X80管道环焊缝动态力学性能与J-C本构表征

杨悦; 陈健; 赵凯; 陈朋超; 李睿; 王富祥; 赵迪

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2507078

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (22) :9517-9522 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2507078

石油、天然气工业

X80管道环焊缝动态力学性能与J-C本构表征

杨悦 ¹ ,
陈健 ¹^,^* ,
赵凯 ² ,
陈朋超 ¹ ,
李睿 ¹ ,
王富祥 ¹ ,
赵迪 ²

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Dynamic Mechanical Properties of X80 Pipeline Girth Welds and Characterization Based on J-C Constitutive Model

YANG Yue ¹ ,
CHEN Jian ¹^,^* ,
ZHAO Kai ² ,
CHEN Peng-chao ¹ ,
LI Rui ¹ ,
WANG Fu-xiang ¹ ,
ZHAO Di ²

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摘要

为弥补X80管线钢与环焊缝高应变率下动态力学性能、应变率敏感性及各向异性特征研究的不足,同时解决环焊缝动态响应表征方法的问题,以X80管线钢与环焊缝为对象开展研究,开展准静态拉伸试验与SHPB动态压缩试验分析,揭示了材料各向异性及应变率敏感性规律,建立不同管材方向、不同焊接工艺环焊缝材料的Johnson-Cook本构模型,并通过还原试验验证模型准确性。结果表明:X80管线钢准静态力学性能存在显著各向异性,环向性能优于轴向;全自动焊环焊缝准静态性能优于半自动焊,母材轴向性能接近半自动焊环焊缝但低于全自动焊环焊缝;X80管线钢与不同焊接工艺环焊缝材料屈服强度均随应变率升高而升高,且环向屈服强度略高于轴向,半自动焊环焊缝屈服强度低于母材,全自动焊环焊缝远高于母材;所建Johnson-Cook本构模型反演的准静态拉伸结果及还原的动态压缩试验结果,均与实验结果吻合。

Abstract

To address the deficiencies in the research on the dynamic mechanical properties, strain rate sensitivity, and anisotropic characteristics of X80 pipeline steel and its girth welds under high strain rates, as well as to solve the problem regarding the characterization method for the dynamic response of girth welds, X80 pipeline steel and its girth welds were conducted. Quasi-static tensile tests and SHPB (split Hopkinson pressure bar) dynamic compression tests were performed for analysis, the laws governing the material anisotropy and strain rate sensitivity were revealed, and Johnson-Cook constitutive models for girth weld materials with different pipe orientations and welding processes were established. The accuracy of the models was verified through reduction tests. The results show that the quasi-static mechanical properties of X80 pipeline steel exhibit significant anisotropy, with the hoop properties being superior to the axial properties. The quasi-static properties of fully automatically welded girth welds are better than those of semi-automatically welded ones. The axial properties of the base metal are close to those of the semi-automatically welded girth welds but lower than those of the fully automatically welded girth welds. The yield strengths of X80 pipeline steel and girth weld materials fabricated by different welding processes all increase with the increase of strain rate, and the hoop yield strength is slightly higher than the axial yield strength. The yield strength of the semi-automatically welded girth welds is lower than that of the base metal, while that of the fully automatically welded girth welds is much higher than that of the base metal. The quasi-static tensile results inverted by the established Johnson-Cook constitutive models and the restored dynamic compression test results are both in good agreement with the experimental results.

Graphical abstract

关键词

X80管线钢 / 环焊缝 / 动态力学性能 / Johnson-Cook本构模型

Key words

X80 pipeline steel / girth weld / dynamic mechanical properties / Johnson-Cook constitutive model

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杨悦, 陈健, 赵凯, 陈朋超, 李睿, 王富祥, 赵迪. X80管道环焊缝动态力学性能与J-C本构表征[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(22): 9517-9522 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2507078

YANG Yue, CHEN Jian, ZHAO Kai, CHEN Peng-chao, LI Rui, WANG Fu-xiang, ZHAO Di. Dynamic Mechanical Properties of X80 Pipeline Girth Welds and Characterization Based on J-C Constitutive Model[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(22): 9517-9522 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2507078

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能源是经济社会发展的重要物质基础和能源源泉^[1-2],油气输送管道作为一种高效、安全、环保、经济和持续的能源运输方式,对于保障国家能源安全、促进经济发展和提高人民生活水平具有重要意义^[3-4]。在实际运行过程中,管道不仅可能在施工阶段承受不可避免的冲击载荷(如转运与吊装过程中碰撞或摔落等),还需应对长期运行中因压力波动、地质活动(如滑坡冲击等)以及第三方破坏(如机械挖掘损伤等)而产生的动态载荷^[5-7]。这些复杂的应力状态对管材与环焊缝的动态力学性能提出了特定的要求^[8-11]。因此,管材(base material,BM)与环焊缝材料(welding material,WM)整个生命周期内的力学性能,尤其是动态响应特性决定了动态载荷条件下整个管道的安全性和可靠性。

