冯庆善：高钢级管道环焊接头强度匹配的探讨与思考
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高钢级管道环焊接头强度匹配的探讨与思考
冯庆善
国家石油天然气管网集团有限公司生产部
摘要 ： 环焊缝失效是当前高钢级油气长输管道运行的重大风险因素。通过对失效管道环焊缝进行 分析，发现环焊缝强度低于管道本体是造成管道在地层运动作用下容易断裂的重要原因之一，管道 环焊缝强度匹配研究已成为分析在役管道环焊缝开裂、预防新建管道环焊缝隐患的基础性课题。在 此归纳了强度匹配的定义、发展过程及基本特征，分析了强度匹配对管道环焊缝塑性失效、断裂失效 的影响，梳理了考虑强度匹配条件的失效评估技术发展状况。基于高等级钢及其焊接结构匹配情况 的发展历史及现状，提出了不同匹配条件下应力-应变 3 个状态分区的概念，建议将轴向屈服强度差 作为高钢级管道强度匹配的定义、量化表征方法、设计及工程质量控制关键参数。以期推动对高钢 级管道环焊缝强度匹配认知的统一，提高设计及施工的规范性，促进在役管道低强匹配风险的识别 及高钢级管道焊接结构可靠性的系统提升。
关键词 ： 高等级钢；天然气管道；环焊缝；强度匹配；断裂韧性；应变集中；失效
随着中国在高压力、大口径、高等级钢管道用材料、焊接、施工等方面的技术突破，快速构建了大输量天然气骨干管网，保障了国民经济发展对天然气的需求。然而，随着高等级管线钢的推广应用，母材性能逐渐接近 Ashby 图中较低级别的安全设计标线，发生低应力脆断的风险较高。近年来，国内外 X70、X80 钢级管道的环焊缝失效事故表明，高钢级管道焊接结构方面可能存在较高的失效风险。2014 年、2018 年发生在马来西亚 Petronas 天然气管道的两次环焊缝事故 [1] ，2018 年、2019 年发生在中缅天然气管道贵州晴隆段的两次环焊缝失效事故 [2] ，均与低强匹配环焊缝在地层作用下发生的断裂有关。因此，管道环焊缝强度匹配不足是导致小位移下环焊缝快速断裂的主要原因，低强匹配对高钢级管道安全可靠性的影响比中低等级管线钢更加明显，仅仅参考基于应力的准则无法得到客观的失效分析结果，导致环焊缝易在无宏观塑性变形的条件下发生低应力脆断。同时，根据国内外管道环焊缝失效事故分析结果 [1-2] ，除了环焊缝的质量外，亟需关注的问题就是管道在承受地质位移时因应变作用而引发的环焊缝失效。美国、加拿大政府均为此发布公告，要求管道运营商及相关企业予以重视 [3-4] 。过去十余年，对环焊缝强度匹配的研究主要聚焦于其对基于应变设计管道的变形能力的重要影响，但对在役管道焊接结构低强匹配风险的识别、新建管道焊接结构可靠性的提升尚未进行深入研究。为了促进业界形成对管道环焊缝强度匹配的统一认识，通过回顾高等级钢及其焊接结构匹配情况的发展历史及现状，结合高钢级管道匹配的定义、表征方法、可接受边界等，提出了高钢级管道匹配的基本原则、技术要求及量化准则，指出了未来的发展趋势，以期为提升高钢级管道焊接结构的可靠性提供参考。
1 匹配的定义及研究历史
1.1
基本定义
匹配是指相一致性，用于表征同一结构相关联部位之间是否一致、是否达到整体功能要求，分为差值比对、比值比对两种方式。大多数结构的设计仅提出对结构匹配性的原则要求，也就是一般意义的设计匹配或理论匹配，主要从金属材料、焊接材料的工艺指标角度，要求实现公称值的等匹配或强匹配，尚无清晰的测试方法、取样测试结果的匹配要求；同时，也缺少对实际强度匹配定义、测试方法、质量指标等的要求。显然，设计匹配与实际匹配从不同的维度描述结构的匹配性，若定义与测试方法不统一，必然导致不同的结果。
当使用强度的比值来描述匹配情况时，就引出了匹配系数、匹配率、匹配比修正系数等定义 [5] 。设计匹配系数或理论匹配系数是指设计文件对结构匹配的定义和要求，多以母材金属与焊接材料性能指标的公称值比值进行计算；实际匹配系数是指实际结构的真实匹配状态，需要按照母材金属与焊接材料性能指标的实际值比值、结构进行计算。当匹配系数大于 1、等于1、小于 1 时，分别为高强匹配、等强匹配、低强匹配。 如果仅就未知系统的匹配情况进行统计，使用匹配系数、匹配率等参数对系统可靠性评估具有一定的参考作用，但如果是以评估系统安全性为目的的可靠性评估，特别是要求等强或强匹配为基本设计要求或安全准则的系统，则缺少实际使用价值。可见，使用强度差值表征匹配情况更具有实际意义，计算差异值与最小强度的比值对结构可靠性计算具有一定参考价值，因此应对强度差值系数进行定义。
不同的结构特点，匹配类型不同。对于焊接结构，主要由母材、焊缝、热影响区 3 部分组成，是典型的非均质结构，本质上具有微观组织及力学性能的不连续性 [5-6] ，对该结构匹配性概念的定义大多是指强度匹配，即通过抗拉强度或屈服强度的差值或比值确定匹配性质。对于管道系统，两端的钢管及连接钢管的环焊缝三者性能的一致性特征表述是量化管道系统匹配性的基础。两根钢管存在性能相差或相等两种组合，在相差组合下，环焊缝强度性能存在高于两侧管体（图 1a）、高于低强度钢管但低于高强度钢管（图 1b）、低于两侧管体（图 1c）3 种组合类型。将管体A、管体 B 及环焊缝视作管道结构，在承受一定应变时，类型 I 中应变均匀分布于管体 B 及管体 A（当管体B 发生形变强化后，管体 A 也会发生塑性变形）中，类型 II 中应变均匀分布于管体 B，类型 III 中应变则集中发生于低强度的环焊缝处，因此类型 I～类型 III 分别对应高应变能力、中等应变能力、低应变能力。
