焊道简化对油气管道对接接头的影响范文

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摘要：在不影响计算精度的前提下，为有效提升大型结构件数值模拟计算效率，以油气管道对接接头为研究对象，建立了有限元模型，分别为三层六道焊、三层三道焊和单层单道焊。采用X射线衍射法测量残余应力，验证了有限元模型，并对比了焊道简化对残余应力的影响。结果表明，有限元模型获得的应力结果和试验结果趋势吻合，有效证明了有限元模型的正确性。在计算精度方面，轴向上残余应力模拟结果误差较大。在计算效率方面，与三层六道焊相比，焊道简化为三层三道焊后，计算效率提升了30.2%；简化为单层单道焊后，计算效率提升了49.2%。因此，在平衡计算效率和计算精度的前提下，焊道简化为三层三道焊对实际生产指导意义更大。

关键词：焊道简化；油气管道；对接接头；残余应力

在石油天然气领域，油气管道环焊缝焊接越来越广泛，焊接残余应力的危害也越来越突出。油气管道焊接工艺管控越来越受到重视。为了有效控制焊接工艺过程，焊接仿真预测发展日臻成熟，为油气管道环焊缝的变形和残余应力提供预测手段。但是油气管道具有长度可达几千米甚至更长、多层多道焊、焊缝多等特点，为了保证计算精度，建立的有限元模型自由度往往较大，计算效率低。国内外专家学者对提升大模型仿真计算效率进行了大量的研究工作。目前，从预测方法方面分析，日本大阪大学专家提出的固有应变理论[1]，等效焊接热输入，以焊缝收缩力的方式进行加载，大大减少了热加载非线性计算的时间。清华大学蔡志鹏[2]在移动高斯热源的基础上，将分段移动热源模型运用到温度场和应变能的计算中，验证了模型的正确性，为大型结构件焊接仿真等效计算提供很好的思路。从等效热源方面分析，相较于需要反复热源校核的功率加载，整体和分段热源[2]加载能有效降低计算模型，又可以保证不过多降低计算精度。从有限元建模方法，清华大学赵海燕[3]运用“实体-壳单元”的处理方式，降低模型的自由度，试验验证了模型的正确性，提升大型结构件的计算效率。房元斌等[4]通过建立T型接头焊道简化模型，对比分析焊道简化对焊接变形的影响，焊道简化可以平衡计算效率和计算精度的影响。通过研究分析，一般有限元模型计算过程中，忽略熔池流动、塑性硬化等对变形和应力的影响。因此，在数值模拟计算中，如何有效降低模型自由度，或者减少非线性计算时间是直接影响计算效率的关键问题。焊道简化可以有效减少非线性计算时间，在计算精度方面需要进一步探索研究。基于以上研究分析，本文以油气管道对接接头为研究对象，分别建立了对接接头焊道简化与否的有限元模型，并验证了有限元模型的正确性，分析了其对计算精度和计算效率的影响。

1试验方法

1.1焊接工艺参数

油气管道对接接头的壁厚22mm，材料为X60管线钢，化学成分如表1所示。电弧电压26～28V，电流130～140A，焊接速度7mm/s。焊缝采用三层六道焊接，对接接头U型坡口设计如图1所示。

1.2检测方法

为保证试验测量不会影响产品质量，残余应力采用无损X射线衍射法测量。在测量过程中，先打磨测量金属表面直至露出金属光泽，然后采用抛光设备对测量点中心位置进行抛光处理。对X射线设备进行低应力和高应力校核，排除设备误差。测量过程中，应尽量保证测量点位置水平。测量点选择应避开起收弧时弧焊不稳定的位置，选择焊接相对稳定，焊接残余应力较大的位置。在焊缝轴向方向，以焊缝中心焊趾位置为起始点，距离起始点距离分别为32、50、86mm。在焊缝周向方向，以起弧位置为起始点，距离起弧点距离分别为120、210、320、425、520mm。

2有限元模型的建立

2.1材料参数的建立

借助JmatPro软件，根据X60化学成分，获得了X60的相关热物性参数，如图2所示。

2.2网格模型的建立

尽量保证模型整体自由度小，采用过渡网格处理，从而提升非线性计算效率。同时，在保证有限元模型建模网格数和节点位置一致的前提下，以不同焊道层数和道数建立模型，焊缝单元总数相同，节点位置相同，分别建立三种模型。第一种采用单层单道焊，第二种采用三层焊接，每层单道焊，第三种采用三层焊接，第一层单道焊，第二层双道焊，第三层三道焊，如图3所示。油气管道接头采用过渡网格，焊缝填充单元尺寸为1～2mm，有限元模型母材单元总数为130352，节点数为144356，焊缝填充单元总数为25650，节点数为34727。

2.3热源定义及边界条件

为了对比焊道简化对模型的影响，热源加载方式采用稳态热加载，热源模型选择双椭球热源模型。为保证有限元模型的刚度，对模型三个自由度进行约束。在x方向，由于焊后油气管道主要表现为焊缝处纵向收缩变形，在坡口间隙单元的根部位置选择整个圆周的节点，限制x方向位移，保证模型在焊缝纵向收缩和法向不受影响；在y方向和方z向，由于焊后油气管道主要表现横向收缩变形，在远离焊缝的油气管道自由边界位置，设置沿圆周方向限制y和z方向位移，保证模型横向收缩不受影响。

