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3D-DIC技术在高钢级管道环焊接头力学特性研究中的应用

背景:

长输油气管道会涉及不同壁厚的管段、管件间的焊接,在不等壁厚焊接过程中,因坡口加工难度大易出现焊接缺陷及成形不良、焊后无损检测困难等情况,使不等壁厚环焊接头更易发生失效,探究其根部开裂原因及机理对长输油气管道的服役安全性具有重要意义。

实验内容:

实验预制3种不同错边量及根部成形状态的不等壁厚环焊接头,利用新拓三维3D-DIC非接触全场应变测量系统对它们在全壁厚拉伸过程中的应变集中演变规律进行研究,并对不同成形状态下薄壁侧焊趾位置处的局部应变集中情况定量化表征,以揭示成形状态与不等壁厚接头根部开裂失效间的关系,为提升管道的服役安全性提供理论支撑。

3D-DIC非接触全场应变测量系统用于高钢级管道环焊接头力学特性研究.jpg

3D-DIC数字散斑应变测量系统测试:不同错边量及根部成形状态的不等壁厚接头
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拉伸试验在万能拉伸试验机上进行,拉伸速率为2 mm/min,3D-DIC非接触全场应变测量系统采集频率为1帧/s,拉伸试验与DIC采集同步进行、同步结束。试样断裂后,创建目标区域的散斑域与种子点,3D-DIC非接触全场应变测量系统图像散斑域长度为80 mm,网格尺寸为5 dpi×5 dpi,步长为5 dpi×5 dpi,种子点误差控制在0.02 mm以内,调整3D-DIC非接触全场应变测量系统散斑域的参数设置,获得成像清晰的DIC云图。

结果与分析:

应变集中演变规律

选择3D-DIC数字散斑应变测量系统中的真实主应变,分析3种不同根部成形接头在全壁厚拉伸过程中获得的不同时刻的DIC应变云图。a为拉伸初始时刻;b为弹性变形阶段,各区域应变均匀;c、d、e、f 为塑性变形阶段,出现明显的局部应变不均匀现象;g为颈缩变形阶段。

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3D-DIC非接触全场应变测量系统分析结果,由图a图可以看出,A 类成形试样错边量在 1 mm以内,根部结构突变程度较小,焊后成形较好。

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3D-DIC非接触全场应变测量系统分析结果,由图b可以看出,B 类成形试样错边量较大(2~ 3 mm),因结构突变程度增加导致薄壁侧根部焊趾与厚壁侧盖面焊趾处的过渡角减小,成形较差。

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3种接头在全壁厚拉伸过程中获得的不同时刻的3D-DIC应变云图(应变/%)

3D-DIC非接触全场应变测量系统分析结果,由图c可以看出,C类成形试样因更大的错边量(约4~5 mm)导致根部、盖面两侧焊趾均存在明显的结构突变,特别是薄壁侧根部的过渡角≤90,成形很差。

综上可知,成形状态及错边量不同,不等壁厚接头在拉伸过程中的应变集中规律也有所不同,成形越差,薄壁侧根部焊趾与厚壁侧盖面焊趾连线区域发生的应变集中程度越大,甚至在该连线处直接发生断裂。根部成形状态及错边量对不等壁厚接头承受轴向载荷时的应变响应有重要影响,对其服役安全性也有不同程度的影响。

局部应变量化表征

对于基于应力设计的长输管线,一般要求管体远端应变不超过 0.5%,即不超过管材的弹性极限,因此着重对管体远端应变 εrem=0.5%时刻的局部应变集中位置的最大应变 εcon 进行量化分析。因接头两侧壁厚不同,在强度相当的情况下薄壁侧母材的应变集中程度大于厚壁侧的应变集中程度,因此εrem=0.5%的确定依据薄壁侧管段壁厚中心部位的工程应变计算。

3D-DIC非接触全场应变测量系统分析结果,3 种接头沿截线的应变分布情况如图所示:
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A类变形
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B类变形
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C类变形

3D-DIC非接触全场应变测量结果:3种接头沿截线的应变分布情况

应变集中情况有限元模拟

3D-DIC非接触全场应变测量系统分析结果,为了进一步验证不等壁厚接头的应变集中规律,分别建立与 A 类成形和 C 类成形局部结构一致的有限元模型。

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不等壁厚接头拉伸试样有限元模型
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不同成形接头有限元模拟应变分布云图

3D-DIC非接触全场应变测量系统分析结果,可以看出,有限元模拟得到的应变演变规律分别与A类变形、C类变形图中DIC实物拉伸试验得到的应变演变过程基本一致。数值模拟的结果验证了3D-DIC技术测试结果及应变集中规律的准确性,也进一步证实了不同根部成形状态及错边量对不等壁厚接头应变集中规律有较大的影响。

局部应变集中演变规律成因分析

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等壁厚接头、不等壁厚接头受力状态分析示意图
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根焊层的显微硬度分布

不等壁厚接头在拉伸过程中的受力状态较为复杂,拉伸力的偏心、错边量的存在会使附加弯矩增大,薄壁侧根部焊趾部位的成形也随之变差,两者相互耦合导致不等壁厚接头易在薄壁侧根部焊趾与厚壁侧盖面焊趾处发生应变集中。

此外,因根焊强度低,热影响区也存在软化现象,使薄壁侧根部焊趾位置更容易发生变形,导致应变集中最大位置位于根部薄壁侧焊趾位置。

实验结论

1)利用新拓三维数字图像相关法(Digital Image Correlation,DIC)技术和有限元数值模拟等方法,对等壁厚环焊接头受载时应变规律的研究,并通过对 3 种不同错边量及根部成形的不等壁厚环焊接头进行全壁厚拉伸,观察其在拉伸过程中的应变规律。

2)错边量和根部成形对不等壁厚接头在承受拉伸载荷时的应变集中程度和分布规律有显著影响,随着错边量增大、根部成形变差,薄壁侧根部焊趾与厚壁侧盖面焊趾连线区域的应变集中程度增大,应变集中区域减小。当根部成形很差时,不等壁厚接头因该连线区域的应变集中过大而在该区域发生断裂。

3)在管体远端应变达到0.5%时,成形越差,根部、盖面应变集中越严重,较大的应变集中可能会导致材料损伤,为裂纹的萌生与扩展提供有利条件。

4)不等壁厚接头在拉伸过程中的受力状态较为复杂,拉伸力的偏心、局部成形差、错边量大、根部的低强匹配原则、热影响区的软化作用等原因,更易引起薄壁侧根部焊趾位置的局部应变集中过高,为管线长期服役埋下安全隐患。

案例摘自:【Peng Sun, Chongqing University, the State Key Laboratory of Power Transmission Equipment and System Security and New Technology.In Situ Full-Field Deformation Characterization ofPower Module and FEA Model Calibration Based on Stereo Digital Image Methodology】


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