。
（a）类型 I
（b）类型 II
（c）类型 III
图1 管道环焊缝与两侧管体 3 种强度匹配图
由于环焊缝两侧管体和焊缝金属性能存在波动性，实际匹配系数往往与设计匹配系数存在差异，实际工程中高强匹配、等强匹配、低强匹配均是客观存在的。但环焊缝的变形和断裂过程不只与强度有关，仅使用强度匹配难以充分表征断裂过程，也有利用延伸率、断面收缩率表征塑性匹配，或用临界裂纹尺寸、临界应力强度因子表征韧性匹配，但在实际工程中应用相对较少。
随着对匹配性研究的深入，在匹配量化方面，也有学者提出不应只采用屈服强度或抗拉强度来表征匹配性，塑性或韧性的比对也是表征结构匹配性的重要量化指标，同时还应考虑应变硬化指数，建议采用焊缝金属与母材金属的解理裂纹尺寸的比值进行表征 [7] 。此外，对于单一焊接结构、整个结构系统的匹配定义与表征也应该有所区别。因此，科学、统一、系统地描述不同阶段、不同维度的强度匹配定义是重要的研究课题。
1.2
研究历史及发展现状
回顾钢结构强韧性指标的发展过程，有利于更好地规范高钢级管道环焊接头强度匹配的定义、计算方法。结构钢强度的提高和工业应用，使匹配问题不断暴露。最初，工业界普遍认为钢结构焊接接头的安全性仅与抗拉强度相关，20 世纪 30 年代中期，为了充分发挥 350 MPa 屈服强度钢材的使用潜力，船舶及压力容器行业开始使用屈服强度作为失效准则。20 世纪40 年代后期，结合比利时 Hasselt 焊接桁架桥、美国自由号轮船、T-2 油轮低应力破坏事故暴露的问题，钢铁材料的研发主要从断裂力学角度出发，将断裂韧性作为主要的性能指标。但强度、塑性、韧性等指标之间存在相互关联、制约的关系，难以实现同步提升，焊缝金属各项性能高匹配的同步实现则更加复杂。20 世纪50 年代后期，在韧性和强度方面，焊缝金属与低、中强度钢的匹配问题已经基本解决 [8-9] 。但对于高强度合金钢的焊接，仍是极难获得焊缝及热影响区的合理匹配，针对这一问题，主要形成了两种解决思路：一种思路认为焊缝金属的韧性可以略低于母材，但强度必须高匹配，以避免焊缝区域的应变集中、保护焊缝中的缺陷 [10] ；另一种思路则允许焊缝金属强度少量低匹配，但要保证具有足够的断裂韧性 [11-12] 。1983 年，美国国家材料咨询委员会的研究结果表明，10％左右的低强匹配可以获得较好的经济性，可减少预热、降低氢致开裂可能性，从而适当放宽无损检测要求 [13] ，宽板拉伸试验也证实了这一观点的正确性 [14] 。金仁喜等 [7,15] 通过调研国内外研究成果，指出高等级钢结构焊材需兼顾强度与延性，避免在焊接节点处发生脆性断裂，在进行焊接结构的评估和研究时，应使用焊缝金属自身的应力-应变关系，避免使用母材性能参数进行代替。李少华等 [16] 则认为，高等级钢对保证焊缝韧性指标较为有利。邵国良等 [5] 通过对钢材及焊接工艺的匹配进行研究指出，为了降低失效概率，应严格控制母材和焊缝金属的屈服强度标准差。严鸢飞等 [17] 关于高强钢焊缝强韧性匹配理论的研究指出，焊接接头因焊缝与母材的组配类型不同，其承载能力也不同，特别是抗脆断性能有较大差别，按照等强匹配设计的环焊缝接头对16Mn 低屈强比钢的抗脆断性能有利，但对 HQ70 高屈强比钢的抗脆断性能有害。目前，随着自动熔化极气体保护焊在管道行业的广泛应用，对于 X70、X80 等高钢级管道而言，获得屈服强度高匹配且具有高韧性的环焊缝不再是个难题。大量的宽板拉伸试验结果表明，在焊缝金属高强匹配的条件下，焊缝金属和热影响区中的缺陷可承受较大的应变且不发生扩展和失效。但由于 20 世纪 90 年代高强度钢的广泛应用，当时的焊接工艺和施工质量可能导致低强匹配仍实际存在，因此对低强匹配焊缝的研究及应用依然非常重要 [18] 。
关于环焊缝强度匹配问题，诸多学者从不同方面做了研究和论述，业界已经取得了一些共识，如一定概率的低强匹配是实际存在的，即使韧性较好，也可能由于应变集中发生断裂 [19] ；低强匹配不是失效发生的充分条件，只要整个接头具有良好的强度、硬度及冲击韧性组合，环焊缝也能具备一定的塑韧性储备 [20] ；环焊缝强度匹配对拉伸应变容量及脆断失效抗力有明显影响，通常的断裂韧性试验、基于应力的失效评估图，针对的是均质材料而未考虑匹配性的影响，不能直接适用于低强匹配环焊缝的安全评定，大范围屈服条件下的断裂失效评估需要新的探索和发展 [21-22] 。但在某些方面还未完全达成一致，如强度匹配是按照屈服强度进行表征还是按照抗拉强度进行表征，是取比值关系还是差值关系，不同文献中的规定并不一致；强度匹配与微观组织的异质特征存在区别和联系，也时常有所混淆；何种失效模式在环焊缝实际失效过程中起主导作用，研究结论并不完全一致，有限元建模分析得到的应变最大位置位于热影响区与焊缝交界的外表面 [23] ，数字图像相关法（Digital Image Correlation，DIC）验证的应变集中则最先出现在根焊和热影响区 [24] ；X80钢级管道环焊缝失效事故中，启裂位置的断口既有脆性断裂的案例 [2] ，也有塑性断裂的案例 [25] ，低强匹配试样的 DIC 拉伸试验断口主要为韧窝状形貌 [26] ；在主要失效致因判断方面，有文献指出环焊缝断裂与冲击韧性偏低有关 [25] ，也有文献指出即使焊缝和热影响区有良好的韧性，低强匹配焊缝过载时也会由于塑性应变累积而发生断裂 [19] 。未达成一致认识的原因主要是由于环焊缝的非均质特征明显，失效过程受不同区域材料强度、塑性、韧性等多种性能影响，不同性能相互关联，大量机制相互制约，任一尺度、任一性能的不连续性都可能形成奇点式的薄弱环节，由于应力或应变集中而引发失效。可见，对环焊接头非均质特征的研究和表征有待深化，对环焊缝强度匹配的认识还有待统一，对低强匹配环焊缝的安全评估也需进一步探索。
