长输管道不等厚焊缝应力集中分析
管道焊接缺陷及对策
管道焊接缺陷及对策结合笔者相关工作经验，文章首先分析了影响管道焊接质量的因素，随后主要对工业管道焊接施工中的缺陷以及防范焊接缺陷的有效对策进行了探讨。
标签：管道焊接；缺陷；对策前言：在管道安装施工中，焊接技术是管道连接的重要保障，焊接技术的优劣，将对管道投入后的实用功能有着直接的影响。
针对当前的管道渗漏、泄露事故，深究其原因不难发现，多数是由焊接质量不合格而引起的。
由此可见，在管道的正常安装使用中，焊接質量将直接影响着管道的安全性与可靠性。
面对当前工业发展规模的不断扩大，已有的工业管道已无法满足当前工业行业的发展需求，在扩大管道铺设规模的过程中，焊接作为连接新旧管道的重要途径，对管道今后的投入使用有着极其重要的作用。
若焊接出现问题，将会造成液体或气体的大量外漏，在给环境造成严重威胁的同时，还会造成严重的经济损失。
重视工业管道安装过程中的焊接缺陷问题并找出其合理的应对措施，对国家经济的稳定发展具有重要作用。
一、影响管道焊接质量的因素（一）材料因素所谓材料因素是指被焊的母材和所使用的焊接材料，如焊丝、焊条、焊剂、以及保护气体等。
所有这些材料在焊接时都直接参与熔池或熔合区的物理化学反应，其中母材本身的材质对热影双区好性能起音决定性的影响。
显然所采用的焊接材料对焊缝金属的成份和性能也是关键的因素。
好果焊接材料与母材匹配不当，则不仅可以引起焊接区内的至纹、气孔等各种缺陷，而且也可能可起脆化、软化或耐腐蚀等性能变化。
所以，为保证获得良好的焊接接头，必须对材料因素予以充分的重视。
（二）工艺因素大量的实践证明，同一种母材在采用不同的焊接方法和工艺措施的条件下，其焊接质量会表现出很大的差别。
不同的焊接方法对焊接质量的影响是不同的，主要表现在两方面。
首先，焊接源的属性对焊接质量的影响。
比如功率大小、加热时间等。
他们会直接影响接头的质量；其次对熔池的保护方式也会影响焊接质量。
显然，焊接热过程和冶金过程必然对接头的质量和性能会有决定性的影响。
石油化工设计中管道的应力分析
石油化工设计中管道的应力分析在石油化工设计中，管道的应力分析是非常重要的一步。
在设计过程中，必须考虑到管道内流体的压力、温度、流速等因素，以及管道本身的重量、管道材质、支撑方式等因素对管道的应力产生的影响。
只有合理的应力分析，才能确保管道的安全可靠运行。
管道的应力产生的原因主要来源于内部压力和温度变化、外部荷载和管道本身的重量等因素。
在进行应力分析时，最关键的任务就是确定管道的受力状态，并计算该状态下的最大应力及其位置。
如图1所示，在管道中流体的压力作用下，管道发生了一定的沿轴向的伸长，导致管道发生了拉应力，同时还可能存在切应力和弯曲应力。
在管道的应力分析中，必须采用合适的方法和理论模型，来计算管道受力状态下的最大应力值及其位置。
常用的方法有静力分析法、有限元法等。
静力分析法是基于力学原理和经验公式建立的管道应力分析方法，其主要适用于简单的管道结构，如直管、弯头、支架等。
在静力分析法中，首先需要确定管道的几何形状，然后根据管道内外的受力情况及管道材料的力学特性等参数，计算管道的应力。
具体来说，需要计算拉压应力、切应力和弯曲应力等，以确定管道材质是否能够承受所受力量。
针对石油化工设计中的管道应用场景，需要考虑到以下一些具体问题：1. 管道运行条件：不同种类的管材，对于不同工作场景下的压力、温度和流体运行条件，会出现不同的应力性能，因此在管道设计中需要根据实际情况选择最适合的管材。
2. 管道支撑方式：管道的支撑方式不同，将直接影响着管道的受力情况，管道悬挑、纵向承受荷载等设计方式，必须在应力分析时予以考虑。
3. 管道结构设计：在设计管道结构时，需要考虑管道的长度、支架的位置等因素，以避免管道在运行过程中产生过度的弯曲和应力等问题。