张宏等^[12-13]总结分析了轴向拉伸力学性能对高钢级管道环焊接头承载能力的显著影响,基于细观损伤力学构建了X80管道环焊缝的断裂韧性-裂尖拘束统一关联关系;Yang等^[14-15]通过数值仿真与全尺寸宽板拉伸试验,系统分析了轴向加载条件下环焊缝材料力学性能对含裂纹X80管道环焊缝断裂行为的影响;张东等^[16]基于MATLAB-PYTHON-ABAQUS联合仿真提出了一种高钢级管道准静态轴向力学性能本构关系确定方法;Chen等^[17]通过系列圆片小冲杆试验数据提出了一种材料应力应变半经验公式;何小东等^[18]对高钢级X80管道环焊接头的组织与性能,以及在拉伸载荷下的塑性应变累积规律开展了分析研究。

现有的众多研究已经关注了X80管线钢在准静态加载条件下的力学性能,并取得了系统的理解,但对于其在高应变率下的动态力学性能、应变率敏感性以及潜在的各向异性特征的研究仍然相对有限,缺乏针对X80管线钢与环焊缝动态力学性能的合理表征本构模型,限制了动态加载条件下管道与环焊缝的数值模拟精度,导致无法准确计算、分析管道与环焊缝的真实力学响应和潜在失效行为。

为弥补这些不足,现以X80管线钢与环焊缝为研究对象,系统地在多个应变率下进行准静态拉伸试验和动态压缩试验,并结合有限元分析建立不同管材方向、不同焊接工艺环焊缝材料的Johnson-Cook(J-C)本构模型^[19],以揭示材料力学性能的各向异性规律以及应变率敏感性的机制,从而为工程实践提供理论依据和数据支持。

1 准静态性能测试分析

1.1 拉伸试样制备与测试

实验对外径1 219 mm、壁厚18.4 mm的X80管道的管线钢分别进行环向与轴向取样,同时对全自动焊环与半自动焊环焊缝材料进行环向取样,如图1所示。

根据《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》(GB/T 228.1—2021)设计平行段原始直径6 mm,原始标记30 mm,平行长度55 mm的准静态拉伸圆棒试样。借助力学测试与模拟万能试验机以0.055 mm/s加载速率、0.001 /s应变率控制,开展准静态拉伸试验。在试件上安置引伸计记录试样在拉伸过程中的变形情况,采用设备自带力传感器记录载荷变化。

1.2 准静态拉伸应力应变曲线与关键参数

准静态拉伸应力-应变曲线及关键参数如图2和表1所示,BM环向2号试样的引伸计滑脱导致数据中断。试验结果表明,用于测试的X80管线钢具有明显的各向异性,环向具有更明显的屈服平台和更高的峰值应力;X80管材环向平均弹性模量、屈服强度、抗拉强度分别比轴向方向高出5.27%、13.42%和6.15%。

全自动焊环焊缝环向性能明显优于半自动焊环焊缝环向性能,全自动焊环焊缝环向平均弹性模量、屈服强度、抗拉强度分别比半自动焊环焊缝高0.96%、22.50%和18.24%。母材轴向的性能与半自动焊环焊缝接近,但低于全自动焊环焊缝。

2 动态性能测试分析

2.1 拉伸试样制备与测试

分离式Hopkinson压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)^[20-22]由撞击杆、输入杆和输出杆组成,如图3所示,试样夹在输入杆和输出杆之间,实验中撞击杆以一定的速度沿轴向碰撞输入杆,引起压缩应力波在杆中传播。假定输入杆和输出杆只发生弹性变形,杆中应力波作一维传播。当应力波到达试样时,一部分波反射回输入杆中,一部分波作用于试样,之后穿过试样进入输出杆中。当应力波的宽度远大于波通过试样所需的时间时,则认为试样在受载期间处于一种均匀变形和应力平衡的状态。

采用SHPB动态压缩试验开展X80管材与环焊缝材料动态性能测试分析。在动态压缩试验中,试样的尺寸比例设计尤为重要。即便假设试样会发生均匀变形,在高应变率试验中,由质子引起的纵向和径向惯性仍会影响应力应变测量数据。

文献[23]分析了由纵向和径向惯性效应引起的误差,并提出了动态压缩试验应力应变修正计算公式。从修正计算公式^[23]可以看出,可以通过保持应变率不变或使尺寸参数为零来减小惯性效应引起的误差。泊松比为0.33时,试样的最适宜长径比为0.5,此时惯性效应引起的误差最小。与静态压缩实验标准AETM E9中所规定的,使摩擦引起的误差最小的长径比(1.5 < l₀/d < 2.0)相比,这个长径比要小得多。

因此,实验测试分别设计4种试件,即母材轴向和环向方向,环焊缝堆积区的轴向和环向方向。4种试件尺寸为直径6 mm,厚度3 mm。

入射波、反射波以及透射波信号需要通过输入杆和输出杆上的应变片采集得到,而应变片测量的电阻变化,需要通过动态应变仪转换为电压信号才能被示波器进行采集。因此,为测量分离式Hopkinson压杆中应变-电压转换关系,图4给出分离式霍普金森压杆不加试样(空打)得到的波形,可以看出反射波几乎为0,入射波和透射波几乎一致,因此使用该设备可满足实验测试的要求。

