背景：

長輸油氣管道會涉及不同壁厚的管段、管件間的焊接，在不等壁厚焊接過程中，因坡口加工難度大易出現(xiàn)焊接缺陷及成形不良、焊后無損檢測困難等情況，使不等壁厚環(huán)焊接頭更易發(fā)生失效，探究其根部開裂原因及機理對長輸油氣管道的服役安全性具有重要意義。

實驗內(nèi)容：

實驗預(yù)制3種不同錯邊量及根部成形狀態(tài)的不等壁厚環(huán)焊接頭，利用新拓三維3D-DIC非接觸全場應(yīng)變測量系統(tǒng)對它們在全壁厚拉伸過程中的應(yīng)變集中演變規(guī)律進行研究，并對不同成形狀態(tài)下薄壁側(cè)焊趾位置處的局部應(yīng)變集中情況定量化表征，以揭示成形狀態(tài)與不等壁厚接頭根部開裂失效間的關(guān)系，為提升管道的服役安全性提供理論支撐。

3D-DIC數(shù)字散斑應(yīng)變測量系統(tǒng)測試：不同錯邊量及根部成形狀態(tài)的不等壁厚接頭

拉伸試驗在萬能拉伸試驗機上進行，拉伸速率為2 mm/min，3D-DIC非接觸全場應(yīng)變測量系統(tǒng)采集頻率為1幀/s，拉伸試驗與DIC采集同步進行、同步結(jié)束。試樣斷裂后，創(chuàng)建目標(biāo)區(qū)域的散斑域與種子點，3D-DIC非接觸全場應(yīng)變測量系統(tǒng)圖像散斑域長度為80 mm，網(wǎng)格尺寸為5 dpi×5 dpi，步長為5 dpi×5 dpi，種子點誤差控制在0.02 mm以內(nèi)，調(diào)整3D-DIC非接觸全場應(yīng)變測量系統(tǒng)散斑域的參數(shù)設(shè)置，獲得成像清晰的DIC云圖。

結(jié)果與分析：

應(yīng)變集中演變規(guī)律

選擇3D-DIC數(shù)字散斑應(yīng)變測量系統(tǒng)中的真實主應(yīng)變，分析3種不同根部成形接頭在全壁厚拉伸過程中獲得的不同時刻的DIC應(yīng)變云圖。a為拉伸初始時刻；b為彈性變形階段，各區(qū)域應(yīng)變均勻；c、d、e、f 為塑性變形階段，出現(xiàn)明顯的局部應(yīng)變不均勻現(xiàn)象；g為頸縮變形階段。

3D-DIC非接觸全場應(yīng)變測量系統(tǒng)分析結(jié)果，由圖a圖可以看出，A 類成形試樣錯邊量在 1 mm以內(nèi)，根部結(jié)構(gòu)突變程度較小，焊后成形較好。

3D-DIC非接觸全場應(yīng)變測量系統(tǒng)分析結(jié)果，由圖b可以看出，B 類成形試樣錯邊量較大（2~ 3 mm），因結(jié)構(gòu)突變程度增加導(dǎo)致薄壁側(cè)根部焊趾與厚壁側(cè)蓋面焊趾處的過渡角減小，成形較差。

3種接頭在全壁厚拉伸過程中獲得的不同時刻的3D-DIC應(yīng)變云圖（應(yīng)變/%）

3D-DIC非接觸全場應(yīng)變測量系統(tǒng)分析結(jié)果，由圖c可以看出，C類成形試樣因更大的錯邊量（約4~5 mm）導(dǎo)致根部、蓋面兩側(cè)焊趾均存在明顯的結(jié)構(gòu)突變，特別是薄壁側(cè)根部的過渡角≤90，成形很差。

綜上可知，成形狀態(tài)及錯邊量不同，不等壁厚接頭在拉伸過程中的應(yīng)變集中規(guī)律也有所不同，成形越差，薄壁側(cè)根部焊趾與厚壁側(cè)蓋面焊趾連線區(qū)域發(fā)生的應(yīng)變集中程度越大，甚至在該連線處直接發(fā)生斷裂。根部成形狀態(tài)及錯邊量對不等壁厚接頭承受軸向載荷時的應(yīng)變響應(yīng)有重要影響，對其服役安全性也有不同程度的影響。