考虑到环焊缝失效机理的研究涉及结构设计、焊接施工、检验检测等不同过程的解析，与材料、焊接、力学等多个不同学科相关联，如果不同阶段对强度匹配的定义、研究角度或实验条件不统一，必然导致不同结果和认识上的混乱。因此，研究高钢级管道的匹配问题，已成为当前识别在役高钢级管道环焊缝失效风险、提升新建高钢级管道可靠性水平的基础性技术瓶颈问题。
2 匹配的基本特征
根据匹配的定义与管道环焊缝的结构特征，对于设计施工条件相同的一批环焊缝而言，其强度匹配具有随机分布的特征；对于具体一道环焊缝而言，其强度匹配的表征结果具有明显的尺度相关性。同时，热影响区的软化和应变时效对匹配表征具有隐性的影响。
2.1
匹配的随机分布特征
在实际工程中，焊缝金属和母材的强度会在一定范围内波动，具有一定的随机性，匹配系数也相应具有随机分布的特征。按照等强匹配设计的焊接接头，在实际焊接过程中也会存在低强、高强匹配的情况 [21，27] 。李为卫等 [28] 曾对 108 炉 X80 管线钢、188 组 830 MPa级焊接材料熔覆金属的实测屈服强度数据进行了统计分析，发现 X80 管线钢的屈服强度都满足高于 555 MPa的要求，其中最低为 585 MPa、最高为 685 MPa；焊缝熔覆金属的屈服强度50％位于751～800 MPa的范围内，最低为 660 MPa、最高为 910 MPa，存在低于 685 MPa的情况。将二者组合形成焊接接头，按照传统方法，以强度比作为匹配系数的定义，则设计匹配系数为 1.5，但若最高强度的母材与最低强度的焊缝金属相匹配，仍会出现实际匹配系数小于 1 的情况。为了避免上述情况的出现，在环焊缝强度匹配的随机分布方面，主要有以下两种管理方式。
（1）方式一是通过控制母材与焊缝金属强度分布曲线的相对位置，避免出现低强匹配。当考虑到焊缝金属、管材的强度波动范围时，要满足焊缝金属的完全高强匹配，焊缝金属强度与管材轴向强度的频次分布曲线不应重叠，即二者的差值 Δ 应大于 0（图 2）。随着管线钢强度的上升，高强匹配的实现会变得愈发困难。 以 X80 钢为例，假设管材的抗拉强度下限为 625 MPa、波动范围为 65 MPa，若要完全避免低强匹配，则焊缝金属抗拉强度的最小值需大于 690 MPa，再考虑 65 MPa的相同强度波动范围，其最大值则可能超过 750 MPa，使用该强度级别的焊材，焊缝金属的韧性通常开始下降，韧性将成为问题。一般情况下，焊缝金属的拉伸性能比母材的波动更大，高强匹配程度主要取决于管道强度水平及其波动范围，对于 X70 及以上钢级管道， 实现焊缝金属抗拉强度与管材轴向抗拉强度分布不重叠的条件下，其高强匹配度一般为 10％～20％ [4] 。
图2 高强匹配焊缝金属与管材强度的频次分布曲线
（2）方式二是允许 Δ <0，并通过划定工程上允许接受小概率事件的界限，根据实际抽样检测的强度数据，从概率的角度确定不同强度匹配的实现程度。有学者在研究 10Ni5CrMoV 合金钢强度匹配的过程中，将母材、焊缝强度作为两个满足正态分布的随机变量，采用随机抽样、数理统计的方法，分析了等强匹配设计条件下出现低强、高强匹配的可能性，提出了等强、低强匹配焊接接头的特征及界定方法，从概率论的角度分析了强度匹配对环焊缝可靠性的影响 [27，29] 。从统计学的角度来看，按照强度比值定义的等强匹配的界定需要满足以下条件 [27] ：①匹配系数的均值在0.95～1.05 之间。②当匹配系数均值小于 1 时，均值加上 1 倍标准差大于 1；当匹配系数均值大于 1 时，均值减去 1 倍标准差小于 1。③匹配系数大于 1.1 或小于0.9 的概率均小于 15.8％。低强匹配的界定需要满足以下条件 [29] ：匹配系数的均值小于 0.95；匹配系数均值加上 1 倍标准差小于 1；匹配系数大于 1.05 的概率小于 3％。在管道环焊缝的研究过程中，也有学者指出，在正态分布的条件下，实现高强匹配时的焊缝金属屈服强度最小值，取决于钢管母材屈服强度的平均值及标准偏差 [24] 。当焊缝金属最小值为管体平均屈服强度加2倍标准偏差时，出现非高强匹配的概率为2.3％，接近工程上关于小概率事件的界定，可用于确定高强匹配时焊缝金属屈服强度的最小值 [24] 。
2.2
匹配表征的尺度相关性
一般意义上的强度匹配，大都根据拉伸试验确定的强度指标进行判断，本质上反映的是宏观尺度上的整体匹配特征。随着测试表征技术的发展，仪器压痕法、DIC 法等微观测试技术在管道环焊缝方面得到越来越多的应用。但由于焊接接头化学成分、微观组织、力学性能的不均匀性，随着表征尺度的缩小，绝对意义上的等强匹配是不存在的，不同尺度上的测试方法可能得到不一致的结果，反映不同尺度上的局部匹配特征。在环焊缝失效过程中，究竟是整体匹配特征重要还是局部匹配特征重要、整体匹配特征与局部匹配特征之间的对应关系等问题，还需继续深入研究。此外，当管材性能具有各向异性时，取样方向也会对测试结果产生影响。为了避免不同测试尺度、测试方法造成的偏差，需要制定更加明确的取样方法、测试要求及质量指标。