4. 管道的维护和检修：管道在长期运行后会产生一定的老化和磨损，在进行维保和检修时，需要根据管道实际情况进行检测和修缮，以保证管道的运行安全性和可靠性。
总之，在石油化工设计中，管道的应力分析是一个比较复杂的工作，需要考虑各种实际情况下的因素，才能使管道的设计更加安全可靠。
LNG管道应力计算与分析
LNG管道应力计算与分析1 应力分析的基础知识1.1 应力分析的主要目的首先，使管道各处的应力水平处在允许的范围内，使与设备相连的管口荷载符合制造商或公认的标准规定的受力条件。
其次，计算出各约束处所受的荷载及各种工况下管道的位移。
最终，帮助技术人员对管系进行优化。
1.2 应力分析的理论材料破坏的形式主要有两类：流动破坏和断裂破坏。
强度理论相应分为两类。
一类是解释材料断裂的强度理论，包括最大拉应力理论(第一强度理论)和最大伸长线应变理论(第二强度理论)；另一类是解释材料流动破坏的强度理论，包括最大剪应力理论(第三强度理论)和形变比能理论(第四强度理论)[1、2]。
GB 50316—2000《工业金属管道设计规范》是目前国内应力计算方面较权威的规范，与美国标准ASME B31.3《工艺流程管道》(Process Piping)基本等效。
我国其他有关管道应力分析的行业标准基本上参照了ASME B31《压力管道规范》系列。
ASME B31系列中各标准在应力校核条件方面存在一些差别，但总的来说这些差别是非原则性的。
从强度理论分类方面来讲，GB 50316—2000《工业金属管道设计规范》与美国标准ASME B31.3《工艺流程管道》相同，均采用了最大剪应力理论。
1.3 应力的分类在应力分析领域，工程师为便于分析，人为将应力分为一次应力、二次应力、峰值应力。
在计算前假定了一定的边界条件，计算出的应力按照一定的判别条件进行分析和判断。
计算出的应力不是管道实际承受的应力，与实际工程中在管道上用应变仪测量出来的应力无任何关系。
1.3.1 一次应力一次应力是由机械外荷载引起的正应力和剪应力，它必须满足外部和内部的力和力矩的平衡法则。
其特征是：一次应力是非自限性，它始终随所加荷载的增加而增加，超过材料的屈服极限或持久强度时，将使管道发生塑性破坏或总体变形，因此在管系的应力分析中，首先应使一次应力满足许用应力值。
1.3.2 二次应力二次应力是由于变形受到约束所产生的正应力或剪应力，它本身不直接与外力平衡。
长输管道“四口”质量控制措施
长输管道“四口”质量控制措施摘要：文章概述了影响长输油气管道返修口、变壁厚口、连头口、金口（简称“四口”）焊接质量的因素，简要分析了长输管道“四口”焊接质量技术措施，焊前准备、焊接工艺、焊接过程控制、焊后检查等关键环节如何控制“四口”焊接质量。
关键词：“四口”；焊接质量；控制措施1引言随着国家管网公司成立，长输管道焊接质量被提升到了前所未有的高度。
长输管道承担着石油与天然气的输送任务，全年处于带压运行状态，一旦发生泄漏将会造成严重的后果。
近几年长输管道发生了多起管道爆炸事故，根据相关调查报告，产生泄露的环焊缝都处于返修口、变壁厚口、连头口、金口（简称“四口”）位置。
因此，长输管道施工过程“四口”的焊接质量控制措施尤为重要。
2返修口质量控制长输管道常见的焊缝内部缺陷有裂纹、未熔合、气孔和夹渣等。
裂纹是材料局部断裂形成的缺陷；未熔合是熔焊时焊道与母材之间或焊道与焊道之间未完全熔化结合的部分，主要有根部未熔合、层间未熔合两种；气孔是在焊接过程中，熔池中的气体未完全溢出熔池，而熔池已经凝固，在焊缝中形成孔洞；夹渣是焊接过程中药皮等杂质夹杂在熔池中，熔池凝固后形成的焊缝中的夹杂物。
2.1管理措施返修焊接时，首先应按照返修焊接工艺规程进行，应由具备资质的焊工完成，返修全过程应有旁站监督、过程受控。
其次，需要注意检查、确认焊接缺陷完全去除，预热温度和预热位置正确，返修长度不能过短或过长，焊接材料不能使用酸性焊条或自保护药芯焊丝，焊接方向和焊接电流正确。
2.2技术措施（1）通过返修单确认缺陷位置是最关键一步。
