大管径焊接管道温度场及残余应力分布研究
时间:2024-04-23 单位（部门）:路桥公司 作者:陈冀 周宏 丁浩 王永茂 点击:载入中...
摘 要：为了研究大管径焊接管道多层多道焊的温度场及残余应力的分布规律，基于SYSWELD焊接软件建立其3D热弹塑性有限元模型，通过双椭球体热源和生死单元法实现了焊接热能量的输入及焊缝的填充，采用顺序耦合法分别计算了焊接管道温度场及应力场，并将有限元模拟值与实测结果进行了对比。研究结果表明：有限元模拟值与采用盲孔法测试的焊接残余应力实测值良好。温度场模拟的三道焊缝处熔池的温度均超过1500℃，达到了材料的固液相线，温度场分布符合一般分布规律。焊接管道的Von Mises等效应力主要分布在管道内表面的焊缝处，焊接中的等效应力峰值大小均略高于钢材的屈服强度，最大可达 1.05fy。管道外表面的环向应力和轴向应力均在第三条焊缝焊接完成后分别达到最大值为227.29MPa和383.53MPa;与环向应力分布不同，轴向应力在焊缝区域内总体呈锯齿状受压状态，并在0.15-0.2m宽度范围内缓慢转变为受拉状态。焊接管道完全冷却后的轴向应力峰值可达-383.53MPa。研究成果可为后续进行大管径管道焊接参数优化提供一定的理论依据。
关键词：焊接管道;热力学;数值模拟;残余应力;焊接温度;
1前言
随着我国环保意识的逐渐提升以及高级技术应用加速，城市居民的健康用水愈发受到关注，预计2023年水净化行业的总投资将达到200 亿元以上。大管径焊接管道作为输送水源的载体，常常处于超负荷运载
状态，在其对接处大多采用焊接的方式进行相连，由于焊接热输入不均匀产生的永久性内部残余应力势必会对结构的刚度及抗疲劳等产生一定负面影响[1-2]。因此探明大管径焊接管道的残余应力大小及分布对指导管道焊接工艺与提高焊接质量具有重要意义[3]。
针对圆管道焊接残余应力，国内外学者已开展了一些研究。葛华等[4]通过ABAQUS有限元软件对X80天然气管道进行了焊接模拟，模型中考虑了焊接层数和热处理工艺对焊接残余应力的影响。赵宏涛等[5]对钢管在不同焊接工艺下的铝热焊接进行数值模拟研究，结果表明壁厚一定时，焊剂用量增加，焊缝处的温度升高;反之，随着壁厚的增加，焊缝处的温度升高。赵平宇等[6]采用了分割法对不锈钢复合钢材的焊接圆管截面的残余应力进行了研究，提出了一个简化的残余应力分布模型和分层模型。Yan等[8-9]采用钻孔法对普通低碳钢和高强度钢的圆管进行了残余应力分布测试，并提出分布模型，测试结果显示：焊管残余应力的大小和分布受加工工艺、钢强度和焊接位置的显著影响，而与径厚比没有明显的相关性。Hu等[10]基于试验数据和有限元模型对S690冷弯圆截面的横向弯曲和纵向焊接残余应力进行研究，为后续对这些截面进行结构评估提供准确的数据。综上，在以往管道焊接模拟中很少考虑到金属相变对焊接残余应力的影响;此外，以上试验研究均在小管径试件上进行残余应力测试试验，提出的残余应力分布模式可能与实际工程中采用的大管径管道存在差异。
本研究以绥德第二净水厂采用的净水用大管径输水管道结构为研究对象，采用有限元软件SYSWELD 2021对其进行热力耦合分析并通过残余应力试验验证了有限元建模方法的正确性。模型中通过定义金属材料的过冷奥氏体等温冷却转变曲线和过冷奥氏体连续冷却转变曲线来考虑金属相变对残余应力的影响，重点分析了管道每道焊缝焊接完毕和完全冷却后的温度场和残余应力大小及分布情况。为优化大管径管道焊接工艺并提高焊接质量提供重要的理论依据。
2焊接数值模拟
2.1模型的建立