环焊缝宏观尺度的拉伸测试主要包括环焊缝接头拉伸、全母材拉伸、全焊缝金属拉伸 3 种类型，其中全母材拉伸、环焊缝接头拉伸多使用轴向条形试样，而全焊缝金属拉伸多采用环向圆棒试样 [2] 。基于应变设计管道的环焊缝接头拉伸试验中，通常认为断裂位置发生在母材区域，即能保证高强匹配 [30] 。全母材拉伸测试结果则与取样方向有直接关系，直缝钢管的轴向强度往往低于环向强度，螺旋缝钢管的轴向强度与环向强度的关系是成型螺旋角、钢带各向异性的综合作用结果，经常出现轴向强度较高的情况。对于管线钢管的强度指标，已有的标准多是针对环向拉伸试样的测试结果，直到 2018 年发布的第 46 版 API 5L-2018《管线钢管》，对于承受塑性变形的 PSL2 级直缝埋弧焊钢管，为了获得环焊缝高强匹配，要求将轴向屈服强度的波动范围控制在 100 MPa 以内。美国国际管道研究协会（Pipeline Research Council International，PRCI）发布的技术公告 [31] ，也建议对 X70 管材同时开展轴向拉伸与环向拉伸测试。全焊缝金属拉伸的测试结果也与取样位置在整个环焊缝所处的时钟方位有关，受实际焊接条件的影响，环焊缝 6:00 位置可能存在强度的最低值。尤其是高强度焊材，其拉伸性能对热输入以及冷却速率更为敏感，应对最小和最大焊接热输入条件下的环焊缝 12:00、3:00、6:00 位置进行拉伸性能测试，从而获得最低轴向强度数据用于匹配比对。
在脆性增加、热影响区存在裂纹的条件下，裂纹尖端附近的局部强度匹配性较之整体强度匹配性更加重要 [7] 。但环焊接头的焊缝与热影响区很窄，在多层、多道焊接后，其微观组织变得更加复杂，采用宏观拉伸试验很难区分不同区域的实际强度。在 COD、夏比 V型冲击韧性测试过程中，可以在一定程度上控制预制缺口或裂纹的位置，但很难实现各组织区域的精准预制。微观组织中作为起裂源的薄弱组织与试样缺口或裂纹的相对位置不同，会导致韧性测试数据存在分散性 [32] ，具有不同强度匹配特征的环焊缝也可能表现出较接近的冲击韧性 [26] 。因此，诸多学者探索采用微区试样的方式测试局部微观组织的力学性能。以某 X80管线钢环焊接头的维氏硬度云图（图 3）为例，即使是整体高强匹配的环焊接头，热影响区软化也会导致局部区域的硬度、屈服强度低于母材。同时，采用数值模拟的方法，研究热影响区软化对环焊接头在轴向拉伸载荷下剪切应变的影响（图 4），可见：考虑热影响区软化时，剪切带的起始位置位于热影响区，随着变形的增加，剪切带贯穿热影响区和焊缝；不考虑热影响区软化时，整个剪切带仅在焊缝中形成并演变，并未扩展到热影响区。Midawi 等 [33] 采用仪器压痕法评估了 X80 管线钢焊接屈服强度的不匹配度，并使用 DIC 法获得了应变分布规律，其进一步详细说明了环焊接头局部特性与强度失配对失效位置的影响。需要指出的是，绝对均匀的材料是不存在的，一定尺度上的非均质特征也是实现材料强韧化的重要基础。局部匹配特征的研究有利于深化对环焊缝失效机理的认识，但有些微观指标难以作为工程指标直接应用。因此，仍需要进一步深入研究微观测试结果与宏观测试结果之间的跨尺度映射关系。
图3 某 X80 管线钢环焊缝接头的硬度测试云图
（a）考虑热影响区软化
（b）不考虑热影响区软化
图4 考虑和不考虑热影响区软化的环焊缝剪切应变分布云图
2.3
匹配的隐性影响因素
热影响区软化对高强钢管道环焊接头强度匹配的影响是无法忽视的，尤其是采用热机械轧制工艺的现代高强度管线钢，其组织为非平衡态，合金成分普遍较低（碳含量低于 0.05％）。这虽然可以降低氢致开裂的风险，但在受热时，软化也较为明显。因此，对焊接热影响区软化的研究随着高强度管线钢的广泛应用也受到了重视。热影响区的软化与碳当量（ P cm ）具有相关性 [31] ，热影响区软化对环焊缝拉伸应变容量的影响，需要结合环焊接头断裂韧性、缺陷水平进行评估 [34] 。为了控制热影响区软化对管道环焊接头变形能力的影响，相关标准提出了相应的软化控制措施，如 CSAZ662-2007《输油输气管道系统》要求：焊接热影响区的软化程度不大于 10％、软化区域的宽度不大于 15％ t （ t 为管道壁厚）。但需要指出的是，该标准并未明确规定热影响区软化的度量指标，这也造成了该规定实际操作的困难。一般而言，使用图 3 的硬度云图可获得满足上述规定的评估结果。但有学者研究表明 [35-36] ，热影响区的宽度与接头厚度比值小于 1/3，甚至对于极端的强度低匹配情况，焊接接头的强度下降也不会超过 10％。
经过防腐热涂敷工艺处理的管线钢管，其应力-应变曲线往往会发生变化。在涂敷过程中，虽然管线钢管表面的加热温度一般不超过 250℃，并不会造成管线钢微观组织发生明显变化，但一些具有圆屋顶应力-应变曲线的钢管在涂敷后可能发生吕德斯延伸。此变化提高了材料的屈服强度、屈强比，可能使设计要求的高强度匹配环焊缝金属在涂敷后成为低强匹配。
