学术研究报告：薄壁管道修复焊接变形与残余应力的机理分析

作者及机构
本研究的通讯作者为Ze Chen（哈尔滨工业大学土木工程学院），合作作者包括Yong Liu（哈尔滨工业大学（威海）海洋工程学院）、Ping Wang（哈尔滨工业大学（威海）海洋工程学院）、Hongliang Qian（哈尔滨工业大学及威海校区）、Xiaohui Zhao（吉林大学材料科学与工程学院）和Ninshu Ma（日本大阪大学接合科学研究所）。研究发表于Ocean Engineering期刊，2025年7月出版（Volume 340, 122253）。

学术背景
薄壁环形焊接管道（Girth-welded pipe）广泛用于海洋及海底油气输送系统，但服役中易因损伤需通过修复焊接（Repair welding）恢复结构完整性。然而，修复焊接会显著改变残余应力（Residual stress）和焊接变形（Welding distortion），尤其对薄壁结构可能引发局部应力集中或整体失稳。现有研究多聚焦中厚壁管道，对薄壁管道修复尺寸效应的机理认识不足。本研究旨在通过实验与数值模拟，揭示修复长度对304不锈钢薄壁管道（壁厚2 mm）残余应力及变形的影响规律，并提出优化修复工艺的理论依据。

研究流程与方法
1. 实验设计
- 研究对象：三组304不锈钢薄壁管道（外径254 mm，壁厚2 mm，长度300 mm），分别进行全周焊接（Case A）、15 mm修复焊接（Case B）和50 mm修复焊接（Case C）。
- 焊接工艺：采用手工TIG焊（无填充材料），参数统一（电流85 A，电压12 V，速度150 mm/min，热输入0.408 kJ/mm）。修复区域位于起弧点对侧，管道一端固定，另一端自由旋转。
- 测量方法：
- 变形测量：3D扫描仪（精度0.07 mm）获取径向变形数据，通过点云处理量化与标准圆柱体的偏差。
- 残余应力测量：X射线衍射仪（XRD，μ-X360）基于cosα法测量轴向与环向残余应力，测量路径为焊缝中心线（WCL）对侧，电解抛光去除表面干扰。

1. 数值模拟

   • 模型构建：基于MSC.Marc软件建立三维热-弹-塑性有限元模型，网格局部加密（焊缝区最小单元0.5 mm，厚度方向4层单元）。
     
   • 热源模型：双椭球热源（Goldak模型）模拟焊接热输入，考虑对流、辐射热损失及熔融潜热（260 kJ/kg）。
     
   • 力学分析：将温度场作为热载荷，采用大应变理论计算残余应力与变形，考虑材料非线性（von Mises准则）和退火效应（1000°C以上塑性应变归零）。
     
   • 附加案例：除实验对应的Case A-C外，数值模拟扩展了100 mm（Case D）和150 mm（Case E）修复长度。
     

2. 固有应变法（Inherent strain method）机理分析

   • 通过提取塑性应变作为固有应变，分解为环向收缩（δx）、轴向收缩（δy）和轴向弯曲（θy）分量，量化各分量对变形的贡献。
     

主要结果
1. 残余应力分布
- 短修复（15 mm）：修复区呈现高轴向拉应力（>300 MPa，远超304不锈钢室温屈服强度），环向应力局部集中。
- 长修复（50-150 mm）：外壁轴向与环向应力呈双峰分布，峰值出现在修复区起止端，中部应力接近初始焊接状态；内壁应力始终为高拉应力。
- 机理：短修复时局部约束强，导致全域高应力；长修复时中部约束减弱，但起止端仍受几何不连续影响。

1. 焊接变形特征

   • 短修复：仅修复区附加径向内凹变形（Radial inward deformation），全局变形可忽略。
     
   • 长修复（≥50 mm）：除修复区变形外，出现端部圆度误差（Roundness error）和轴向弯曲变形（Axial bending deformation）。Case E（150 mm）的自由端位移达1.5 mm。
     

2. 固有应变机制

   • 轴向收缩主导端部圆度误差（贡献率60%），轴向弯曲应变对径向内凹变形影响最大（占比45%），环向收缩影响最小（<10%）。
     

结论与价值
1. 科学价值：
- 揭示了薄壁管道修复焊接的应力-变形耦合机制，明确了修复长度对残余应力三维分布及变形模式的影响规律。
- 提出“50-100 mm为最优修复长度区间”的结论，平衡了应力控制与变形抑制的需求。

1. 应用价值：
   
   • 为海洋工程中薄壁管道修复工艺优化提供理论依据，支持结构完整性评估（如避免应力腐蚀开裂）。
     
   • 发展的三维有限元模型与固有应变分析法可推广至其他薄壁结构焊接评估。
     

研究亮点
1. 创新方法：结合高精度3D扫描与XRD应力测量，验证了热-弹-塑性模型的可靠性；首次将固有应变法用于薄壁管道修复焊接变形机理解析。
2. 关键发现：长修复导致的双峰应力分布及端部圆度误差机制为前人研究未充分涉及的现象。
3. 工程指导性：明确短修复适用于局部补强，长修复需警惕全局变形，为ASME等规范补充了薄壁管道修复的量化依据。

其他价值
研究数据表明，修复焊接的热循环可能加剧熔合区晶界脆化（参考Wang et al. 2025对Mg合金的发现），未来可结合微观组织分析进一步深化机理研究。