对焊缝缺陷处理时，一定要认真仔细去打磨有缺陷的部位，不能图省事直接一磨到底，而是对缺陷部位采取逐层打磨检查的方式，特别在处理存在夹杂、气孔等缺陷部位位置的时候，打磨时一定要仔细观察，确保缺陷被清除，对于缺陷在根部的未熔合、内咬边等缺陷处理时，在焊缝打磨剩余2~3mm厚度时，应采用钢锯条开口，对间隙有保障。
对于裂纹缺陷，一般要求直接割除不得返修。
试论长输管道双侧沉管下沟过程中应力状况
试论长输管道双侧沉管下沟过程中应力状况摘要：长输管道下沟施工中通常采取吊管下沟或沉管下沟方式，长输管道下沟过程中由于重量大，因而易发生管道不稳定等安全事故。
当采用沉管方式下沟时，虽然能够降低滚管等风险事故的发生，但在施工过程中容易造成应力集中，给管道运行安全留下隐患。
本文以某D1 219 mm × 21.4 mm 的 X80 管道双侧沉管下沟项目为例，采用有限元分析法比较了管道在端部沉管下沟和中间沉管下沟过程中的应力及其变化情况，论证其下沟方式的可靠性。
关键词：长输管道；下沟施工；有限元分析法1沉管下沟原理沉管下沟指的是沿管道开挖管沟，利用管道自身重力作用缓慢将管道自然下沉到管沟内的施工方法。
根据挖掘机台数及其相对于管道的挖掘位置，依据Q/SY GDJ 0387-2014 《油气输送管道沉管下沟施工规范》，可将沉管下沟分为单侧沉管下沟和双侧沉管下沟。
单侧沉管下沟指在管道轴线一侧布置挖掘机，沿管道单侧开挖管沟，利用管道自身重力作用缓慢地将管道自然降落到管沟内的施工方法[3]，见图 1。
双侧沉管下沟指在管道轴线两侧布置挖掘机，沿管道双侧同时开挖管沟，利用管道自身重力作用缓慢地将管道自然降落到管沟内的施工方法，见图 2。
图1单侧沉管下沟图2双侧沉管下沟2有限元模型及沉管下沟过程分析应用 ANSYS 有限元软件对某长输管道不同工况下采用双侧沉管下沟过程的应力进行计算和分析，包括端部沉管下沟模型（见图 3）和中间沉管下沟模型（见图 4）。
图3端部沉管下沟模型图4中间沉管下沟模型2.1 建立有限元模型2.1.1 端部沉管下沟方式的力学模型在计算端部沉管下沟时，将管道本体简化为以下力学模型：（1）将管道简化为 3 维管单元，采用 ANSYS软件中的 PIPE 20 单元模拟。
（2）沉管下沟过程中，管道与土体之间的摩擦和支撑作用采用接触单元 CONTAC 52 3D 进行模拟。
（3）沿轴向在管道沉管下沟范围两侧各建200 m 长的管道模型，以模拟附近管道对计算管段的约束作用。
大口径长输管道焊接质量分析
大 口径长输管焊接质量分析
李益平 黎宁 陈强 祖 士栋
甘 肃省天 水市 张家川县 阿 阳宾馆 四楼 新疆油建 ［ 摘要］ 年来我 国经济的迅猛发展 ，致使东 西部 能源供 需矛 盾 日益 突出。长输管道运 输等运输 方式也 已经得到 了越来越充分 的应用 。本文从 近 实际 出发 ，通过对长输管道焊 接中常见的一些焊接质 量缺 陷进行分析 ，并结合实 际施工经验进 行 了总结。 ［ 关键词］长输管道运输 ；运输 方式；分析 ；总结 前言 ： １ 层焊 道 与下 层焊 道 之 间没 有 完全 熔 化结 合 形 形 成 的 。 因此 ，在母 材 的坡 Ｉ边 缘 及前 层焊 由于近年 来我 国经济的迅猛 发展 ，致使 东 成 的 缺 陷 。未焊 透 对焊 道 的 危害 很 大 ，它 使 道的 存 在偏析 处 最容 易 出现 液 化裂 纹 。在管 西部能源 供需矛盾 日益突 出。为 解决此矛 盾 ， 焊 道 的有 效 截面 积 减 少 ，同 时 由于 属 于开 Ｉ 道焊 接 中 ，如果 无 损检 测底 片 显示 裂纹 出现 ： １ 随着钢管 制造水平 与焊 接技术 的提 高 ，长输 管 性 缺 陷 ，又 能造 成 严 重 的应 力集 中。在 管 道 在 焊道 层间 ，则通 常都是这种 情况 。 