局部應(yīng)變量化表征

對于基于應(yīng)力設(shè)計的長輸管線，一般要求管體遠端應(yīng)變不超過 0.5%，即不超過管材的彈性極限，因此著重對管體遠端應(yīng)變 εrem=0.5%時刻的局部應(yīng)變集中位置的最大應(yīng)變 εcon 進行量化分析。因接頭兩側(cè)壁厚不同，在強度相當(dāng)?shù)那闆r下薄壁側(cè)母材的應(yīng)變集中程度大于厚壁側(cè)的應(yīng)變集中程度，因此εrem=0.5%的確定依據(jù)薄壁側(cè)管段壁厚中心部位的工程應(yīng)變計算。

3D-DIC非接觸全場應(yīng)變測量系統(tǒng)分析結(jié)果，3 種接頭沿截線的應(yīng)變分布情況如圖所示：

A類變形

B類變形

C類變形

3D-DIC非接觸全場應(yīng)變測量結(jié)果：3種接頭沿截線的應(yīng)變分布情況

應(yīng)變集中情況有限元模擬

3D-DIC非接觸全場應(yīng)變測量系統(tǒng)分析結(jié)果，為了進一步驗證不等壁厚接頭的應(yīng)變集中規(guī)律，分別建立與 A 類成形和 C 類成形局部結(jié)構(gòu)一致的有限元模型。

不等壁厚接頭拉伸試樣有限元模型

不同成形接頭有限元模擬應(yīng)變分布云圖

3D-DIC非接觸全場應(yīng)變測量系統(tǒng)分析結(jié)果，可以看出，有限元模擬得到的應(yīng)變演變規(guī)律分別與A類變形、C類變形圖中DIC實物拉伸試驗得到的應(yīng)變演變過程基本一致。數(shù)值模擬的結(jié)果驗證了3D-DIC技術(shù)測試結(jié)果及應(yīng)變集中規(guī)律的準(zhǔn)確性，也進一步證實了不同根部成形狀態(tài)及錯邊量對不等壁厚接頭應(yīng)變集中規(guī)律有較大的影響。

局部應(yīng)變集中演變規(guī)律成因分析

等壁厚接頭、不等壁厚接頭受力狀態(tài)分析示意圖

根焊層的顯微硬度分布

不等壁厚接頭在拉伸過程中的受力狀態(tài)較為復(fù)雜，拉伸力的偏心、錯邊量的存在會使附加彎矩增大，薄壁側(cè)根部焊趾部位的成形也隨之變差，兩者相互耦合導(dǎo)致不等壁厚接頭易在薄壁側(cè)根部焊趾與厚壁側(cè)蓋面焊趾處發(fā)生應(yīng)變集中。

此外，因根焊強度低，熱影響區(qū)也存在軟化現(xiàn)象，使薄壁側(cè)根部焊趾位置更容易發(fā)生變形，導(dǎo)致應(yīng)變集中最大位置位于根部薄壁側(cè)焊趾位置。

實驗結(jié)論

1）利用新拓三維數(shù)字圖像相關(guān)法（Digital Image Correlation，DIC）技術(shù)和有限元數(shù)值模擬等方法，對等壁厚環(huán)焊接頭受載時應(yīng)變規(guī)律的研究，并通過對 3 種不同錯邊量及根部成形的不等壁厚環(huán)焊接頭進行全壁厚拉伸，觀察其在拉伸過程中的應(yīng)變規(guī)律。

2）錯邊量和根部成形對不等壁厚接頭在承受拉伸載荷時的應(yīng)變集中程度和分布規(guī)律有顯著影響，隨著錯邊量增大、根部成形變差，薄壁側(cè)根部焊趾與厚壁側(cè)蓋面焊趾連線區(qū)域的應(yīng)變集中程度增大，應(yīng)變集中區(qū)域減小。當(dāng)根部成形很差時，不等壁厚接頭因該連線區(qū)域的應(yīng)變集中過大而在該區(qū)域發(fā)生斷裂。

3）在管體遠端應(yīng)變達到0.5%時，成形越差，根部、蓋面應(yīng)變集中越嚴(yán)重，較大的應(yīng)變集中可能會導(dǎo)致材料損傷，為裂紋的萌生與擴展提供有利條件。

4）不等壁厚接頭在拉伸過程中的受力狀態(tài)較為復(fù)雜，拉伸力的偏心、局部成形差、錯邊量大、根部的低強匹配原則、熱影響區(qū)的軟化作用等原因，更易引起薄壁側(cè)根部焊趾位置的局部應(yīng)變集中過高，為管線長期服役埋下安全隱患。

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】