管道长期运行带来的应变时效也会使轴向拉伸曲线形状发生改变，使强度匹配关系在特定应变范围内发生变化。长输管道经常使用的钢管类型包括直缝埋弧焊管和螺旋缝埋弧焊管，其中直缝埋弧焊管按成型工艺又分为 UOE(Uing Oing Expanding)、JCOE(Jing Cing Oing Expanding)及RBE(Rolling Bending Expanding)等 3 种。UOE 与 JCOE 两种钢管的成型工艺有很大的差别，由于在成型过程中承受的应变水平不同，两类钢管的力学性能及其随应变时效过程的变化会有较大差别。直缝埋弧焊管在成型时的环向扩径会导致 0.8％～1.4％的塑性变形，其环向屈服强度在应变时效后的上升幅度较为明显。如果不对屈服强度的应变时效行为进行评估，在防腐蚀涂敷后，钢管性能变化将会对环焊缝强度匹配造成影响。
3 匹配对环焊缝失效的影响
焊接接头的承载能力不仅与整个结构平均的表观强度、韧性、塑性有关，同时受其非均质特征影响，叠加轴向载荷、焊接缺陷、几何结构不连续导致的应力集中后，容易发生提前失效 [16] 。在油气长输管道行业，环焊缝焊接的影响因素众多，强度匹配一直是研究重点。对于环焊缝的匹配方式，基于应力的设计准则未提出明确的规定，而基于应变的设计准则要求焊缝金属相对于母材为高强匹配，充分发挥母材的塑性变形能力，以适应不良地质环境下轴向应变超过 0.5％的服役条件。但高强匹配的实现，需要焊接工艺设计、焊材选择、施工质量管控、检验检测等多个环节的协同作用，难以完全实现。如焊接材料的选材，使用的熔覆金属强度不完全等价于焊缝金属强度。即使焊缝金属强度高于母材强度，热影响区软化仍会导致局部区域出现类似低强匹配的情况。焊接过程中形成的焊接缺陷、几何不连续性，在复杂应力状态下，也会降低管道的抗变形能力 [37-38] 。若考虑应变时效因素的影响，匹配效果还可能随管道运行时间发生演变，变化机理更加复杂。
根据环焊缝失效机理、断口形貌、失效位置的不同，可以将环焊缝失效划分为脆性断裂、屈服前净截面垮塌、屈服后净截面垮塌、母材颈缩 4 种模式，其中净截面垮塌是指裂纹所在管道横截面的全面屈服。前两种失效模式发生在弹性阶段，后两种失效模式则发生在塑性阶段 [39] 。在不同的强度匹配条件下，当对构件施加垂直于焊缝的载荷时，不同区域的协同变形有差异，存在一定的相互约束，可能会出现母材和焊缝均发生屈服、仅母材屈服、仅焊缝屈服 3 种情况。
通过对国内外 116 组涵盖 X52～X100 钢级、管径508～1 219 mm、CTOD 值 0.03～0.55 mm 的管道环焊缝的宽板拉伸及全尺寸试验数据进行统计，并与以断裂比 K r 为纵坐标、以载荷比 L r 为横坐标的失效评定曲线（FAC 曲线）对比（图 5）可见，管道环焊缝的失效模式以塑性失效为主。因此，根据管道环焊缝常见的失效模式，主要从塑性失效、断裂失效两个方面分析强度匹配对环焊缝失效的影响。
图5 国内外 116 组管道环焊缝宽板拉伸及全尺寸试验数据 统计结果图
3.1
匹配对环焊缝塑性失效的影响
无缺陷焊接接头在轴向拉伸载荷作用下，假设轴向应力 σ 沿着试样轴向均匀分布、不随轴向位置而改变，且不考虑母材与焊缝金属之间变形约束产生的强化或软化效应，则可得到不同强度匹配条件下的简化应力-应变曲线（图 6，其中， σ B 为母材与焊缝金属的屈服强度，Δ σ B 为焊缝金属屈服强度与母材屈服强度之差， σ W-UM 为低强焊缝金属的屈服强度， ε W-UM 为低强焊缝金属的极限应变， σ critical-W 为 ε W-UM 对应的极限应力， σ W-OM 为高强焊缝金属的屈服强度， ε W-OM 为高强焊缝金属的极限应变， ε B 为母材的极限应变， σ critical-B 为母材 ε B 对应的极限应力）。
（a）Δ σ B =0
（b）Δ σ B ＜0
（c）Δ σ B ＞0
图6 母材、焊缝金属在不同匹配条件下的简化应力-应变曲线 对比图
当焊缝与管材的材料屈服强度相同（即 Δ σ B =0）时，表示焊缝金属相对于母材为等强匹配（图 6a），可以简化为完全同质材料，焊缝与管材将会同质化形变。
若焊缝与管材的材料屈服强度为低强匹配（即Δ σ B <0），当管体应力超过 σ W-UM 时，管材仍然处于弹性区间，焊缝发生屈曲形变。即使外部因素可能会使得管体受到更大的拉应力，但对于管体本身最大的拉应力不会超过低强匹配焊缝的 σ critical （图 6b），其变形可分为 I 区和 II 区。当 σ critical-w > σ B-UM 时，在一定应力状态下，管材进入屈服阶段，处于 III 区，说明焊缝金属塑性较好时，低强匹配的焊接接头进入全面屈服的阶段。变形 III 区的大小与母材、焊缝金属的屈服强度、抗拉强度、形变硬化指数、屈强比等多种因素有关，只有在合适的强度、塑性、韧性的优化组合下，低强匹配焊缝较为安全的变形 III 区才可能进一步扩大。当 σ critical-w < σ B-UM 时，变形 III 区将不存在，即使低强匹配焊缝与热影响区具有较好的韧性，管道载荷过载时也会因焊缝金属的塑性应变累积而提前发生失效。
若焊缝与管材的材料屈服强度为高强匹配（即Δ σ B >0），当管体应力超过管材 σ B-OM 时，焊缝金属仍然处于弹性区间，管材发生屈曲形变。即使外部因素可能会使得管体受到更大的拉应力，但对于管体本身最大的拉应力不会超过低强匹配管材的 σ critical-B （图 6c），其变形可分为 I 区和 II 区。由于管体本身长度超过焊缝长度，管材可发生形变的范围较大，不易出现局部屈服现象。当 σ W-OM < σ critical-B 时，母材进入塑性变形阶段后，随着应力增大，焊缝也进入塑性阶段，应力状态位于 III 区，母材的塑性变形能力得到充分发挥。