本文以绥德县第二净水厂净水用大管径焊接管道为工程背景，对横管尺寸为φ530mm×10mm的管道进行建模分析。由于焊接模拟具有计算量大、耗费时间长等特点,故以焊缝为中心向两端各取250mm (总长为500mm)，采用Visual-Mesh建立结构几何模型并进行网格划分。施焊时采用3层3道的焊接方法对管道进行焊接。管道的有限元网格选用8节点六面体单元对模型进行离散化。考虑到残余应力主要集中于焊缝及其热影响区域，网格在焊缝区域内划分较密集，远离焊缝处网格划分较稀疏。模型中共包含50327 个节点和单元89832个单元。正确计算温度场，是残余应力预测的关键，因此本文通过顺序耦合法，首先计算出管道正确的焊接温度场，在此基础上继续进行焊接应力场的分析[11-12]。
2.2材料的热属性设置
焊接作业时，管道母材及焊缝金属的热物理属性和力学属性均会随着焊件整体温度的变化而变化。由于焊接所采用的E5015焊条的金属化学成分与母材Q355钢材相近，为简化计算将其热力学属性视为与 Q355相同[13]。焊接模拟时，采用与SYSWEL软件公共材料库中与 Q355力学性能相近的S355J2G3钢材进行计算。同时该软件也综合考虑了金属相变潜热对计算温度场和应力场的影响。
2.3热源模拟
本次管道焊接模拟为多层多道焊，焊接熔池的宽深比较大。为了更好地反映焊接热源的能量分布，采用双椭球体热源模拟实际焊接中的能量输入[14]由于双椭球体热源是通过唯像法对真实焊接熔池进行模拟，故可以较好的再现行进中的熔池形状，从而计算出较准确的焊接温度场和应力场。
2.4边界条件
软件中通过在实体单元表面提取一层2D单元的方法实现管道焊接模拟过程中，焊件与周围环境的热辐射和热交换，初始温度按照实际焊接温度取为26℃。实际焊接过程中未对管道施加任何夹持，故在有限元模拟时为了保证焊接管道的自由形变，仅约束个别约束以保证管道不发生刚体位移。
2.5模型验证
现阶段焊接钢结构的检测方法主要分为有损检测和无损检测。而盲孔法作为一种有损检测法，具有对工件的损伤小，操作简单，测试费用低等优点。因此，为验证本次有限元建模方法的正确性，采用GB/T 3395-2013《焊接残余应力测试方法钻孔应变释放法》中推荐的盲孔法检测管道的焊接残余应力。
为了尽可能减小试验误差，在粘贴应变花前，采用砂轮对焊件测点位置处表面进行打磨。用钢尺和记号笔准确标出测点位置后立即进行应变花的粘贴，测点布置及应变花粘贴效果如图6(a)和图6(b)所示。试验中通过数据线和网线将 BE120-2CA-K 应变花、东华DH3816N应变测试仪和搭载应变测试系统的电脑相联后，采用直径为 1.5mm 的钻孔对中钻孔，钻孔时钻头应对准应变片三轴的交点进行钻孔，当钻孔深度达到2mm左右时停止钻孔。钻孔完成后的应变片如图6(c)所示，管道试件静置5min左右后进行数值的读取。将试验实测数据与有限元计算的残余应力结果进行对比，对比结果如图9所示。
由图7可知，通过有限元计算得到的管道外表面环向和轴向残余应力与现场试验实测的残余应力值吻合良好，其走势基本一致，验证了有限元建模方法的正确性。
由图6(a)-图6(c)可知，随着焊接热源的持续作用，三道焊缝处熔池的温度均超过1500℃，达到了材料的固液相线，故通过生死单元法实现了焊缝的“激活”填充。焊接过程中，焊件整体温度场呈准稳
态分布，围绕热源附近形成若干层温度梯度线，并在热源后端较长区域内形成拖尾。三道焊缝的温度梯度线的分布形状基本一致。由图6(d)可以看出，经过足够时间冷却后，焊接管道整体温差不超过3℃，故可
认为焊件已完全冷却。由于受到热源和其他高温区的再热及保温作用，距离管道焊缝不同距离处的冷却速度表现出不一样的冷却速率。由以上分析可知，焊缝处温度达到熔点温度并在焊缝处形成熔池，温度场分
布符合一般分布规律，故可进行下一步应力场分析。
3焊接温度场分析
本次焊接模拟采用生死单元法对焊缝进行填充。图6(a)-图6(c)分别为三道焊缝焊接结束时的温度场分布图。图6(d)为冷却5000s后的管道整体温度分布图。