道运输这 种经济高效 的长距离流 体介质运输 方 进 行 下沟 作 业或 承 压很 高 的 情况 时 ，如 果 未 液 化 裂纹 的 产 生原 因与 结 晶裂纹 基 本 相 式也 已经得 到了越来越 充分的应 用。近年西 气 焊 透深 度 很 深 ，还 可 以 出现焊 道 沿未 焊 透 处 同 。 东输 、西 部管道 、西 气东输二线等 一系列大 口 撕 裂现象 。 ２ ５３延迟 裂纹 ．． 径管道的 陆续 施工 ，已经标 志着我 国长输管道 延 迟 裂 纹 在 管 道 施 工 中 是 最 常 见 的 裂 产 生原 因 ：１ 、坡 Ｉ 工 不规 范 ，角度太 ： １ 加 的第四次建设高峰 已经到来 。 小 ，间 隙 不 够 ，钝边 太 厚 。２、层 间 清 理过 纹 。 它属 于冷 裂 纹的 一种 ，一般 在焊 后 几小 本文 通 过 对长 输 管道 焊 接 中 常 见的 一些 度 ，造成 坡 口被打 宽 ，形 成沟 槽等 。３ 、手法 时 甚至 几 天后 才 开始 出 现 ，并随 着时 间的推 焊接 质量 缺 陷进 行 分析 ，并总 结 了相 应 的控 不稳 ，电流较 小 ，线 能量输 入太 小。 移 逐渐 增 多和 加长 。延迟 裂 纹的 产生 原 因主 制预 防措 施 。从 实 际 出发 ，对 施 工过 程 中的 气孔 要 决定 于母 材 的 淬硬 倾 向 、焊接 接头 承 受的 各 质量环 节 控制 要 素进 行讨 论 ，并结 合 实 际 气 孔 一般 是 由于熔 池 中的 气体 在 熔 化金 应 力以及焊缝 中的氢 含量 。 施 工经验进 行 了总结 。 ２ ５ ３ １ 组 织 因 素 ．． ． 属 凝 固时 没有 逸 出 所形 成 。其 形 式有 条 形气 １长输管 道施工各 工艺 简介 母 材 的淬 硬 倾 向与 组织 品粒越 大 ，延迟 孔 、密 集 气孔 、球 形气 孔 、柱 状 气孔 等 （ 在 大 口径长 输 管 道 壁 厚 一 般 都 在 ８ ｍ以 长输 管 道焊 接 中 ，还有 一种 缩 孔缺 陷 ，其在 裂 纹的 产生 倾 向也 就越 大 。 由于 晶粒 粗 大 ， ｍ 上 ，采用 多 层焊 接 。打 底和 填 充盖 面 一 般采 射 线检 测底 片 上 影像 与 气孔 比较 类似 ，但缩 相 变温 度 降低 ，使 晶界 偏 析现 象 严重 。 增大 用 两种 焊 接 工 艺。 目前 应用 最 广 的就 是纤 维 孔 的形 成一 般 是 由于 熔 化金 属 凝 固时 液 相变 了 冷裂 倾 向 。同时 淬 硬组 织里 晶格缺 陷 多 ， 素 焊 条下 向焊 打 底加 半 自动 药 芯焊 丝 自保 护 固 相过 程 中的 体 积 差所 造成 ，与 气孔 有 本质 进一步 导致 了冷裂纹 的产 生。 下 向焊 填 充盖 面 工 艺 ， 由于 全 国大 部分 管 道 区 别 。在管 道 施 工 中 由于焊 接 工 艺都 比较 成 ２ ５ ３． 应力 因素 ．． ２ 施 工队伍都使 用此种 工艺进 行施工 。 熟 ，故 缩孔 缺 陷一 般 很 少 见 ，本文 就 不做 讨 焊 接 接 头 承受 的 应 力主 要包 括 焊接 时 产 由于 管径 大 ，输 送 压 力 高 ， 因此长 输 管 论 ） 。 气孔 缺 陷 中除 了 一 些 深 度 很 深 的 柱 生 的内 应力 及焊 缝 外加 的 拘束 应 力 。焊 接 时 道 所用 钢 管一 般都 是 高 碳钢 制 作 ，钢级 都 在 孔 、面 积很 大 的 圆形 气 ； ＃ ，其 他 气 孔 的危 热影 响 区金 属膨 胀 ，冷却 时收缩 所 产 生的 体 ｔ ｂ Ｌ Ｘ ０ ６ 以上 ，西气东输 二线更 是全 国第一次 采用 害性一般 都比较 小 ，甚 至还 有止裂倾 向 。 积差 导 致 了热应 力 的产 生 ，并 且在 焊缝 相 变 Ｘ ０Ｎ ８ ￣ ，均 属于高 强钢 。管 道焊缝 一般也都 是 产生 原 因 ：１ 、焊材 、坡 口不 清洁 ，有铁 时也 存在 一 定 的相 变应 力 。