对于上述 3 类匹配情况，当应力状态位于 I 区时，母材、焊缝金属都处于弹性变形阶段，不同匹配特征对变形行为无影响。当应力状态在 II 区时，管道最高应力为最弱强度材料可承受应力，强度高材料的抗应变性能不能发挥作用。当焊缝金属相对于母材高强匹配时，焊缝金属处于弹性变形阶段；当焊缝金属相对于母材低强匹配时，焊缝金属进入屈服阶段，塑性变形量增加明显，在这种情况下，若 σ B < σ critical ，焊缝的应变集中不会导致失效，反之则焊缝提前发生失效。
虽然图 6 对部分条件做了假设，但仍可以定性说明强度匹配对环焊缝接头变形能力的影响。可见，当高强匹配时，焊接接头不易达到全面屈服，可承受的应力最大达到母材的屈服强度，并允许发生设计所需的塑性变形，具有比低强匹配焊接接头更优异的变形能力。为了验证强度匹配对应变集中的影响，进一步通过 5％低强匹配、20％高强匹配环焊接头的有限元分析结果进行对比（图 7，其中蓝色虚线表示远端应变值5％）：在低强匹配下，环焊接头根焊处的应变最高（达到 12％），焊帽区域的应变也达到 9％；在高强匹配下，环焊接头根焊、焊帽处的应变均仅有 1％左右。在拉伸断裂失效后，实验室 DIC 法测试结果的研究也表明，低强匹配的环焊接头拉断时，试样断口附近的应变为 50％，断后伸长率为 22％；高强匹配的环焊接头拉断时，试样断口附近的应变为 76％，断后伸长率为30％ [19] 。
（a）5% 低强匹配环焊接头
（b）20% 高强匹配环焊接头
图7 拉伸应变作用下环焊接头根焊、盖面焊位置应变分布曲线
3.2
匹配对环焊缝断裂失效的影响
欧洲管道研究组织（European Pipeline Research Group，EPRG）关于 X65~X80 钢级管线钢的研究指出 [40-41] ，环焊缝断裂韧性的阈值为夏比冲击吸收能 量 30 J/40 J（最 小 值/平 均 值）或 标 准 CTOD 值0.10 mm/0.15 mm（最小值/平均值），超过阈值后，拉伸应变能力对韧性指标的敏感性显著降低。随后，EPRG 又进一步提出了 60 J/80 J 的指标，以避免 CTOD值低于 0.10 mm/0.15 mm 的情况 [42] ，可以保证环焊缝以塑性垮塌的形式失效。但通过对中国已有的工艺评定数据、百口磨合数据进行统计分析（图 8），发现部分CTOD 值仍存在偏低的情况。匹配情况不仅影响塑性失效，当管道承受弹性范围内的整体应变时，低强匹配的环焊缝区域即使只产生局部塑性变形，也会使材料韧性发生劣化，导致断裂失效。
（a）工艺评定数据
（b）百口磨合数据
图8 中国 X80 管线钢环焊接头 CTOD 统计数据图
为了评估低强匹配时环焊缝应变集中对断裂韧性的影响，在施加 0.5％远端轴向应变前后及不同的实验温度下，分别对环焊缝冲击韧性进行测试（图 9），并确定了韧脆转变曲线上 80 J、60 J 夏比冲击吸收能量对应的测试温度（ T 80 J 、 T 60 J ）。可见，低强匹配的环焊缝在承受整体弹性范围的塑性变形后，其韧性发生明显劣化，这意味着管道施工、服役过程中的变形有可能对其韧性产生决定性的影响，甚至有可能引发断裂失效 [43] 。
图9 施加 0.5%预应变前后低强匹配环焊缝冲击韧性随温度
变化曲线
帅健等 [22] 通过研究指出，在考虑缺陷影响的条件下，不同裂纹长度对应的裂纹驱动力曲线可分为 3 个区域：区域 1 为弹性阶段，CTOD 值随应变的增大而缓慢增大，其变化斜率较小且对裂纹长度不敏感；在区域2 中，裂纹韧带发生完全屈服，CTOD 值随应变的增大而继续增大，且变化斜率较区域 1 更大；区域 3 为裂纹失稳扩展阶段，CTOD 值随着裂纹韧带失稳而急剧增加，即使裂纹远端轴向位移载荷不再继续增加，裂纹也会继续扩展至完全断裂 [22] 。在考虑焊缝金属与母材的强度匹配后，通过应变控制载荷的作用，匹配度对环焊缝应变能力具有近似线性的影响，其中高匹配条件下的断裂驱动力明显降低。但荆洪阳等 [44] 的研究指出，对于核容器用 A508-III 钢的焊接接头，选用高匹配焊缝可以降低焊缝裂纹试样的裂尖张开应力及应力三轴度，但又使得热影响区裂纹试样的裂尖张开应力及应力三轴度增大，对热影响区的抗断裂性能不利。 在管道环焊缝的实际焊接结构中，热影响区尺寸相对较小，高强匹配对环焊缝的整体断裂抗力仍可能是有利的。
3.3
匹配对失效评估的影响
已开发的焊接结构完整性评估模型大都基于均质材料，通常不考虑焊缝的匹配情况。近年来，多个焊接结构的缺陷评估标准引入了强度匹配的因素，但目前的评估仅在 X65 及以下低钢级、管径 300 mm 以下的小口径管道中开展了全尺寸验证，对于高钢级、大口径管道的适用性尚有待验证。因此，在焊接接头的评估分析过程中，通常将整个管道的性能按照焊缝与母材中强度较低的指标确定，属于较为保守的做法。 API 1104-2013《管道焊接和有关设施》附录 A 中的工程临界评估方法可用于等匹配或高强匹配焊缝，但不适用于低强匹配焊缝，评估中使用的拉伸性能为指定母材的最小屈服强度，当施加的载荷接近母材的屈服强度时，评估结果将是保守的。ASME FFS-1-2016《合于使用评估》也要求评估的焊缝为高强匹配，并使用缺陷位置的材料拉伸性能进行评估。
R/H/R6-2001《有缺陷结构完整性的评定》附录 16中包含考虑强度不匹配的焊接接头评估方法，并考虑了强度不匹配条件下的保守因子，还考虑了不匹配引起的裂纹尖端约束的影响。在匹配性方面，主要考虑了其带来的极限载荷的变化，并定义了一种等效的屈服强度、流变应力以及应力-应变曲线。
