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管线钢管在服役过程中由于受到循环应力的作用,疲劳裂纹在焊接接头处产生导致管道疲劳失效是管线钢管最主要的失效形式之一。而钢管在成型过程中焊接接头处残余应力集中会对管线钢的疲劳性能产生一定影响。因此,研究钢管焊接接头残余应力及其对疲劳性能的影响对管线服役安全设计具有重要意义。本文采用物理模拟和数值模拟方法,研究了实际焊接过程中焊接接头处组织和性能,建立焊接接头试样数值模拟模型。通过预变形研究了平板焊接接头试样残余应力,进而研究了残余应力对疲劳性能的影响规律。在此基础上,建立钢管的三维模拟模型,模拟研究钢管扩径量对焊接接头残余应力及其疲劳性能的影响。X80管线钢焊接热模拟实验结果表明,焊接热影响区性能明显弱化,强度最低点出现在细晶热影响区(FGHAZ),但疲劳寿命最低点出现在焊接粗晶区(CGHAZ)。同时通过热模拟实验也得到了数值模拟的材料属性参数。对平板焊接接头试样,模拟扩径预拉伸变形后,因焊接热影响区的组织和性能变化及焊缝余高的作用,残余应力主要集中在焊接粗晶区,最大值出现在焊趾。随预变形量增加,残余应力也明显增大。预变形量由0.5%、1%、2%增加到4%时,内焊趾处最大残余应力由429MPa、449MPa、479MPa增加到481MPa。残余应力的增加显著降低疲劳性能,其疲劳寿命由9.959×104N、8.184×104N、6.402×104N降低到5.317×10~4N。管线钢管三维模拟结果表明,扩径量对残余应力分布影响不大,但对最大残余应力值影响较大。当扩径量由0.5%、1%、2%增加到4%时,钢管焊接接头内焊趾最大残余应力由372MPa、430MPa、434MPa增加到454MPa,其疲劳寿命则由9.889×10~4N、3.431×10~4N、2.680×10~4N降低到2.297×10~4N。