長輸管線的對接環焊縫是管線安全運行的薄弱環節之一，探究其根部開裂原因及機理，對長輸油氣管道的服役安全性具有重要意義。
數字圖像相關DIC技術以其非接觸、全場測量、極端環境適用等特點，在管材力學性能定量測量和分析中具有顯著優勢。這種技術無需接觸測試對象，適用于各種環境條件，應變測量范圍廣泛，從0.005%到2000%，并且測量對象尺度基本不受限。
管材焊接過程表面應變測試
實驗預制3種不同錯邊量及根部成形狀態的不等壁厚環焊接頭，利用新拓三維雙目DIC三維全場應變測量系統，對全壁厚拉伸過程中的應變集中進行測量，并對不同成形狀態下薄壁側焊趾位置處的局部應變集中情況定量化表征，以揭示成形狀態與不等壁厚接頭根部開裂失效間的關系，為提升管道的服役安全性提供理論支撐。
不同錯邊量及根部成形狀態的不等壁厚接頭
拉伸試驗在萬能拉伸試驗機上進行，拉伸速率為2 mm/min，雙目DIC三維全場應變測量系統采集頻率為1幀/s，拉伸試驗與DIC采集同步進行、同步結束。
應變集中演變DIC分析
雙目DIC三維全場應變測量系統，分析3種不同根部成形接頭在全壁厚拉伸過程中獲得的不同時刻的DIC應變云圖。a為拉伸初始時刻;b為彈性變形階段，各區域應變均勻;c、d、e、f 為塑性變形階段，出現明顯的局部應變不均勻現象;g為頸縮變形階段。
3D-DIC非接觸全場應變測量系統分析結果，由圖a圖可以看出，A 類成形試樣錯邊量在 1 mm以內，根部結構突變程度較小，焊后成形較好。
由圖b可以看出，B 類成形試樣錯邊量較大(2~ 3 mm)，因結構突變程度增加導致薄壁側根部焊趾與厚壁側蓋面焊趾處的過渡角減小，成形較差。
3 種接頭在全壁厚拉伸過程中獲得的不同時刻的 DIC 應變云圖(應變/%)
由圖c可以看出，C類成形試樣因更大的錯邊量(約4~5 mm)導致根部、蓋面兩側焊趾均存在明顯的結構突變，特別是薄壁側根部的過渡角≤90，成形很差。
綜上可知，成形狀態及錯邊量不同，不等壁厚接頭在拉伸過程中的應變集中規律也有所不同，成形越差，薄壁側根部焊趾與厚壁側蓋面焊趾連線區域發生的應變集中程度越大，甚至在該連線處直接發生斷裂。
根部成形狀態及錯邊量對不等壁厚接頭承受軸向載荷時的應變響應有重要影響，對其服役安全性也有不同程度的影響。
局部應變量化表征
對于基于應力設計的長輸管線，一般要求管體遠端應變不超過 0.5%，即不超過管材的彈性極限，因此著重對管體遠端應變 εrem=0.5%時刻的局部應變集中位置的最大應變 εcon 進行量化分析。
因接頭兩側壁厚不同，在強度相當的情況下薄壁側母材的應變集中程度大于厚壁側的應變集中程度，因此εrem=0.5%的確定依據薄壁側管段壁厚中心部位的工程應變計算。
雙目DIC三維全場應變測量系統分析結果，3 種接頭沿截線的應變分布情況如圖所示：
A類變形
B類變形
C類變形
3 種接頭沿截線的應變分布情況
有限元模擬驗證
雙目DIC三維全場應變測量系統分析結果，為了進一步驗證不等壁厚接頭的應變集中規律，分別建立與 A 類成形和 C 類成形局部結構一致的有限元模型。
不等壁厚接頭拉伸試樣有限元模型
不同成形接頭有限元模擬應變分布云圖
雙目DIC三維全場應變測量系統分析看出，有限元模擬得到的應變演變規律分別與A類變形、C類變形圖中DIC實物拉伸試驗得到的應變演變過程基本一致。數值模擬的結果驗證了3D-DIC技術測試結果及應變集中規律的準確性，也進一步證實了不同根部成形狀態及錯邊量對不等壁厚接頭應變集中規律有較大的影響。
局部應變集中演變規律成因分析
等壁厚接頭、不等壁厚接頭受力狀態分析示意圖
根焊層的顯微硬度分布
不等壁厚接頭在拉伸過程中的受力狀態較為復雜，拉伸力的偏心、錯邊量的存在會使附加彎矩增大，薄壁側根部焊趾部位的成形也隨之變差，兩者相互耦合導致不等壁厚接頭易在薄壁側根部焊趾與厚壁側蓋面焊趾處發生應變集中。
此外，因根焊強度低，熱影響區也存在軟化現象，使薄壁側根部焊趾位置更容易發生變形，導致應變集中最大位置位于根部薄壁側焊趾位置。
實驗結論
1)利用雙目DIC三維全場應變測量系統和有限元數值模擬等方法，對等壁厚環焊接頭受載時應變規律的研究，并通過對 3 種不同錯邊量及根部成形的不等壁厚環焊接頭進行全壁厚拉伸，觀察其在拉伸過程中的應變規律。
2)錯邊量和根部成形對不等壁厚接頭在承受拉伸載荷時的應變集中程度和分布規律有顯著影響，隨著錯邊量增大、根部成形變差，薄壁側根部焊趾與厚壁側蓋面焊趾連線區域的應變集中程度增大，應變集中區域減小。當根部成形很差時，不等壁厚接頭因該連線區域的應變集中過大而在該區域發生斷裂。
3)在管體遠端應變達到0.5%時，成形越差，根部、蓋面應變集中越嚴重，較大的應變集中可能會導致材料損傷，為裂紋的萌生與擴展提供有利條件。
4)不等壁厚接頭在拉伸過程中的受力狀態較為復雜，拉伸力的偏心、局部成形差、錯邊量大、根部的低強匹配原則、熱影響區的軟化作用等原因，更易引起薄壁側根部焊趾位置的局部應變集中過高，為管線長期服役埋下安全隱患。
案例摘自：【Peng Sun, Chongqing University, the State Key Laboratory of Power Transmission Equipment and System Security and New Technology.In Situ Full-Field Deformation Characterization ofPower Module and FEA Model Calibration Based on Stereo Digital Image Methodology】