在 管道 施 工 中， 同种 材质的钢 管相互焊 接 。 锈 油污 等 ，焊 材 受 潮 。２ 电源 电压 不 稳 ， 只要 严格 按 照焊 接 工艺 规程 施 工 ，以上 两种 、 ２焊缝 常见 质量缺 陷及成 因 电流 不稳 。３ 、焊 接速 度 太大 。４ 、保 护方 式 情 况 产生 的 应力 均 可以 控制 在一 个可以 接 受 焊 接缺 陷的种 类 很 多 ，在 不 同 的标 准 中 不 合 适 ，如 气 保护 焊 时保 护 气流 量 过大 或 过 的范 围 。 当在两 个 管 口椭 圆度 相差 较大 而组 也 有不 同 的分 类方 法 。考 虑 到通 俗 易懂 ，便 小 。 对 、管道 处 于 角度 太大 的弹 性敷 设 以及 强 力 于 与长 输 管道 施工 及 检测 方 式 紧密 结合 ，本 裂纹 组 对 的情 况 下 ，拘 束应 力一 般是 产 生冷 裂纹 文 只简 单 的将 焊缝 质 量缺 陷 分为 焊 缝成 型缺 裂纹 是焊 接 中危 害性 最大 的 一 种缺 陷。 的重要原 因。 陷及微 观组织缺 陷两类 。 由于 其均 有 延 伸性 ，在 焊 道 存在 内 应 力的 情 ２ ５ ３ ３氢 含量 因素 ．．． ２ １咬 边 ． 况 下 裂纹 会 一直 延 伸扩 展 ，直至 焊 道破 坏 为 在 高 强钢 的焊 接 中 ，氢是 导 致 冷裂 纹产 咬边 主 要 是 由于 在焊 接 过 程 中熔 敷 金 属 止 。因此 在 长输 管 道 的施 工 中 ，裂 纹缺 陷是 生 的重要 因素 。 未 能盖 住母 材 的坡 口，在 焊 道边 缘 留下 的 低 不 允许 存 在 的 ，通 常也 不 允许 返 修 ，必 须割 焊 接 时 ， 由于 电弧 温 度很 高 ，使 焊 材 、 干母 材 的缺 口。浅 短 的咬 边 可以 不做 处 理 ， 口重焊 。在 管道 施 工 中裂 纹 产生 基 本都 是 由 空 气 、坡 口的脏 物等 其 中含 有的 水 分分 解 ， 但过 深 的咬 边 会对 焊道 力 学性 能 产生 严 重 的 于 工艺 规 程执 行 不 到位 、外部 应 力 太大 等情 形 成氢 原 子或 离 子进 入焊 缝 熔池 中。 当熔池 影 响 ，产 生应 力集 中 ，降低接头 强度 。 况 造成 ，因此 本 文 主要 讨论 容 易 由以上 原 因 快 速冷 却后 ，未 来得 及逸 出的氢 便 以过 饱和 产生原 因 ：１ 、电流 太大 ， 电弧 过长 ，电 造成 的结 晶裂纹 、液化裂 纹 、延 迟裂纹 。 态 留在 了焊 缝 中 。氢 的扩 散 速度 与焊 缝冷 却 弧力 不集 中导 致熔 池熔敷 不 到位 。２ 、焊 条或 ２ ５． 结 晶 裂 纹 ． １ 速 度 、焊缝 组 织情 况 及应 力 方 向有关 。通 常 焊 丝 的倾 斜 角度 不 正确 ，出现 偏 吹等 情 况 。 结 晶 裂纹 是 比 较常 见的 一 种热 裂 纹 ，一 在 以上 原 因的 共 同作 用下 ，氢一 般是 在焊 缝 ３ 、手法 不稳 ，摆动 不到位 。 般 是 在 焊 缝 凝 固过 程 中 所 形 成 。 结 晶 裂 纹 的熔 合 线附 近 特 别是应 力集 中的 部位 聚集 ， ２． ２夹渣 只 存在 于 焊缝 中 ，多呈 纵 向或 弧 形分 布 在焊 当达 到 一定 的 临界 值 时 ，就会 诱 发延 迟 裂纹 夹 渣 是指 焊 缝 中 存在 的熔 渣 、铁 锈 或其 缝 中 心 及 两 侧 。 由此 可 见 ， 结 晶 裂 纹 产 生 原 产 生 。 他 物 质 。 其 在 焊 道根 部 、 层 间 均 有 可 能 存 因 主要 是 由于 熔 池 中杂 质太 多 、 冷却 速 度过 综 上所 述 ，避 免 延 迟裂 纹 的产 生 主要 从 在 ，最 常 见 的 就 是 层 间 夹 渣 。 