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摘要：在广泛使用的焊接结构中，因为焊接接头是管道的薄弱部位，所以在大多数情况下，裂纹容易在焊接接头中产生，由此，也就产生了对含缺结构的安全评定。但是，焊接接头的最基本特征就是力学性能的不均匀性，这种力学性能的不均匀性，体现在进行安全评定时的复杂性上。最初，进行缺陷安全评定的标准都是以均质材料作为研究对象，并由此产生了评定标准，这些标准的评定结构大都会得到保守性的结果。后来发展了对非均质态的焊接接头的评定，使得评定结果精确度进一步得到提高。
关键词：焊接缺陷；油气管道；非均质性；匹配特性；延性；流变断裂；静载强度；应力集中；塑性变形
1引言
油气管道作为一种典型的焊接结构，其焊接过程常常使焊接接头的组织性能劣化及产生缺陷。而焊接缺陷处有较大的应力集中，在使用过程中往往成为裂纹的源头，而管道一旦从焊接接头处发生断裂，极易造成突发性和灾难性断裂。由此看来，焊接接头是管道系统的薄弱环节，对其强度、寿命和安全可靠性进行评定以保证管道安全可靠的使用具有重要的现实意义。
2焊接接头的非均质性
在熔化焊中，焊接接头是由焊缝金属、熔合线、热影响区和母材组成，采用高温热源进行局部加热而形成。焊缝金属是由焊接填充材料和部分母材熔融凝固形成的铸造组织，其组织和化学成分都不同于母材；近缝区受和解热循环和热塑性变形的影响，组织和性能都发生了变化，特别是熔合线的组织和性能变化更为明显，所有这些，都使得焊接接头为一个非均匀体。由于焊缝形状和布置的不同而产生了不同程度的应力集中，再加上焊接过程中产生的残余应力与变形和接头的高刚性就构成了焊接接头的基本属性。
影响力学和材质两个方面的因素成为影响焊接接头性能的主要因素。在力学方面，影响焊接接头性能的因素有接头形状的不连续性、焊接缺陷、残余应力和焊接变形。焊接接头的加强高和施焊中可能造成的接头错位等都是造成接头的不连续，是应力集中的根源，特别是焊接缺陷中的未焊透和焊接裂纹，都是裂纹破坏的起点。在材质方面，影响焊接接头的性能因素不仅有热循环引起的组织变化，还有由于焊接过程中的热塑性变形循环所产生的材质变化。此外，焊后热处理和校正变形等工序，都可能影响焊接接头性能。
总的来说焊接接头是一个不连续体，产生了几何形状、化学成分、金属组织和力学性能的不连续性。
3焊接接头的强韧性匹配特性
在焊接结构设计中，首先遇到的问题之一是确定焊缝金属强度，即焊缝金属强度匹配问题。对此目前存在着两种不同观点，其一是保证焊缝金属常规延性、韧性条件下，例如使焊缝金属与基本金属具有相同的延伸率条件下，适当选用屈服点较高的焊缝金属，即高匹配是有利的；其二是把着眼点集中于焊缝的韧性或延性上，而其强度与基本金属相比可适当降低，即低匹配。有鉴于此，对匹配问题进行了较为广泛的研究。
为了表达这种不匹配特性，引入了焊缝强度匹配系数M，定义为焊缝材料的屈服强度（€%lYW）和母材的屈服强度（€%lYB）之比，即
M=€%lYW/€%lYB
当M>1时，称焊接接头是高匹配的；
当M=1时，称焊接接头是等匹配的；
当M<1时，称焊接接头是低匹配的。
结构的断裂一般有两种形式，一种是由材料静载强度控制的塑性流变断裂，断裂的条件是€%l≥€%lY；另一种是由材料韧性控制的脆性断裂，破坏条件是KI≥KIC等。结构抗塑性断裂的承载能力（LP）正比于材料的强度，而抗脆断破坏的承载能力（LB）正比于材料的韧性。保证结构安全运行的条件显然是实际结构的载荷（L）同时满足L 传统研究表明，对于中低强度钢，由于母材和焊缝都由较强的韧性储备，所以按等强度原则，选择高匹配的焊接接头显然是合理的，因为焊缝的韧性比母材即使降低，但并不影响这个结构的安全性。而且当横向载荷是结构发生弹性变形时，由于焊缝区比母材发生较小的变形，焊缝区相当于受到保护，高匹配的焊接头的抗断安全性甚至更高。对于高强度钢，由于强度的提高，韧性降低，如果仍然采用等强的原则，选用高匹配的焊接接头，焊缝的韧性进一步下降，可能导致焊缝韧性不足引起低应力破坏。所以，对于高强度钢，要采用等韧性的原则，选择焊缝韧性不低于母材的低匹配焊接接头是合理的。
4低匹配焊接缺陷的评定方法
目前，在实际中非匹配焊缝结构中缺陷评定方法主要有：
