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大管徑焊接管道溫度場(chǎng)及殘余應力分布研究

時(shí)間:2024-04-23  單位(部門(mén)):路橋公司  作者:陳冀 周宏 丁浩 王永茂  點(diǎn)擊:載入中...

摘 要:為了研究大管徑焊接管道多層多道焊的溫度場(chǎng)及殘余應力的分布規律,基于SYSWELD焊接軟件建立其3D熱彈塑性有限元模型,通過(guò)雙橢球體熱源和生死單元法實(shí)現了焊接熱能量的輸入及焊縫的填充,采用順序耦合法分別計算了焊接管道溫度場(chǎng)及應力場(chǎng),并將有限元模擬值與實(shí)測結果進(jìn)行了對比。研究結果表明:有限元模擬值與采用盲孔法測試的焊接殘余應力實(shí)測值良好。溫度場(chǎng)模擬的三道焊縫處熔池的溫度均超過(guò)1500℃,達到了材料的固液相線(xiàn),溫度場(chǎng)分布符合一般分布規律。焊接管道的Von Mises等效應力主要分布在管道內表面的焊縫處,焊接中的等效應力峰值大小均略高于鋼材的屈服強度,最大可達 1.05fy。管道外表面的環(huán)向應力和軸向應力均在第三條焊縫焊接完成后分別達到最大值為227.29MPa和383.53MPa;與環(huán)向應力分布不同,軸向應力在焊縫區域內總體呈鋸齒狀受壓狀態(tài),并在0.15-0.2m寬度范圍內緩慢轉變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)。焊接管道完全冷卻后的軸向應力峰值可達-383.53MPa。研究成果可為后續進(jìn)行大管徑管道焊接參數優(yōu)化提供一定的理論依據。hKR陜西煤業(yè)化工建設(集團)有限公司

關(guān)鍵詞:焊接管道;熱力學(xué);數值模擬;殘余應力;焊接溫度;hKR陜西煤業(yè)化工建設(集團)有限公司

1前言hKR陜西煤業(yè)化工建設(集團)有限公司

隨著(zhù)我國環(huán)保意識的逐漸提升以及高級技術(shù)應用加速,城市居民的健康用水愈發(fā)受到關(guān)注,預計2023年水凈化行業(yè)的總投資將達到200 億元以上。大管徑焊接管道作為輸送水源的載體,常常處于超負荷運載hKR陜西煤業(yè)化工建設(集團)有限公司

狀態(tài),在其對接處大多采用焊接的方式進(jìn)行相連,由于焊接熱輸入不均勻產(chǎn)生的永久性?xún)炔繗堄鄳荼貢?huì )對結構的剛度及抗疲勞等產(chǎn)生一定負面影響[1-2]。因此探明大管徑焊接管道的殘余應力大小及分布對指導管道焊接工藝與提高焊接質(zhì)量具有重要意義[3]。hKR陜西煤業(yè)化工建設(集團)有限公司

針對圓管道焊接殘余應力,國內外學(xué)者已開(kāi)展了一些研究。葛華等[4]通過(guò)ABAQUS有限元軟件對X80天然氣管道進(jìn)行了焊接模擬,模型中考慮了焊接層數和熱處理工藝對焊接殘余應力的影響。趙宏濤等[5]對鋼管在不同焊接工藝下的鋁熱焊接進(jìn)行數值模擬研究,結果表明壁厚一定時(shí),焊劑用量增加,焊縫處的溫度升高;反之,隨著(zhù)壁厚的增加,焊縫處的溫度升高。趙平宇等[6]采用了分割法對不銹鋼復合鋼材的焊接圓管截面的殘余應力進(jìn)行了研究,提出了一個(gè)簡(jiǎn)化的殘余應力分布模型和分層模型。Yan等[8-9]采用鉆孔法對普通低碳鋼和高強度鋼的圓管進(jìn)行了殘余應力分布測試,并提出分布模型,測試結果顯示:焊管殘余應力的大小和分布受加工工藝、鋼強度和焊接位置的顯著(zhù)影響,而與徑厚比沒(méi)有明顯的相關(guān)性。Hu等[10]基于試驗數據和有限元模型對S690冷彎圓截面的橫向彎曲和縱向焊接殘余應力進(jìn)行研究,為后續對這些截面進(jìn)行結構評估提供準確的數據。綜上,在以往管道焊接模擬中很少考慮到金屬相變對焊接殘余應力的影響;此外,以上試驗研究均在小管徑試件上進(jìn)行殘余應力測試試驗,提出的殘余應力分布模式可能與實(shí)際工程中采用的大管徑管道存在差異。hKR陜西煤業(yè)化工建設(集團)有限公司