夹 渣 形 状 不 快 、外 界 应 力 太 大 所 造 成 。管 道 施 工 中焊 减缓 焊 缝冷 却 速度 、改善焊 缝 组织 和减 小 焊 同 ，大小 不一 ，其 中危 害 最大 的就 是 呈 尖锐 材 、母 材 都是 经过 严 格 检验 ，排 除材 料 不合 接应 力三 方面进 行控制 。常 用的措 施有 ：１ ） 形 的 夹渣 ，影 响 焊 道的 塑性 ，尤其 是 在焊 道 格 因素 外 ，熔 池 中杂 质 太 多一 般都 是 因 不按 选 用抗 裂性 好 的钢 材制 作 钢管 ，合理选 择 焊 受拉 应力时 产生严重 的应 力集中 。 规 程 多 次返 修 造 成 。不 预热 、强行 组 对 也是 �
试论油气管道不等壁厚焊接坡口设计及应用
试论油气管道不等壁厚焊接坡口设计及应用发布时间：2021-06-10T14:51:41.227Z 来源：《探索科学》2021年4月 作者： 靳国利[导读] 针对大口径天然气管道不等壁厚焊接存在的焊接、无损检测和应力集中问题，通过对国外文献、工程案例等研究，基于对这些变壁厚焊接接头所采用的焊接工艺、无损检测方法和拟期望降低的焊接应力集中系数，文中结合上述三方面因素，首次提出了一种新型不等壁厚焊接坡口的设计方法，利用该方法设计的孔锥型坡口已成功应用，对提升油气管线环焊缝的安全有重要意义。
中石化胜利油建工程有限公司 靳国利摘要:针对大口径天然气管道不等壁厚焊接存在的焊接、无损检测和应力集中问题，通过对国外文献、工程案例等研究，基于对这些变壁厚焊接接头所采用的焊接工艺、无损检测方法和拟期望降低的焊接应力集中系数，文中结合上述三方面因素，首次提出了一种新型不等壁厚焊接坡口的设计方法，利用该方法设计的孔锥型坡口已成功应用，对提升油气管线环焊缝的安全有重要意义。关键词:大口径；天然气管道；不等壁厚焊接；设计应用
天然气输送管道建设中，根据设计标准的要求，在不同的地区等级或穿跨越地段，管道设计时将采用不同的强度设计系数，不同管段选用不同壁厚规格的钢管;考虑到热煨弯管弯制过程中的壁厚减薄，热煨弯管的设计壁厚一般情况下要高于直管段壁厚;由于管道沿线钢管和管件壁厚的变化，在管道现场焊接过程中，不等壁厚钢管的焊接较为常见，尤其在复杂山区犹为突出。目前国内外的研究发现，变壁厚钢管连接处主要存在以下不利因素:①变壁厚处焊接结构不连续，存在较大的应力集中;②不等壁厚焊接时，根焊缝质量不易控制，容易出现焊接缺陷;③由于外形尺寸的不规则，无损检测时容易对根部缺陷出现漏检。通过对国内外环焊缝大量失效案例分析，也充分证实了这个问题，如我国X80钢7起失效案例中，有3起发生在不等壁厚连接口上，不等壁厚连接引起的应力集中和焊缝质量不佳是造成失效的一个重要因素。为提升不等壁厚环焊接头质量，尽量减小应力集中，避免根焊缝焊接缺陷和缺陷漏检问题。 1不等壁厚焊接接头的相关要求 1.1相关标准规范要求
最新压力管道应力分析幻灯片
⑷、具备下列条件之一的管道，可不做柔性 分析：
①该管道与某一运行情况良好的管道完全相 同；
②该管道与已经过柔性分析合格的管道相比 较，几乎没有变化。
⑸、柔性计算方法应符合下列规定：
①对于与敏感机器、设备相连的或高温、高 压或循环数大于7000次等重要的以及工 程设计有严格要求的管道，应采用计算 机程序进行柔性计算。
管道； ⑹ 与离心泵连接的管道
⑺ 设备管口由特殊受力要求的其他管道；
⑻ 利用简化分析方法分析后，表明需要进一 步详细分析的管道；
• 哪些管道可以不进行详细的柔性设计
⑴ 与运行良好的管道柔性相同或基本相当的 管道；
⑵ 和已分析的管道比较，确认有足够柔性的 管道；
⑶ 对具有同一直径、同一壁厚、无支管、两 端固定、无中间约束并能满足下式要求 的非剧毒介质管道：
一、在石油化工管道中常见的振动： ⑴ 往复式压缩机及往复泵进出口管道的振动；
• 往复式压缩机及往复泵防振设计的步骤： 1、在订货合同中明确提出对机器制造厂的要求：