（1）采用焊缝和母材中强度"相对较弱"的材料的力学性能，用现有的均匀材料的缺陷评定方法进行结构的安全评定。对于实际工程应用的结构来说，如果裂纹位于较强的材料中，这种方法是安全的，但往往会导致过于保守的评定结果；如果裂纹位于相对较弱的材料中，则评定结果可能出现不安全。
有些学者采用数值计算的方法用J积分进行研究，认为从工程角度上讲，焊接区裂纹的J积分路径的无关性仍然成立，对焊接区裂纹的评定可以用J积分理论来建立评定曲线，并且不论焊缝中的纵向裂纹还是横向裂纹，按母材性能建立的实效评定曲线并进行安全评定，其结果总是安全的。
（2）采用母材和焊缝材料的等效屈服强度。假设母材和焊缝金属具有相同的应变硬化指数，焊接接头和均匀材料试样的全塑性解的差别主要集中在二者的屈服强度的不同上，突出等效屈服强度的概念，使得非均匀裂纹体断裂力学参量的全塑性解和均匀材料的断裂力学参量的全塑性解保持相同的形式。对于母材和焊缝金属材料屈服强度相同的均匀裂纹体，如果只是应变硬化指数不同，可以认为在裂纹尖端存在一个等效应变硬化指数，以反映焊接接头不均匀性造成的断裂力学参量全塑性解与均匀材料全塑性解的差别。焊缝宽度、母材和焊缝金属的屈服强度、应变硬化指数以及裂纹体的几何形状等都会对等效应变硬化指数产生影响。在求得焊接接头不均匀裂纹尖端的等效屈服强度和等效应变硬化指数后，就可利用均匀材料的缺陷评定方法对焊接接头进行断裂行为的分析和安全评定。
（3）对失效评定曲线（FAC）的改进。通过对非均匀体裂纹J积分设计曲线的有限元计算表明，非均匀体裂纹的J积分设计曲线不是一条，而是一族，并且随着焊缝宽度和裂纹长度之比而变化。所以，可采用实际非均匀体裂纹的J积分设计曲线对裂纹体进行安全评定，但这种方法计算过程复杂，在工程实际结构应用上受到了限制。
（4）采用有限元方计算程序进行数值计算。将实际含裂纹结构进行网格划分，并进一步对裂纹尖端区域进行网格细分，用数值计算的结果得到FAC曲线，然后进行缺陷的安全评定。这种方法的评定结果较为准确，但是需要掌握有限元的计算方法，并具备较深的断裂力学知识。
5结语
由于焊接接头中存在母材和焊缝强度、硬化水平等不同而引起的非匹配效应．这不仅影响焊接接头的整体变形行为，也会影响焊缝区裂尖应力、应变场的分布特征，并使焊缝区裂纹端拘束状态十分复杂，所以焊接接头强度匹配对结构断裂行为的影响是进行焊接结构安全评定的重要指标。
参考文献：
[1] 史耀武. 严酷条件下的焊接技术[M]. 北京：机械工业出版社，2000
[2] 曲文卿. 油气管道缺陷评定方法的进展[J]. 油气储运，2002，21（7）,3～8
[3] 马良. 海洋油气管道工程[M]. 北京：海洋出版社，1987
[4] 霍立兴. 焊接结构工程强度[M]. 北京：机械工业出版社，1995
作者简介：王安（1977～），男，中专学历，机电设备维修。
关键词：焊接缺陷；油气管道；非均质性；匹配特性；延性；流变断裂；静载强度；应力集中；塑性变形
1引言
油气管道作为一种典型的焊接结构，其焊接过程常常使焊接接头的组织性能劣化及产生缺陷。而焊接缺陷处有较大的应力集中，在使用过程中往往成为裂纹的源头，而管道一旦从焊接接头处发生断裂，极易造成突发性和灾难性断裂。由此看来，焊接接头是管道系统的薄弱环节，对其强度、寿命和安全可靠性进行评定以保证管道安全可靠的使用具有重要的现实意义。
2焊接接头的非均质性
在熔化焊中，焊接接头是由焊缝金属、熔合线、热影响区和母材组成，采用高温热源进行局部加热而形成。焊缝金属是由焊接填充材料和部分母材熔融凝固形成的铸造组织，其组织和化学成分都不同于母材；近缝区受和解热循环和热塑性变形的影响，组织和性能都发生了变化，特别是熔合线的组织和性能变化更为明显，所有这些，都使得焊接接头为一个非均匀体。由于焊缝形状和布置的不同而产生了不同程度的应力集中，再加上焊接过程中产生的残余应力与变形和接头的高刚性就构成了焊接接头的基本属性。
影响力学和材质两个方面的因素成为影响焊接接头性能的主要因素。在力学方面，影响焊接接头性能的因素有接头形状的不连续性、焊接缺陷、残余应力和焊接变形。焊接接头的加强高和施焊中可能造成的接头错位等都是造成接头的不连续，是应力集中的根源，特别是焊接缺陷中的未焊透和焊接裂纹，都是裂纹破坏的起点。在材质方面，影响焊接接头的性能因素不仅有热循环引起的组织变化，还有由于焊接过程中的热塑性变形循环所产生的材质变化。此外，焊后热处理和校正变形等工序，都可能影响焊接接头性能。
