学术研究报告：焊接残余应力对含裂纹环焊缝管道承载能力的影响

本研究的主要作者为中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院及山东省油气储运安全重点实验室的曹宇光、王宇、赵前坤、王中正、甄莹、任辰一，以及中国船舶集团公司沪东中华造船（集团）有限公司的赵前坤。该研究成果以题为《焊接残余应力对含裂纹环焊缝管道承载能力的影响》的论文形式，发表于《焊接学报》2025年第46卷第10期（Transactions of the China Welding Institution, 2025, 46(10): 15-23）。

一、 研究背景 本研究隶属于油气储运工程与焊接结构完整性评估交叉领域，具体聚焦于高钢级长输管道的断裂力学与安全评估。大口径高钢级管道（如X80钢）是我国能源运输的动脉，其连接主要依靠环焊缝焊接。焊接过程中不均匀的热输入不可避免地会产生焊接残余应力，并集中于焊缝区域。大量事故分析表明，环焊缝是管道的薄弱环节，而由焊接缺陷（尤其是裂纹）引发的断裂是其主要失效形式。以往针对含裂纹环焊缝管道断裂行为的研究，多集中于焊缝几何、裂纹尺寸和载荷条件，而焊接残余应力的影响尚不明确。然而，残余应力作为初始应力场，可能显著改变裂纹尖端的应力状态和管道的整体承载与变形能力。因此，明确焊接残余应力对含裂纹环焊缝管道承载能力的具体影响，对于建立更精确的管道完整性评估模型、保障管线安全运行具有重要的理论意义和工程价值。本研究旨在通过建立精细化的动态断裂有限元模型，定量揭示焊接残余应力对管道关键承载性能指标（如最大拉伸载荷、临界位移、拉伸应变能力等）的影响机制。

二、 详细研究流程 本研究构建了一个系统、多步骤的数值模拟与试验标定相结合的完整工作流程，主要包括以下几个关键环节：

1. 材料性能参数获取与损伤模型标定： 研究首先着眼于环焊缝的非均匀性。从一根外径1219毫米、壁厚18.4毫米的X80环焊缝管道上取样，针对母材、焊缝和热影响区三个不同区域分别进行材料性能表征。

   • 弹塑性力学性能获取： 采用小冲杆试验（Small Punch Test），依据国家标准GB/T 29459.1-2012，获取各区域的应力-应变关系。基于Hollomon硬化模型（σ = Kε^n），通过经验关联方法确定了各区域的屈服强度、抗拉强度、弹性模量、强度系数K和硬化指数n等关键参数。
   • GTN损伤参数标定： 为了模拟裂纹的萌生与扩展，研究采用了Gurson-Tvergaard-Needleman (GTN) 细观损伤模型。该模型通过孔洞的形核、生长和聚合来描述材料的损伤演化。为了标定母材、焊缝和热影响区各自的GTN参数（如初始孔洞体积分数f0、临界孔洞体积分数fc、断裂孔洞体积分数ff等），研究者设计了具有中心裂纹的单边缺口弯曲试样，并进行了三点弯曲试验。随后，建立了对应的有限元模型，通过反复试算，使模拟得到的载荷-位移曲线与试验曲线高度吻合，从而反演出各区域准确的GTN损伤参数。这一步骤确保了后续断裂模拟中材料损伤行为的真实性。

2. 焊接过程与残余应力场模拟： 研究对象为上述X80环焊缝管道，采用6层6道焊接工艺。为了高效且准确地获取焊接残余应力场，研究采用了经过验证的数值模拟方法。

   • 热源模型与热分析： 采用ABAQUS 6.14软件，使用“均匀体热源”模型来模拟多层多道焊的热输入。为了提高大型管道焊接模拟的效率，创新性地将每层焊缝以2.5°弧长均匀划分，并利用“生死单元”技术实现热源的移动。热物理性能参数参考已发表的X80钢数据，并通过插值和外推法补充。通过对比模拟与全尺寸管道焊接试验中热电偶测得的特定点（距根焊焊缝及管道内壁均为2毫米的A点）热循环曲线，验证了温度场模拟的准确性，峰值温度误差仅为4.72%。
   • 残余应力场计算： 采用“顺序耦合法”，将上述计算得到的焊接温度场作为热载荷，加载到结构分析模型中，计算得到焊接残余应力场。模型中考虑了与温度相关的力学性能，并采用了各向同性硬化模型。通过“盲孔法”试验测量的管道外表面特定位置的残余应力数据与模拟结果进行对比，两者变化规律基本一致，最大误差在可接受范围内（18.47%），验证了残余应力场模拟的可靠性。

3. 考虑残余应力的动态断裂模拟： 这是本研究的核心创新环节，旨在将焊接残余应力场引入含裂纹管道的断裂分析中。

   • 模型构建与裂纹引入： 首先，基于结构的对称性，建立了1/2管道模型以降低计算成本。模型长度取6倍管径以消除边界效应。关键步骤是采用“子模型技术”：将包含完整残余应力场的全局模型结果（应力、应变状态）精确传递到包含裂纹的局部细化模型（子模型）中。在子模型中，通过用户自定义程序（VUSDFLD）在管道内表面中心预设一个环向裂纹（长180毫米，深6.5毫米），并通过在分析步开始时将裂纹区域单元的状态变量置为1来实现单元的“删除”，从而模拟裂纹的初始存在。
   • 材料赋值与载荷施加： 将步骤1中标定好的各区域弹塑性参数和GTN损伤参数分别赋予子模型中对应的母材、焊缝和热影响区单元。将步骤2计算得到的焊接残余应力场作为“预定义场”导入子模型。最后，在管道一端施加固定约束，另一端施加轴向位移载荷，模拟管道在拉伸作用下的断裂过程。整个断裂分析采用显式动力分析步进行。