本研究以綏德第二凈水廠(chǎng)采用的凈水用大管徑輸水管道結構為研究對象,采用有限元軟件SYSWELD 2021對其進(jìn)行熱力耦合分析并通過(guò)殘余應力試驗驗證了有限元建模方法的正確性。模型中通過(guò)定義金屬材料的過(guò)冷奧氏體等溫冷卻轉變曲線(xiàn)和過(guò)冷奧氏體連續冷卻轉變曲線(xiàn)來(lái)考慮金屬相變對殘余應力的影響,重點(diǎn)分析了管道每道焊縫焊接完畢和完全冷卻后的溫度場(chǎng)和殘余應力大小及分布情況。為優(yōu)化大管徑管道焊接工藝并提高焊接質(zhì)量提供重要的理論依據。hKR陜西煤業(yè)化工建設(集團)有限公司

2焊接數值模擬hKR陜西煤業(yè)化工建設(集團)有限公司

2.1模型的建立hKR陜西煤業(yè)化工建設(集團)有限公司

本文以綏德縣第二凈水廠(chǎng)凈水用大管徑焊接管道為工程背景,對橫管尺寸為φ530mm×10mm的管道進(jìn)行建模分析。由于焊接模擬具有計算量大、耗費時(shí)間長(cháng)等特點(diǎn),故以焊縫為中心向兩端各取250mm (總長(cháng)為500mm),采用Visual-Mesh建立結構幾何模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。施焊時(shí)采用3層3道的焊接方法對管道進(jìn)行焊接。管道的有限元網(wǎng)格選用8節點(diǎn)六面體單元對模型進(jìn)行離散化??紤]到殘余應力主要集中于焊縫及其熱影響區域,網(wǎng)格在焊縫區域內劃分較密集,遠離焊縫處網(wǎng)格劃分較稀疏。模型中共包含50327 個(gè)節點(diǎn)和單元89832個(gè)單元。正確計算溫度場(chǎng),是殘余應力預測的關(guān)鍵,因此本文通過(guò)順序耦合法,首先計算出管道正確的焊接溫度場(chǎng),在此基礎上繼續進(jìn)行焊接應力場(chǎng)的分析[11-12]。hKR陜西煤業(yè)化工建設(集團)有限公司

2.2材料的熱屬性設置hKR陜西煤業(yè)化工建設(集團)有限公司

焊接作業(yè)時(shí),管道母材及焊縫金屬的熱物理屬性和力學(xué)屬性均會(huì )隨著(zhù)焊件整體溫度的變化而變化。由于焊接所采用的E5015焊條的金屬化學(xué)成分與母材Q355鋼材相近,為簡(jiǎn)化計算將其熱力學(xué)屬性視為與 Q355相同[13]。焊接模擬時(shí),采用與SYSWEL軟件公共材料庫中與 Q355力學(xué)性能相近的S355J2G3鋼材進(jìn)行計算。同時(shí)該軟件也綜合考慮了金屬相變潛熱對計算溫度場(chǎng)和應力場(chǎng)的影響。hKR陜西煤業(yè)化工建設(集團)有限公司

