多尺度下应变路径对大应变管线钢管环焊缝应变容量的影响规律研究

In the past decade, geological hazards have led to frequent safety accidents in oil and gas pipelines. This is because that large deformation of pipelines caused by geological hazards results in failure of pipeline. The girth weld is the weakest link in the whole pipeline, so the strain capacity of girth weld can represent the strain capacity of pipeline. The mechanical inhomogeneity and different strain paths of girth weld have important influence on its strain capacity, while few previous reports have systematically studied it. In view of above problems, the accurate multiscale constitutive relation of girth weld for Large Strain Pipeline Steel Pipes (LSPSP) is to be studied by using Digital Image Correlation (DIC) technique and nanoindentation experiment; a fracture criterion is to be proposed for describing the fracture behavior of girth weld for LSPSP, thus it will be verified and modified by the experiments with DIC technique and simulations under different deformation modes. The strain capacity of girth weld for LSPSP is predicted under different strain paths based on the multiscale constitutive relation and fracture criterion, and the strain capacity will be verified by the strain data of above experiments. Finally, the relation of “strain capacity-toughness and brittleness-microstructure” for girth weld will be established by characterizing and analyzing the fracture morphology and microstructure of the multiscale fracture specimens.

近十年来，地质灾害导致油气管道的重大安全事故频发，这是因为地质灾害使管道产生大变形，进而发生失效造成事故的。环焊缝是整条管线中最薄弱的环节，则环焊缝的应变容量可代表管线的应变容量。而环焊缝区域的力学不均匀性与其所承受的不同应变路径对应变容量具有重要影响，但鲜有报道对此系统性地研究。针对上述问题，本项目拟通过数字图像相关技术（DIC）与纳米压痕试验，研究多尺度下大应变管线钢管（LSPSP）环焊缝的精确本构关系；提出能描述多尺度下LSPSP环焊缝断裂行为的判据，再采用不同变形模式下结合DIC技术的试验与模拟验证并修正断裂判据。基于已建立的多尺度精确本构关系与断裂判据，预测LSPSP环焊缝不同应变路径的应变容量，另利用已获得不同变形模式的试验应变数据进行验证。最终对多尺度断裂试样的断口形貌与微观结构进行定量表征与分析，构建多尺度下LSPSP环焊缝“应变容量-韧脆性-微观结构”之间的关系。

石油天然气管道在建设时会经过地震带、永冻带、断层、滑坡泥石流等地质灾害多发带，在这种复杂外部应变环境下，服役管道会承受较大的位移和应变。因此，明确复杂外部应变环境下多尺度下环焊缝区域的应变容量规律，对提高石油天然气管道失效控制能力与完整性管理有重要的研究意义。本课题受国家自然基金委员会资助，以X70 LSPSP环焊缝（高强匹配）为研究对象，通过对多尺度下X70 LSPSP环焊缝的精确本构关系和断裂判据进行研究，探究不同应变路径下的应变容量规律。分析多尺度下X70 LSPSP环焊缝的微观结构与断口形貌。取得了如下成果：1）在环焊缝微区强度分布表征方面，国内首次建立了基于压痕技术的X70大应变管线钢管半自动焊接工艺环焊缝典型区域（母材（BM）、热影响区（HAZ）和焊接金属区（WM））的局部力学性能多尺度表征方法，掌握了大应变管线钢管环焊缝的不同区域的硬度、屈服强度和抗拉强度分布规律，突破了传统环焊缝安全评价技术，为含缺陷环焊缝精准评价提供了关键参数优选准则；2）在环焊缝微区精确本构关系表征方面，通过耦合非饱和型方程和4 次多项式，提出了描述环焊缝微区大变形的精确本构关系，对于预测环焊缝在复杂应变环境下进行大变形及断裂预测奠定了基础；3）在环焊缝微区应变能力分布表征方面，结合X70大应变管线钢管环焊缝精确本构关系与椭圆断裂判据，国际首次建立了环焊缝微区不同应变路径的应变容量图，并从试验角度提出了不同应变路径下的应变容量表征技术，揭示了不同应变路径下应变容量规律，为X70大应变管线钢管的管材设计提供关键依据4）在环焊缝微区显微组织表征方面，通过映射环焊缝微区的力学性能与微观组织和断口形貌，建立了X70大应变管线钢管环焊缝“微区性能-微观结构特征-断口形貌”之间的规律关系。为X70大应变管线钢管半自动环向焊接工艺调控提供了理论基础。项目以第一作者发表SCI高水平论文6篇，申报发明专利4项，培养研究生3名，博士后1名。