⑴明确规定机器制造厂采取分析设计方法进行 压力脉动和振动控制；
⑵对缓冲罐容积大小提出要求；
2、通过计算共振管长和管系固有频率对管道布 置和支撑进行调整
时为：
S1 2[]P t D wP
2、弯管壁厚计算 弯管外侧壁的实际环向应力仍比直管大，内侧壁 的环向应力则比直管小。且应力值与弯管的弯曲 半径R有关。
Slw2[ P ]t D w p(1D 4R w)
弯制弯管时，弯管处横截面变得不圆，它对应力有 影响，可用最大外径与最小外径之差Tu表示。
TuD mD ax D w m i n10 % 0
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长输管道不等厚焊缝应力集中分析
摘要：近几年来，国内发生了多起X70和X80管道焊缝失效事故，其中不等壁厚焊缝的失效模式基本都是断裂，而等厚焊缝的失效模式都是泄漏，这引起了企业对不等厚焊缝结构失效的高度关注。
环焊缝在长输管道中数量庞大，平原地带铺设的管道平均每公里约90个环焊缝，在人口稠密地区以及地形复杂区域，环焊缝密度还会增加。
关键词：长输管道；焊缝
1 应力集中系数计算
应力集中是指物体局部区域应力增大的现象，一般出现在物体形状变化的地方，并且仅存在于较小的范围内。
应力集中区域的应力达到屈服极限时，应变可以继续增加，但应力不再增大。
若载荷继续增加，增加的力就由周围尚未屈服的材料承担，这种应力再分配可缓解局部应力，但会使结构处于不稳定状态，所以容易产生疲劳裂纹。
工程上常用热点应力与名义应力的比值来定义应力集中系数：
式中：K为应力集中系数；σhot为热点应力，MPa; σnom为名义应力，MPa。
名义应力是人为规定的应力比的基准，决定了应力集中系数的相对性。
本文在远离应力集中的截面上，取对应点的应力作为基准应力，以描述危险截面最大应力相对于非危险截面对应点应力的增幅。
在载荷不变的情况下，远离焊缝所取名义应力不会随焊缝结构尺寸的变化而改变，确保了基准应力的一致性，能清晰地展示不同结构尺寸带来的应力集中变化，更能体现焊缝相对于非焊缝所带来的应力增幅。
热点是疲劳裂纹的起源部位，不等厚焊缝中常取焊根为热点，而热点应力是
热点处的最大结构应力或结构中危险截面上危险点的应力，是预测结构疲劳寿命
的重要参数。
对管道环焊缝的工程关键评估进行了讨论。
对于焊接接头，结构应
力为未经考虑缺口效应而计算出的局部应力，因其大小与接头整体几何形状和受
载条件有关，故也常称为几何应力，不包括焊缝缺陷等局部因素引起的应力集中。
早期工程实际中引用较多的经验公式是由外径与壁厚之比为25的薄管有限元分
析得到的：
式中：t2为厚壁厚度，mm; t1为薄壁厚度，mm; δt为壁厚过渡引起的轴
心偏离值，mm, δt=(t2-t1)/2;δm为管节偏位值，mm, 本文只有变壁厚因素，
δm=0。
I.LOTSBERG通过壳理论推导出了焊缝在外部轴向力作用下由壁厚变化产生的
应力集中系数，所用模型壁厚过渡斜率为1∶4(约14°),内、外壁应力集中系数
计算式为：
其中：
式中：ρ为管材密度，kg/m3;L为壁厚过渡段长度，mm; A为与壁厚过渡长
度相关焊缝结构系数，无量纲；D为管外径，mm。
为了描述径厚比对应力集中系数的影响，I.LOTSBERG对式(3)、式(4)及式(5)进行了修正:
其中：
式中：e为自然常数；B为与壁厚过渡长度无关的焊缝结构系数。
热点处局部应力的增大，一部分是由结构整体几何不连续导致的几何应力集中，另一部分由局部缺口效应引起的缺口应力集中，而热点应力法仅考虑几何应力集中。
应用热点应力法的关键问题之一是合理确定热点应力值。
随着计算机和有限元技术的发展，目前大多采用有限元分析结合适当结果后处理来确定。
国际上应用较多的是表面外插法，利用距离热点表面一定距离的2个点或3个点(外插点)的结构应力，通过线性或二次插值来计算热点应力。