2.3熱源模擬hKR陜西煤業(yè)化工建設(集團)有限公司

本次管道焊接模擬為多層多道焊,焊接熔池的寬深比較大。為了更好地反映焊接熱源的能量分布,采用雙橢球體熱源模擬實(shí)際焊接中的能量輸入[14]由于雙橢球體熱源是通過(guò)唯像法對真實(shí)焊接熔池進(jìn)行模擬,故可以較好的再現行進(jìn)中的熔池形狀,從而計算出較準確的焊接溫度場(chǎng)和應力場(chǎng)。hKR陜西煤業(yè)化工建設(集團)有限公司

2.4邊界條件hKR陜西煤業(yè)化工建設(集團)有限公司

軟件中通過(guò)在實(shí)體單元表面提取一層2D單元的方法實(shí)現管道焊接模擬過(guò)程中,焊件與周?chē)h(huán)境的熱輻射和熱交換,初始溫度按照實(shí)際焊接溫度取為26℃。實(shí)際焊接過(guò)程中未對管道施加任何夾持,故在有限元模擬時(shí)為了保證焊接管道的自由形變,僅約束個(gè)別約束以保證管道不發(fā)生剛體位移。hKR陜西煤業(yè)化工建設(集團)有限公司

2.5模型驗證hKR陜西煤業(yè)化工建設(集團)有限公司

現階段焊接鋼結構的檢測方法主要分為有損檢測和無(wú)損檢測。而盲孔法作為一種有損檢測法,具有對工件的損傷小,操作簡(jiǎn)單,測試費用低等優(yōu)點(diǎn)。因此,為驗證本次有限元建模方法的正確性,采用GB/T 3395-2013《焊接殘余應力測試方法鉆孔應變釋放法》中推薦的盲孔法檢測管道的焊接殘余應力。hKR陜西煤業(yè)化工建設(集團)有限公司

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為了盡可能減小試驗誤差,在粘貼應變花前,采用砂輪對焊件測點(diǎn)位置處表面進(jìn)行打磨。用鋼尺和記號筆準確標出測點(diǎn)位置后立即進(jìn)行應變花的粘貼,測點(diǎn)布置及應變花粘貼效果如圖6(a)和圖6(b)所示。試驗中通過(guò)數據線(xiàn)和網(wǎng)線(xiàn)將 BE120-2CA-K 應變花、東華DH3816N應變測試儀和搭載應變測試系統的電腦相聯(lián)后,采用直徑為 1.5mm 的鉆孔對中鉆孔,鉆孔時(shí)鉆頭應對準應變片三軸的交點(diǎn)進(jìn)行鉆孔,當鉆孔深度達到2mm左右時(shí)停止鉆孔。鉆孔完成后的應變片如圖6(c)所示,管道試件靜置5min左右后進(jìn)行數值的讀取。將試驗實(shí)測數據與有限元計算的殘余應力結果進(jìn)行對比,對比結果如圖9所示。hKR陜西煤業(yè)化工建設(集團)有限公司

由圖7可知,通過(guò)有限元計算得到的管道外表面環(huán)向和軸向殘余應力與現場(chǎng)試驗實(shí)測的殘余應力值吻合良好,其走勢基本一致,驗證了有限元建模方法的正確性。hKR陜西煤業(yè)化工建設(集團)有限公司

由圖6(a)-圖6(c)可知,隨著(zhù)焊接熱源的持續作用,三道焊縫處熔池的溫度均超過(guò)1500℃,達到了材料的固液相線(xiàn),故通過(guò)生死單元法實(shí)現了焊縫的“激活”填充。焊接過(guò)程中,焊件整體溫度場(chǎng)呈準穩hKR陜西煤業(yè)化工建設(集團)有限公司

態(tài)分布,圍繞熱源附近形成若干層溫度梯度線(xiàn),并在熱源后端較長(cháng)區域內形成拖尾。三道焊縫的溫度梯度線(xiàn)的分布形狀基本一致。由圖6(d)可以看出,經(jīng)過(guò)足夠時(shí)間冷卻后,焊接管道整體溫差不超過(guò)3℃,故可hKR陜西煤業(yè)化工建設(集團)有限公司