三、 主要研究结果 通过上述系统的研究流程，获得了以下关键结果：

1. 焊接残余应力分布特征： 模拟结果表明，焊接残余应力高度集中于环焊缝区域。具体而言，在管道内表面，轴向残余应力为压应力，其绝对值随距焊缝中心距离的增加先升高后降低；环向残余应力为高值拉应力（峰值达618.1 MPa，超过材料屈服强度），并随距离增加迅速下降并转为压应力。在管道外表面，轴向应力在焊趾处为压应力峰值，随后转为拉应力；环向应力则由拉应力转为压应力。这一分布规律与试验测试结果基本吻合，证实了模拟的有效性。

2. 焊接残余应力对裂纹尖端应力场的影响： 在动态断裂过程中，随着裂纹的扩展，环焊缝中的焊接残余应力会重新分布，断裂面上的残余应力显著降低。对比有无残余应力两种情况发现，考虑残余应力时，裂纹尖端的最大Mises应力从974.3 MPa增至1003 MPa，增幅为2.95%。这表明残余应力的存在轻微加剧了裂纹尖端的应力集中。

3. 焊接残余应力对管道宏观承载性能的影响： 通过提取和分析模拟得到的载荷-位移曲线、载荷-裂纹嘴张开位移（CMOD）曲线以及裂纹嘴张开位移-远端应变曲线，得到了定量结论：

   • 对最大承受拉伸载荷和失效时裂纹嘴张开位移（δ_f）影响较小： 焊接残余应力使管道的最大承受拉伸载荷从2.021×10^4 kN略微下降至1.951×10^4 kN，降幅为3.46%；使失效时的裂纹嘴张开位移δ_f从2.41 mm下降至2.32 mm，降幅为3.73%。影响均不显著。
   • 对临界位移和拉伸应变能力（TSC）影响显著： 这是本研究最重要的发现。临界位移（载荷-位移曲线中载荷突然下降点对应的位移，代表管道失稳断裂的临界点）从12.32 mm下降至10.76 mm，下降了12.42%。拉伸应变能力（TSC，管道在拉伸断裂前所能承受的极限远端应变，是应变基设计的关键参数）从0.23%下降至0.20%，下降了13.04%。这两项指标的大幅下降明确表明，焊接残余应力的存在显著降低了管道抵抗拉伸断裂的变形能力和韧性储备。

四、 研究结论与价值 本研究得出明确结论：焊接残余应力虽然对含裂纹环焊缝管道的极限强度（最大拉伸载荷）和失效时的局部变形（裂纹嘴张开位移）影响有限，但会显著削弱管道的延性断裂性能，具体表现为临界位移和拉伸应变能力（TSC）分别下降约12.42%和13.04%。这意味着，在评估含有裂纹缺陷的环焊缝管道安全性时，若忽略焊接残余应力，可能会高估管道在失效前的塑性变形能力，从而带来潜在的安全风险。

本研究的科学价值在于，首次通过一个综合考虑了焊缝材料性能差异、基于试验标定的GTN损伤模型以及经试验验证的焊接残余应力场的动态断裂有限元模型，系统量化了焊接残余应力对管道关键断裂力学参数的影响。其应用价值在于为油气管道，特别是基于应变设计的高钢级管道的完整性评估和寿命预测提供了更精确的分析方法和重要的数据参考。研究结果提示，在管道焊接制造后，采取适当的焊后热处理等措施以释放或降低环焊缝中的残余应力，对于提升管道的抗断裂安全性具有积极意义。

五、 研究亮点 1. 模型创新： 建立了一个全新的、高保真度的“考虑焊接残余应力的含裂纹环焊缝管道动态断裂有限元模型”。该模型创新性地整合了三个关键要素：基于全尺寸试验验证的焊接残余应力场、通过小冲杆试验和三点弯曲试验标定的环焊缝各区域差异化材料与损伤参数（GTN模型）、以及用于模拟裂纹扩展的动态断裂分析。 2. 方法创新： 成功应用“子模型技术”实现了从焊接模拟到断裂模拟的复杂应力场精确传递，并利用用户自定义程序实现了预设裂纹的引入，技术路径清晰、可靠。 3. 研究发现突出： 明确揭示了焊接残余应力对管道承载能力影响的“非对称性”：即对强度指标影响微弱，但对韧性/变形能力指标（临界位移、TSC）有显著的负面影响。这一发现深化了对焊接结构失效机理的理解，具有重要的工程指导意义。 4. 研究系统性强： 从材料基础试验（小冲杆、三点弯曲）到工艺过程模拟（焊接热-力耦合），再到最终的结构失效分析（动态断裂），构成了一个完整、闭环的研究链条，结论坚实可信。

六、 其他有价值内容 文中还详细介绍了用于管道焊接模拟的“均匀体热源”模型的具体实现方式（将焊缝分段并采用生死单元技术），以及通过插值和外推法处理材料高温性能参数的方法，这些对于从事焊接数值模拟的研究者具有参考价值。同时，研究将裂纹起裂作为确定管道TSC的失效准则，这与该领域的前沿研究（如参考文献[6],[18]）保持一致，确保了研究标准的先进性。