4焊接应力场分析
顺序耦合法是将温度场的计算结果作为热荷载，采用相同的荷载步读入至模型应力场的分析中，从而完成整个热力耦合的计算。为保证热荷载准确无误地读入至对应的节点单元上，在进行应力场计算时采用
与温度场分析相同的网格划分模型。
4.1 管道不同阶段的应力分布云图
随着移动热源的不断前进，管道应力场也不断发生变化。图7(a)-图7(c)分别为三道焊缝焊接结束时的Von Mises等效应力分布。图7(d)为冷却5000s 后的Von Mises等效残余应力分布。为了更好的观察管道内表面和外表面的应力分布情况，云图中仅显示了沿管道纵向 1/2部分。
由图7(a)-图7(c)可知，随着焊道的增加，焊接应力峰值及其分布域也在不断变大，峰值分别为358.70MPa、364.63MPa和 374.30MPa。此外，焊缝及其热影响区的焊接应力较大，而距离焊缝较远处的焊接应力较小，焊接中的应力峰值大小均略高于钢材的屈服强度，最大可达1.05fy。由图7(d)可以看出，管道的残余应力峰值353.16MPa，其中高应力主要分布在管道内表面的焊缝处。
4.2不同路径上的残余应力分布
4.2.1外表面环向应力分布
3条焊缝焊接结束和完全冷却过后，管道的外表面环向应力分布如图8所示。
由图8可以看出，由于管道纵向方向沿焊缝高度对称，所以外表面的环向应力也沿焊缝呈高度对称。4条应力曲线的总体走势大致相同，仅在焊缝及其热影响区域内的应力大小略有不同：在焊缝区域内，外表
面的环向应力总体处于受拉状态;由焊缝向热影响过渡区域内，环向应力由拉应力急速转变为压应力，并在0.2-0.25m宽度范围内缓慢转变为零应力状态。此外可以发现，第一条焊缝焊接完成后，焊缝及其热影响区的外表面环向应力峰值明显小于第二条和第三条焊缝，分析原因可能是因为第一条焊缝未对焊接坡口进行全面覆盖，导致焊缝区域具有较大的自由度，未覆盖坡口位置处可以进行自由形变，致使第一条焊缝焊
接完成后的环向应力并不大。由于后两道焊缝对焊缝坡口进行了完全填充，故外表面环向应力在第三道焊缝焊接完成后达到最大值为 227.29MPa。经过足够时间的冷却后，管道内部的应力完成重分配，整体应力状态趋于平稳，最大环向应力为158.77MPa。
4.2.2 外表面轴向应力分布
3条焊缝焊接结束和完全冷却过后，管道的外表面轴向应力分布如图9所示。
由图9可以看出，随着焊接工序的逐步完成，管道外表面的轴向应力峰值逐步增大，3条焊缝焊接结束和完全冷却过后的轴向应力峰值分别为-12.66MPa、- 223.49MPa、-322.90MPa和-383.53MPa。与环向应力分布不同，轴向应力在焊缝区域内总体呈锯齿状受压状态，并在0.15-0.2m宽度范围内缓慢转变为受拉状态。经过完全冷却后，在管道距离焊缝稍远区域，外表面的轴向应力几乎为0，而在焊接过程中，此部分区域存在20-40MPa的轴向应力。
5结 论
(1)温度场模拟时，三条焊缝处的温度均超过1500℃，达到了钢材的固液相线。焊件整体温度场呈准稳态分布，围绕热源附近形成若干层温度梯度线，并在热源后端较长区域内形成拖尾。三道焊缝的温度梯度线的分布形状基本一致。
(2)随着焊道的增加，焊接应力峰值及其分布域也在不断变大， 三 条焊缝焊接时的峰值分别为358.70MPa、364.63MPa和374.30MPa。焊接管道的残余应力峰值为 353.16MPa，其中高应力主要分布在管道
内表面的焊缝处。
(3)在焊缝区域内，外表面的环向应力总体处于受拉状态。由焊缝向热影响过渡区域内，环向应力由拉应力急速转变为压应力，并在 0.2-0.25m宽度范围内缓慢转变为零应力状态。经过足够时间的冷却后，管道内部的应力完成重分配，整体应力状态趋于平稳，最大环向应力为 158.77MPa。