認為焊件已完全冷卻。由于受到熱源和其他高溫區的再熱及保溫作用,距離管道焊縫不同距離處的冷卻速度表現出不一樣的冷卻速率。由以上分析可知,焊縫處溫度達到熔點(diǎn)溫度并在焊縫處形成熔池,溫度場(chǎng)分hKR陜西煤業(yè)化工建設(集團)有限公司

布符合一般分布規律,故可進(jìn)行下一步應力場(chǎng)分析。hKR陜西煤業(yè)化工建設(集團)有限公司

3焊接溫度場(chǎng)分析hKR陜西煤業(yè)化工建設(集團)有限公司

本次焊接模擬采用生死單元法對焊縫進(jìn)行填充。圖6(a)-圖6(c)分別為三道焊縫焊接結束時(shí)的溫度場(chǎng)分布圖。圖6(d)為冷卻5000s后的管道整體溫度分布圖。hKR陜西煤業(yè)化工建設(集團)有限公司

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4焊接應力場(chǎng)分析hKR陜西煤業(yè)化工建設(集團)有限公司

順序耦合法是將溫度場(chǎng)的計算結果作為熱荷載,采用相同的荷載步讀入至模型應力場(chǎng)的分析中,從而完成整個(gè)熱力耦合的計算。為保證熱荷載準確無(wú)誤地讀入至對應的節點(diǎn)單元上,在進(jìn)行應力場(chǎng)計算時(shí)采用hKR陜西煤業(yè)化工建設(集團)有限公司

與溫度場(chǎng)分析相同的網(wǎng)格劃分模型。hKR陜西煤業(yè)化工建設(集團)有限公司

4.1 管道不同階段的應力分布云圖hKR陜西煤業(yè)化工建設(集團)有限公司

隨著(zhù)移動(dòng)熱源的不斷前進(jìn),管道應力場(chǎng)也不斷發(fā)生變化。圖7(a)-圖7(c)分別為三道焊縫焊接結束時(shí)的Von Mises等效應力分布。圖7(d)為冷卻5000s 后的Von Mises等效殘余應力分布。為了更好的觀(guān)察管道內表面和外表面的應力分布情況,云圖中僅顯示了沿管道縱向 1/2部分。hKR陜西煤業(yè)化工建設(集團)有限公司

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由圖7(a)-圖7(c)可知,隨著(zhù)焊道的增加,焊接應力峰值及其分布域也在不斷變大,峰值分別為358.70MPa、364.63MPa和 374.30MPa。此外,焊縫及其熱影響區的焊接應力較大,而距離焊縫較遠處的焊接應力較小,焊接中的應力峰值大小均略高于鋼材的屈服強度,最大可達1.05fy。由圖7(d)可以看出,管道的殘余應力峰值353.16MPa,其中高應力主要分布在管道內表面的焊縫處。hKR陜西煤業(yè)化工建設(集團)有限公司

4.2不同路徑上的殘余應力分布hKR陜西煤業(yè)化工建設(集團)有限公司

4.2.1外表面環(huán)向應力分布hKR陜西煤業(yè)化工建設(集團)有限公司

3條焊縫焊接結束和完全冷卻過(guò)后,管道的外表面環(huán)向應力分布如圖8所示。hKR陜西煤業(yè)化工建設(集團)有限公司

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由圖8可以看出,由于管道縱向方向沿焊縫高度對稱(chēng),所以外表面的環(huán)向應力也沿焊縫呈高度對稱(chēng)。4條應力曲線(xiàn)的總體走勢大致相同,僅在焊縫及其熱影響區域內的應力大小略有不同:在焊縫區域內,外表hKR陜西煤業(yè)化工建設(集團)有限公司