根据应力波理论,可获得输入杆中的平台应力为σ =ρcv/2。其中σ为杆中的应力;ρ为钢杆的密度,取7 800 kg/m³;c为杆中的弹性波波速,经过实验测试得到5 286 m/s;v为子弹冲击速度,这里取不加试样实验的激光测速结果7.46 m/s。于是可得杆中平台应力σ为153.86 MPa,这里取杆的弹性模量为200 GPa。计算得到平台应变为769.3×10^-6。

根据示波器记录数据,如图4所示,入射杆平台段的电压为1.57 V,透射杆平台段电压为1.58 V。换算可得入射杆应变片的动态标定系数约为490×10^-6 V^-1;类似的,透射杆应变片动态标定系数约为477×10^-6 V^-1。

2.2 动态压缩应力应变曲线与关键参数

不同应变率条件下的SHPB动态压缩应力应变曲线及关键参数如图5和图6所示。

试验结果表明:X80管线钢与不同焊接工艺环焊缝材料的屈服强度均随着应变率的升高而升高。对应变率分别为1 500 s^-1、2 700 s^-1、4 000 s^-1条件下,不同取样方向X80管线钢与不同取样方向、不同焊接工艺环焊缝材料测试结果进行统计发现,对于母材、半自动环焊缝和全自动环焊缝,环向屈服强度均略高于轴向屈服强度;半自动焊接环焊缝的屈服强度比母材低,而全自动焊接环焊缝的屈服强度远高于母材。

3 J-C本构表征分析

3.1 本构参数拟合方法

对X80管线钢与环焊缝的准静态拉伸试验结果表明,材料的应力-应变曲线具有明显的屈服拐点,且环焊缝材料有明显的屈服平台。因此,使用常见的Ramberg-Osgood(R-O)方程来描述X80管线钢与环焊缝材料性能存在较大误差。

为了减少分析误差,以准静态拉伸试验结果为基础,利用贝叶斯正则化反向传播(Bayesian regula-rization back propagation,BPBR)神经网络与灰狼优化(grey wolf optimizer,GWO)算法^[16]对初始屈服强度A、应变硬化模量B、应变硬化指数n、应变率敏感系数C等本构参数进行优化反演,构建合理表征X80管线钢与环焊缝力学性能的Johnson-Cook(J-C)本构模型^[24-25],通过还原SHPB试验结果验证本构参数拟合结果的准确性。

3.2 本构参数的拟合结果及准确性验证

通过ABAQUS-MATLAB-PYTHON联合参数化数值模拟,如图7与图8所示,J-C本构反演准静态拉伸试验断裂模式与载荷-轴向应变曲线与试验结果吻合。

根据优化反演结果,拟合确定J-C本构参数如表2所示。为验证J-C本构参数拟合结果准确性,对SHPB动态压缩试验进行还原,将试验所得到的入射波转化为压力时程信号输入作用在入射杆的端面,提取入射波、透射波、反射波沿小冲杆试样轴向方向上的应变信号,结果如图9所示,J-C本构模型反演结果与实验吻合一致。

4 结论

通过开展准静态拉伸试验与SHPB动态压缩试验,对X80管线钢与环焊缝的静态与动态力学性能开展分析,揭示了材料力学性能的各向异性特征及应变率敏感性规律,建立了不同管材方向、不同焊接工艺环焊缝材料的Johnson-Cook本构模型,为管道动态载荷下安全性与可靠性评估及工程实践提供理论依据和数据支持,得到以下结论。

(1)X80管线钢准静态力学性能存在显著各向异性,且焊接工艺对环焊缝准静态性能影响显著:X80管线钢环向的平均弹性模量、屈服强度、抗拉强度均高于轴向对应参数;全自动焊环焊缝环向的平均弹性模量、屈服强度、抗拉强度均高于半自动焊环焊缝对应参数;母材轴向性能与半自动焊环焊缝接近,但低于全自动焊环焊缝。

(2)X80管线钢与不同焊接工艺环焊缝材料的动态力学性能均具有应变率敏感性,且存在方向差异:两类材料的屈服强度均随应变率升高而升高;母材、半自动焊环焊缝、全自动焊环焊缝的环向屈服强度均略高于轴向屈服强度,且半自动焊环焊缝屈服强度低于母材,全自动焊环焊缝屈服强度远高于母材。

(3)基于BPBR神经网络与GWO算法优化反演拟合了J-C本构参数,构建了可准确表征X80管线钢与环焊缝力学性能的J-C本构模型:准静态拉伸断裂模式、载荷-轴向应变曲线,以及还原SHPB动态压缩试验的数值模拟反演结果,均与实验结果吻合,验证了参数拟合准确性与模型有效性。

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