BS 7910-2019《金属结构裂纹验收评定方法指南》中给出了考虑匹配性的评估方法。BS 7910-2019 附录I 中考虑强度匹配的失效评估图分为 1 M、2 M 两个级别：已知焊缝、管体基本拉伸性能时，选用 1 M 级别；已知焊缝、管体完全应力-应变曲线时，选用 2 M 级别。 根据焊缝、管体应力-应变曲线有无屈服平台，每个级别还可分为多种评估曲线确定方法。此外，需要强调的是，为了更加准确评估低强匹配焊缝，可优先采用弹塑性有限元模型进行评估。
4 匹配度的量化表征与工程指标要求
4.1
量化表征
结构的失效特征决定了匹配性的本质需求。埋地管道焊接结构需承受来自内压的环向应力、地质位移等产生的弯曲应力及拉应力，由于强度匹配的作用对环向应力的影响小、对横向拉伸应力的影响大，如果载荷超过最小屈服强度，则会在最小屈服强度材料处发生应变集中，造成快速断裂。因此，对管道系统应从抗轴向载荷的角度定义与表征环焊缝的强度匹配性。
表征是实现理论或设计要求工程化落地的基础。结构的匹配表征需要通过测试各部分的标准试样，获得主失效应力方向的力学性能指标并进行比对。对于管道环焊缝，造成失效的主应力方向为轴向，因此，焊缝金属强度匹配应是指环焊缝金属强度与管体轴向的强度对比，而非标定钢级所用的环向强度。长输管道常用的管材为直缝埋弧焊钢管、螺旋缝埋弧焊钢管：对于直缝埋弧焊钢管，管体强度存在较为明显的各向异性，轴向强度明显低于横向；对于螺旋缝埋弧焊钢管，钢管轴向强度与环向强度的关系取决于成型螺旋角与钢带各向异性的综合作用，经常出现轴向强度较高的情况。同时，由于管道环焊缝属于全位置焊接，焊接工艺参数也会影响环焊缝的拉伸性能。此外，焊缝金属与母材组成焊接接头后，低强焊缝的塑性变形受到两侧母材的约束作用，也会产生类似强化的效果，整个焊接接头的强度往往介于焊缝金属与母材强度之间，且随焊缝宽厚比发生变化，这会对焊接结构的准确量化表征发生影响。基于当前强度匹配研究结果，对于基于应变设计或考虑轴向变形条件下的管道服役条件，高等级钢环焊缝结构强度匹配的指标应以屈服强度量化差值为主要量化指标。需要注意的是，在考虑应变的条件下，环焊缝强度的匹配应该是焊缝金属实际强度与管体金属实际强度的对比，绝非是二者的公称强度的对比，否则无法在严格意义上满足匹配度的设计条件。对于基于应力设计的管道，也应该以屈服强度的设计值与实际值之差来表征，确保管体受力能够均匀分布。对于高钢级管道，在设计文件中应明确要求高强匹配：要求环焊缝焊接工艺控制所得焊缝材料最小屈服强度大于管材金属轴向最大控制屈服强度，或 在考虑余高条件下，焊缝最小屈服强度高于管材最大公称屈服强度。
需要注意的是，用于量化匹配屈服强度差值的试样取样与常规测试取样不同，应按照轴向受力方向选取。此外，虽然传统的焊接接头拉伸试验可以表征焊接接头的强度，但不能获得焊缝金属的性能，因而应该进行全焊缝金属拉伸试验以确定焊缝金属的拉伸性能。因此，在表征强度匹配时，应明确表征数据来源，利用有效参数量化匹配强度。
4.2
工程指标要求
基于应变设计的管道，确定不同状态下的设计应变、极限应变以及考虑一定安全系数后的工程容许应变是关键，其中极限应变的确定与环焊缝强度、塑性、韧性有直接关系。现行设计标准和工程实践对强度、韧性方面的要求较多，但在塑性方面的要求相对较少，在系统匹配性及可接受大应变边界方面也尚无明确要求。
在环焊缝的强度设计方面，SHELL、BP、TOTAL等公司的标准均要求基于应变设计管道的焊缝金属实现对母材的高强匹配，但定量值各有不同。SHELL 公司要求焊缝金属的屈服强度大于母材规定最小屈服强度再加 20 MPa，抗拉强度则大于母材规定最小屈服强度。BP 公司要求焊缝金属屈服强度不低于母材屈服强度。TOTAL 公司要求焊缝金属屈服强度大于母材屈服强度再加 80 MPa。EPRG 的相关研究结果指出，焊缝金属最低屈服强度需为母材纵向屈服强度再加 100 MPa [45] 。DNV RP-F101-2015《海底管道系统》相关标准则要求，对于轴向应变小于 0.4％且不进行工程适用性评价的环焊缝，其焊缝金属屈服强度宜超过母材屈服强度再加 80 MPa；对于轴向应变超过 0.4％或进行工程适用性评价的环焊缝，其焊缝金属屈服应超过母材规定最大屈服强度再减 20 MPa。中国的SY/T 7403—2018《油气输送管道应变设计规范》规定，实测的焊缝金属抗拉强度应为母材抗拉强度的1.05～1.15 倍，环焊缝接头热影响区软化造成的硬度降低不应大于母材的 10％，否则应通过加大盖面焊宽度覆盖软化区进行补强。
在拉伸应变容量预测方面，国外大多使用环焊缝含缺陷的整管拉伸变形有限元模型计算裂纹驱动力，并将其作为基于应变设计中的失效准则 [34] 。国家管网集团的设计与施工文件对强度和塑性均提出了相关要求，基于应力设计的全焊缝纵向拉伸试验的屈服强度不应低于母材的规定值，断后伸长率不应小于20％与 (4 820/σ min +10)/100 中的较低值（其中， σ min 为母材规定最小抗拉强度）；基于应变设计的全焊缝纵向拉伸试验的屈服强度不应低于母材规定值的 1.05 倍，断后伸长率不应小于 20％。随着管道服役条件的变化，材料强度与塑性最佳匹配也发生变化，总的趋势是随着应力集中的缓和、过载水平的降低、应力状态的变软，承载能力表征参量的最佳值向高强度方向转移，反之则向高塑性方向转移。