面的環(huán)向應力總體處于受拉狀態(tài);由焊縫向熱影響過(guò)渡區域內,環(huán)向應力由拉應力急速轉變?yōu)閴簯?,并?.2-0.25m寬度范圍內緩慢轉變?yōu)榱銘顟B(tài)。此外可以發(fā)現,第一條焊縫焊接完成后,焊縫及其熱影響區的外表面環(huán)向應力峰值明顯小于第二條和第三條焊縫,分析原因可能是因為第一條焊縫未對焊接坡口進(jìn)行全面覆蓋,導致焊縫區域具有較大的自由度,未覆蓋坡口位置處可以進(jìn)行自由形變,致使第一條焊縫焊hKR陜西煤業(yè)化工建設(集團)有限公司

接完成后的環(huán)向應力并不大。由于后兩道焊縫對焊縫坡口進(jìn)行了完全填充,故外表面環(huán)向應力在第三道焊縫焊接完成后達到最大值為 227.29MPa。經(jīng)過(guò)足夠時(shí)間的冷卻后,管道內部的應力完成重分配,整體應力狀態(tài)趨于平穩,最大環(huán)向應力為158.77MPa。hKR陜西煤業(yè)化工建設(集團)有限公司

4.2.2 外表面軸向應力分布hKR陜西煤業(yè)化工建設(集團)有限公司

3條焊縫焊接結束和完全冷卻過(guò)后,管道的外表面軸向應力分布如圖9所示。hKR陜西煤業(yè)化工建設(集團)有限公司

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由圖9可以看出,隨著(zhù)焊接工序的逐步完成,管道外表面的軸向應力峰值逐步增大,3條焊縫焊接結束和完全冷卻過(guò)后的軸向應力峰值分別為-12.66MPa、- 223.49MPa、-322.90MPa和-383.53MPa。與環(huán)向應力分布不同,軸向應力在焊縫區域內總體呈鋸齒狀受壓狀態(tài),并在0.15-0.2m寬度范圍內緩慢轉變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)。經(jīng)過(guò)完全冷卻后,在管道距離焊縫稍遠區域,外表面的軸向應力幾乎為0,而在焊接過(guò)程中,此部分區域存在20-40MPa的軸向應力。hKR陜西煤業(yè)化工建設(集團)有限公司

5結 論hKR陜西煤業(yè)化工建設(集團)有限公司

(1)溫度場(chǎng)模擬時(shí),三條焊縫處的溫度均超過(guò)1500℃,達到了鋼材的固液相線(xiàn)。焊件整體溫度場(chǎng)呈準穩態(tài)分布,圍繞熱源附近形成若干層溫度梯度線(xiàn),并在熱源后端較長(cháng)區域內形成拖尾。三道焊縫的溫度梯度線(xiàn)的分布形狀基本一致。hKR陜西煤業(yè)化工建設(集團)有限公司

(2)隨著(zhù)焊道的增加,焊接應力峰值及其分布域也在不斷變大, 三 條焊縫焊接時(shí)的峰值分別為358.70MPa、364.63MPa和374.30MPa。焊接管道的殘余應力峰值為 353.16MPa,其中高應力主要分布在管道hKR陜西煤業(yè)化工建設(集團)有限公司

內表面的焊縫處。hKR陜西煤業(yè)化工建設(集團)有限公司

(3)在焊縫區域內,外表面的環(huán)向應力總體處于受拉狀態(tài)。由焊縫向熱影響過(guò)渡區域內,環(huán)向應力由拉應力急速轉變?yōu)閴簯?,并?0.2-0.25m寬度范圍內緩慢轉變?yōu)榱銘顟B(tài)。經(jīng)過(guò)足夠時(shí)間的冷卻后,管道內部的應力完成重分配,整體應力狀態(tài)趨于平穩,最大環(huán)向應力為 158.77MPa。hKR陜西煤業(yè)化工建設(集團)有限公司

(4)與環(huán)向應力分布不同,軸向應力在焊縫區域內總體呈鋸齒狀受壓狀態(tài),并在0.15-0.2m寬度范圍內緩慢轉變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)。焊接管道完全冷卻后的軸向應力峰值可達-383.53MPa。hKR陜西煤業(yè)化工建設(集團)有限公司

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