总的来说焊接接头是一个不连续体，产生了几何形状、化学成分、金属组织和力学性能的不连续性。
3焊接接头的强韧性匹配特性
在焊接结构设计中，首先遇到的问题之一是确定焊缝金属强度，即焊缝金属强度匹配问题。对此目前存在着两种不同观点，其一是保证焊缝金属常规延性、韧性条件下，例如使焊缝金属与基本金属具有相同的延伸率条件下，适当选用屈服点较高的焊缝金属，即高匹配是有利的；其二是把着眼点集中于焊缝的韧性或延性上，而其强度与基本金属相比可适当降低，即低匹配。有鉴于此，对匹配问题进行了较为广泛的研究。
为了表达这种不匹配特性，引入了焊缝强度匹配系数M，定义为焊缝材料的屈服强度（€%lYW）和母材的屈服强度（€%lYB）之比，即
M=€%lYW/€%lYB
当M>1时，称焊接接头是高匹配的；
当M=1时，称焊接接头是等匹配的；
当M<1时，称焊接接头是低匹配的。
结构的断裂一般有两种形式，一种是由材料静载强度控制的塑性流变断裂，断裂的条件是€%l≥€%lY；另一种是由材料韧性控制的脆性断裂，破坏条件是KI≥KIC等。结构抗塑性断裂的承载能力（LP）正比于材料的强度，而抗脆断破坏的承载能力（LB）正比于材料的韧性。保证结构安全运行的条件显然是实际结构的载荷（L）同时满足L
4低匹配焊接缺陷的评定方法
目前，在实际中非匹配焊缝结构中缺陷评定方法主要有：
（1）采用焊缝和母材中强度"相对较弱"的材料的力学性能，用现有的均匀材料的缺陷评定方法进行结构的安全评定。对于实际工程应用的结构来说，如果裂纹位于较强的材料中，这种方法是安全的，但往往会导致过于保守的评定结果；如果裂纹位于相对较弱的材料中，则评定结果可能出现不安全。
有些学者采用数值计算的方法用J积分进行研究，认为从工程角度上讲，焊接区裂纹的J积分路径的无关性仍然成立，对焊接区裂纹的评定可以用J积分理论来建立评定曲线，并且不论焊缝中的纵向裂纹还是横向裂纹，按母材性能建立的实效评定曲线并进行安全评定，其结果总是安全的。
（2）采用母材和焊缝材料的等效屈服强度。假设母材和焊缝金属具有相同的应变硬化指数，焊接接头和均匀材料试样的全塑性解的差别主要集中在二者的屈服强度的不同上，突出等效屈服强度的概念，使得非均匀裂纹体断裂力学参量的全塑性解和均匀材料的断裂力学参量的全塑性解保持相同的形式。对于母材和焊缝金属材料屈服强度相同的均匀裂纹体，如果只是应变硬化指数不同，可以认为在裂纹尖端存在一个等效应变硬化指数，以反映焊接接头不均匀性造成的断裂力学参量全塑性解与均匀材料全塑性解的差别。焊缝宽度、母材和焊缝金属的屈服强度、应变硬化指数以及裂纹体的几何形状等都会对等效应变硬化指数产生影响。在求得焊接接头不均匀裂纹尖端的等效屈服强度和等效应变硬化指数后，就可利用均匀材料的缺陷评定方法对焊接接头进行断裂行为的分析和安全评定。
（3）对失效评定曲线（FAC）的改进。通过对非均匀体裂纹J积分设计曲线的有限元计算表明，非均匀体裂纹的J积分设计曲线不是一条，而是一族，并且随着焊缝宽度和裂纹长度之比而变化。所以，可采用实际非均匀体裂纹的J积分设计曲线对裂纹体进行安全评定，但这种方法计算过程复杂，在工程实际结构应用上受到了限制。
（4）采用有限元方计算程序进行数值计算。将实际含裂纹结构进行网格划分，并进一步对裂纹尖端区域进行网格细分，用数值计算的结果得到FAC曲线，然后进行缺陷的安全评定。这种方法的评定结果较为准确，但是需要掌握有限元的计算方法，并具备较深的断裂力学知识。
5结语
由于焊接接头中存在母材和焊缝强度、硬化水平等不同而引起的非匹配效应．这不仅影响焊接接头的整体变形行为，也会影响焊缝区裂尖应力、应变场的分布特征，并使焊缝区裂纹端拘束状态十分复杂，所以焊接接头强度匹配对结构断裂行为的影响是进行焊接结构安全评定的重要指标。
参考文献：
[1] 史耀武. 严酷条件下的焊接技术[M]. 北京：机械工业出版社，2000
[2] 曲文卿. 油气管道缺陷评定方法的进展[J]. 油气储运，2002，21（7）,3～8
[3] 马良. 海洋油气管道工程[M]. 北京：海洋出版社，1987
[4] 霍立兴. 焊接结构工程强度[M]. 北京：机械工业出版社，1995
作者简介：王安（1977～），男，中专学历，机电设备维修。