由中国高钢级管道项目百口磨合数据以及工艺评定数据（图 8）可见，无论是百口磨合还是工艺评定，99％以上的环焊接头抗拉强度大于规定最小抗拉强度。同时，在未区分焊接工艺的情况下，X80 焊接接头的抗拉强度、冲击韧性都体现出较大的分散性（图 10、图 11），冲击韧性还存在低于标准要求的情况，为明确工程指标、达到高匹配带来了挑战，其中控制材料与施工过程的可靠性、抽检指标的符合度是工程指标的主要内容。
（a）工艺评定数据
（b）百口磨合数据
图10 中国 X80 管道环焊接头抗拉强度统计图
（a）工艺评定数据
（b）百口磨合数据
图11 中国 X80 管道环焊接头冲击韧性统计图
对于单体的环焊缝结构，工程上可以用测试结果准确表征匹配状态，从而验证是否达到工程要求。但对于管道系统环焊缝的匹配表征，需要考虑管材、焊缝不同批次、取样位置等，通过一定的裕量来控制或描述匹配情况。当考虑到焊缝金属和管材的强度波动范围时，要满足焊缝金属的完全强匹配，焊缝金属强度与管材轴向强度的分布不应重叠，即 Δ >0。一般而言，在提高焊材强度的过程中，保持韧性储备的难度升高。 在中俄东线天然气管道环焊缝断裂韧性设计过程中，按照断裂力学原理对含缺欠结构从开裂到塑性失稳全过程的描述，结合环焊缝的应力水平和容许极限缺欠尺寸分析，计算得到了能够保证焊缝不开裂的临界断裂韧性指标，确定对于中俄东线天然气管道工程的环焊缝，每组 3 个试样的平均吸收能量应为 50 J、单个试样的最小吸收能量应为 38 J，每种焊接工艺的韧脆转变温度不得高于－30 ℃ [46] 。然而，韧性指标也不是越高越好，当韧性值增至一定水平后，其与环焊缝应变能力的相关性将显著降低，高韧性环焊缝不一定比中等韧性的环焊缝具有更高的应变能力。当韧性超过特定的阈值后，强度匹配水平和裂纹扩展行为决定了应变容量，远端应变随着缺陷尺寸增大、匹配度的下降而降低 [47-50] 。
此外，由于现场实际焊接施工后，不易现场测量或取样测试匹配状态，在工程指标控制方面，不仅应严格控制焊缝余高，而且应明确要求百口磨合环焊缝轴向拉伸试验断于焊缝金属的次数为 0，表观硬度显示焊缝处材料性能要高于管材。
当前工程项目对匹配表征的要求多限于环焊接头的抗拉强度高于管材规定最小屈服强度，或者 95％规定最小屈服强度等，甚至允许在焊缝处断裂。从仅承受内压载荷的角度来看，这些规定都是合理的。但管道在施工、服役期间承受应变，可能造成弱匹配环焊缝的塑性变形，此时则需要对焊缝金属的强度匹配进行重新评估、设计，避免失效。因此，在工程要求中明确管材、焊材、焊接金属的性能指标、分散度及质量测试要求等，均是确保达到设计匹配要求的基础。地质位移引起高钢级管道环焊缝开裂失效的现象，其根本上是对基于应力设计高钢级管道环焊缝匹配性差异对应变能力响应的研究与应对不足。对于新建设的高钢级管道，不仅要研究设计、采购及施工文件在匹配性方面的定义、表征方法及要求等，为了提高环焊缝金属的强度，还应在焊材的选择、材料性能波动下确保实际性能的强匹配等方面开展研究。同时，高强度焊材的应用使得在防止氢致开裂升高预热温度可能影响管材性能、焊缝金属强度升高带来焊缝韧性下降、缺陷控制难度上升等方面，都需要通过研究予以解决，避免出现只考虑单一因素提升而带来系统可靠性降低的问题。
5 结论及建议
对焊接结构匹配强度的认知，是系统解决高钢级管道环焊缝结构可靠性的基础。随着高钢级管道的发展，低强匹配带来的环焊缝断裂风险推动了对高钢级管道环焊缝结构匹配问题的研究。基于国家管网集团在高钢级管道环焊缝失效机理研究的成果，通过厘清环焊缝强度匹配的定义、研究历史、基本特征，分析其对环焊缝失效的影响及现有设计、评估标准的发展现状等，得出以下结论：
（1）目前，对管道环焊缝结构匹配的定义尚不统一，根据高钢级管道焊接结构完整性的需要，考虑工程应用的可行性，建议使用轴向屈服强度的差值来定义匹配性，并利用管体材料轴向取样与焊接材料全尺寸取样测试值进行表征，以满足管道设计、工程质量管理等需求。
（2）不同强度匹配条件下的母材和焊缝金属变形分区概念能够促进对低强匹配危害性的认识。管道在仅承受弹性范围内的应变时，低强匹配环焊缝也可能发生塑性变形，导致性能劣化甚至失效，这是现有标准和研究中尚未充分认识和应对的。未来的管道设计中，尤其是对于高强钢管道，即使没有承受塑性应变的需求，也需对弹性范围内的应变及后果进行评估，明确高强匹配的技术要求。
（3）高钢级管道建设需高度重视低强匹配可能带来的问题。在役管道的低强匹配风险管控需重点解决的问题包括匹配性表征与测试技术的研究、低匹配的管道拉伸应变能力评估模型的开发、在役管道低匹配结构风险的识别、不同匹配条件下的失效评估、利用大数据结合机器学习等方法的预测技术等。
编辑：李在蓉
审核：关中原
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作者简介
冯庆善，男，1974 年生，教授级高工，2010 年博士毕业于北京航空航天大学材料学专业，现主要从事资产完整性、生产运行管理与研究工作。
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本文发表于《油气储运》2022年第11期
《油气储运》2018-2022年参考文献著录信息
《Journal of Pipeline Science and Engineering》参考文献著录信息
来源：油气储运科技界 微信公众号