对于降低缺口效应引起的非线性应力的干扰，外插点与热点的间距是关键因素，外插距离一般根据壁厚进行选取，既要确保与缺口效应影响区分离，又要防止间距过大影响插值准确性。
国外推荐的方法如表1所示。
表1中t为外插点所在的管壁厚度。
表1 国外推荐外插法
2 有限元建模
为确保仿真的针对性和可操作性，忽略次要因素，对模型进行如下简化假设：母材和焊材为理想弹塑性材料，等强度匹配，不存在焊缝缺陷；仅考虑内压，不
考虑温度、流体、阴极保护等因素及其载荷的影响；管体为直管段，呈水平铺设，无竖向高程差，形状和受力呈对称分布；不考虑残余应力的影响，残余应力本身
也是随结构变化的变量。
中缅天然气管道是我国西南地区典型的大口径、高钢级、高压力等级长输管道，沿线地质环境复杂，具有管道代表性和地质代表性。
本文以中缅天然气管道
为研究对象，管材采用真实塑性应力应变数据，其他模型参数如表2所示。
表2 管道模型参数
对管道上最常见的V形双面对接焊缝结构进行分析，不等厚焊缝横截面示意
如图2所示。
坡口尺寸选定参见相关标准，文中尺寸仅供参考。
t1、t2为薄管壁厚、厚管壁厚，mm; α为坡口角度，取值为55°～65°;b
为根部间隙，取值为0～3 mm; c为钝边厚度，取值为0～3 mm; h为焊缝余高，取值为0～3 mm; β为切削角(壁厚过渡角),取值为14°～30°;w为盖面焊缝宽，取值为0.5～2.0 mm。
考虑到焊缝网格处理的复杂性和结构化、现场焊接工艺等方面的因素，对焊
缝模型进行适当简化，不考虑焊缝根部余高，不考虑盖面焊缝宽(相当于仿真在
焊缝宽度不变的情况下，一定程度上增加了坡口角)。
根据圣维南原理，为消除
边界效应，避免管道两端位移约束对焊缝的影响，模型长度取管径的3～5倍，
此处模型长度取4 m, 焊缝位于模型中部，采用结构化单元进行网格划分。
焊缝
尺寸为：t1=12.8 mm, t2=15.3 mm, α=60°,b=3 mm,c=3 mm, h=2
mm, β=30°。
由于焊缝区应力梯度变化较大，故采用单精度偏移法，对焊缝区
网格进行适当加密，远离焊缝区网格稀疏处理以提高计算效率。
模型及网格划分
如图3所示。
对于此管道模型，焊缝所占空间和网格数相对整个模型很小，网格划分时应
优先加密焊缝周围网格。
管道整体等效应力云图和焊缝局部轴向应力云图分别如
图4、图5所示。
左侧管段为薄壁段，右侧管段为厚壁段，薄壁段应力整体上要大于厚壁段应力，内壁应力大于同段外壁应力。
从图5可见，焊根处产生了明显的应力集中
(红黄色区域),最大应力接近管体应力2倍。
外侧焊趾处应力集中程度很低，在
云图中并不明显。
焊缝顶端和过渡端底部没有分配到足够的应力，因此出现了2
个应力低值区域(蓝色区域)。
虽然非焊缝区域网格决定了模型网格数量，但网格
质量的体现在于焊缝处的网格划分，应重点关注焊缝处应力随网格变化的情况。
3结论
本文从应力集中的角度对长输管道不等厚焊缝进行了受力分析，得出如下结论。
(1)采用有限元法和两点线性外插法计算了热点应力和应力集中系数，并将
其与成熟经验公式结果进行了对比，验证了模型的可行性。
(2)焊缝各结构参数的增加都会不同程度地提高焊缝应力集中程度，通过归
一化处理后可更加直观地对比不同结构参数对焊根处轴向应力和应力集中的影响。
(3)壁厚比对焊缝应力集中的影响远大于焊缝宽度、焊缝余高和焊缝过渡角，企业在管道日常管理活动中应重点关注高壁厚比结构的风险管段。
(4)本文研究对象为直管段，而各种地质灾害或外载荷往往会使管道发生弯
曲变形，不等厚焊缝处的应力集中在弯曲状态下将二次恶化，需及时管控此类风险。
参考文献
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[3] 马廷霞，陈浩.长输管道应力应变自动化监测系统研究[J].石油机械，2008,36(4):55-57..。