3计算结果分析与试验验证

3.1焊接残余应力模拟结果与分析

采用上述工艺参数对试样进行焊接，选取超声检测无缺陷的结构件作为研究对象。按照试验方法和测量点位置进行试验测量，获得不同位置的残余应力结果。同时，提取三种模型的残余应力分布计算结果，获得三层六道焊、三层三道焊和单层单道焊轴向残余应力焊模拟值与试验结果进行对比验证，如图4所示。由图4可知，焊道简化三种建模方式得到的轴向上残余应力分布趋势一致。焊道简化应力模拟结果均和试验结果相吻合，有效地证明了有限元模型的准确性。从整体应力分布趋势来看，在焊缝中心位置局部表现为压应力，逐渐减小为拉应力，然后经历应力梯度较大，应力值逐渐增大到峰值，后保持一段时间，最后衰减至接近0应力。三层六道焊、三层三道焊和单层单道轴向残余应力峰值分别为238.7MPa、208.4和231.3MPa。对应在测量点32、50、86mm位置，三层六道焊模拟结果与试验结果的误差分别为2.9%、8.8%、10.7%；三层三道焊模拟结果与试验结果的误差分别为3.0%、8.5%、13.2%；单层单道焊模拟结果与试验结果的误差分别为5.6%、17.6%、23.1%。因此，对应位置模拟结果与试验结果最大误差值分别为10.7%、13.2%、23.1%。在焊缝及热影响区，由于焊接起弧处节点受热膨胀冷却后节点收缩变形，造成在焊接不稳定状态，焊接应力差异较大。焊缝单元填充方式采用单元生死法，在拉应力逐渐增大到峰值阶段，焊道简化的三种建模方式达到峰值的速率不同，单层单道焊达到峰值速率最低，而三层六道焊、三层三道焊达到峰值速率接近，这与在多层焊盖面焊焊接过程中，前道焊缝对后道焊缝预热作用有直接的关系。在远离焊缝自由端边界，焊道简化的三种建模方式得到轴向上应力值相接近，应力分布趋势相吻合，主要是焊缝热输入传输到远离焊缝节点几乎一致有关。同理，焊道简化三种建模方式周向模拟结果与试验测量结果进行对比分析，如图5所示。由图5可知，焊道简化三种建模方式得到周向残余应力分布趋势一致。从整体应力分布趋势来看，起收弧位置主要表现为压应力，在稳弧状态下主要表现为拉应力。应力分布趋势与典型接头应力分布趋势相一致。三层六道焊、三层三道焊和单层单道周向残余应力峰值分别为503.3、491.6和473.3MPa。对应在测量点120、210、320、425、520mm位置，三层六道焊模拟结果与试验结果的误差分别为4.0%、5.4%、6.0%、1.4%、5.1%；三层三道焊模拟结果与试验结果的误差分别为7.3%、6.2%、7.4%、2.9%、0.7%；单层单道焊模拟结果与试验结果的误差分别为10.8%、9.4%、11.4%、8.9%、6.6%。因此，对应模拟结果与试验结果最大误差值分别为6%、7.4%、11.4%。在起收弧位置残余应力分布差异性较大，在稳弧位置残余应力分布差异性较小。从稳弧状态应力分布趋势可以看出，单层单道焊的残余应力相对较小，三层三道焊应力大小次之，三层六道焊应力最大。从变形应力释放的角度分析，随着焊道次数的增加，前一道焊缝在温度还未完全冷却的情况，下一道焊缝焊接等效于焊接过程中对母材进行了焊前预热处理，有助于应变延缓释放，产生的焊接变形较小，应力值则相对较大。

3.2焊接模拟计算时间分析

在计算精度对比分析基础上，对焊道简化三种建模方式的计算效率也进行了对比。为了计算结果对指导大模型计算结果有指导借鉴作用，有限元模型利用高性能计算机20核并行计算，获得计算完成时间。从模型提交计算，到计算结束，单层单道焊模拟时间总长为125607.5s，三层三道焊模拟时间总长为172634.1s，三层六道焊模拟时间总长为247395.2s。焊道简化为三层三道焊后，计算效率比三层六道焊提升了30.2%，焊道简化为单层单道焊后，计算效率比三层六道焊提升了49.2%。考虑到实际应用过程中，大模型焊接残余应力计算量大，时间长，与生产周期相矛盾。在平衡计算效率和计算精度的前提下，单层单道焊计算效率高，但计算误差相对较大。三层三道焊能够满足天然气管道领域对计算精度的要求，而且提升了计算效率，在实际应力中产生直接的经济价值和有意义的潜在价值。

4结论

以油气管道对接接头为研究对象，通过有限元建模、计算分析与试验测量，对比焊道简化三种建模方式，即三层六道焊、三层三道焊和单层单道，对残余应力结果影响，并进行了试验验证。通过研究得到以下结论：（1）焊道简化三种建模方式获得的轴向和周向上应力分布趋势均与试验结果趋势相吻合。（2）在起收弧位置残余应力分布差异性较大，在稳弧位置残余应力分布差异性较小。（3）在稳弧状态下，单层单道焊应力较小，三层三道焊应力次之，三层六道焊应力最大。（4）与三层六道焊相比，焊道简化为三层三道焊后，计算效率提升了30.2%，简化为单层单道焊后，计算效率提升了49.2%。（5）综合平衡计算精度和计算效率的前提下，焊道简化为三层三道焊更有实际意义。

参考文献：

[1]汪建华，陆皓，魏良武．固有应变有限元法预测焊接变形理论及其应用[J]．焊接学报，2002，23(6)：36-40．

[2]蔡志鹏，赵海燕，鹿安理，等．焊接数值模拟中分段移动热源模型的建立及应用[J]．中国机械工程，2002，13(3)：208-210．

[3]赵海燕，吴骏巍，陆向明，等．基于局部-整体有限元法的薄壁筒焊接变形计算[J]．清华大学学报（自然科学版），2017，57(5)：449-453．

[4]房元斌，蹤雪梅，张华清，等．中厚板多层多道焊优化技术研究[J]．焊接技术，2016，45(3)：6-8．

作者：边开磊 单位：中国石油天然气管道工程有限公司