻合度较好，X射线衍射结果高于盲孔法。
(2)从起弧位置到收弧位置，周向残余应力总体变化趋势呈现先增大，稳弧后应力平稳达到峰值位置后保持，在接近收弧位置，残余应力值减小。从起弧位置到收弧位置，轴向残余应力总体变化趋势呈现先增大，残余应力达到峰值位置后平稳下降。
(3)X80管线钢出现局部应力腐蚀开裂，通过有限元仿真技术，预测应力较大位置，对有效防止应力腐蚀开裂有一定的工程应用指导意义。
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