(4)与环向应力分布不同，轴向应力在焊缝区域内总体呈锯齿状受压状态，并在0.15-0.2m宽度范围内缓慢转变为受拉状态。焊接管道完全冷却后的轴向应力峰值可达-383.53MPa。
参考文献：
彭云, 宋亮, 赵琳, 等. 先进钢铁材料焊接性研究进展[J]. 金属学报, 2020, 56(04): 601-618.
刘永健, 姜磊, 王康宁. 焊接管节点疲劳研究综述[J]. 建筑科学与工程学报, 2017, 34(05): 1-20.
[3] 王留中, 罗伟, 王琛, 等. Q355 钢管-管桁架结构焊接温度场及残余应力分析[J]. 材料科学与工程学报, 2023, 41(03): 385-390.
[4] 葛华, 黄海滨, 蒋毅, 等. X80 管道环缝焊接残余应力数值模拟[J]. 焊接, 2021(12): 17-23+64.
[5] 赵宏涛, 王永振, 沈楠, 等. 管道铝热焊温度场及残余应力场的数值模拟[J]. 油气储运, 2022, 41(11): 1305-1311+1318.
[6] 赵平宇, 班慧勇, 石永久, 等. 不锈钢复合钢材焊接圆管截面残余应力试验研究[J]. 建筑结构学报, 2022, 43(S1): 345-352.
[7] Hu Yifei, Chung K F, Ban Huiyong, et al. Investigation into residual stress in S690 cold-formed circular hollow sections due to transverse bending and longitudinal welding[J]. Engineering Structures, 2020, 219: 110911.
[8] Yan Xifeng, Yang Chao. Experimental research and analysis on residual stress distribution of circular steel tubes with different processing techniques[J]. Thin-Walled Structures, 2019, 144: 1-12.
[9] 杨俊芬, 闫西峰, 刘海锋, 等. 圆钢管加工方法诱导的残余应力分布检测与分析[J]. 工程力学, 2017, 34(09): 202-210.
[10] 赵卫平, 王振兴, 陈佳麟, 等. 基于盲孔法的高强焊接圆钢管表面残余应力试验研究[J]. 建筑结构学报, 2022, 43(10): 332-342.
[11] Ru-Long M A, Ru-Long M A, Peng C Q, et al. Finite element analysis of temperature and stress fields during selective laser melting process of Al-Mg-Sc-Zr alloy[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2021, 31(10): 2922-2938.
[12] 苏允海, 窦丽杰, 李强, 等. 厚板多层连续焊接头的应力分布及组织性能研究[J]. 热加工工艺, 2020, 49(17): 137-141.
[13] 顾颖. U 肋加劲钢桥面板焊接残余应力与变形研究[D]. 西南交通大学, 2016.
[14] 周灿丰, 陈智, 焦向东, 等. API X65 管道深水铺设 GMAW 横向焊接温度场[J]. 焊接学报, 2020, 41(09): 60-68+100.
