焊道簡化對油氣管道對接接頭的影響范文
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摘要：在不影響計算精度的前提下，為有效提升大型結(jié)構(gòu)件數(shù)值模擬計算效率，以油氣管道對接接頭為研究對象，建立了有限元模型，分別為三層六道焊、三層三道焊和單層單道焊。采用X射線衍射法測量殘余應力，驗證了有限元模型，并對比了焊道簡化對殘余應力的影響。結(jié)果表明，有限元模型獲得的應力結(jié)果和試驗結(jié)果趨勢吻合，有效證明了有限元模型的正確性。在計算精度方面，軸向上殘余應力模擬結(jié)果誤差較大。在計算效率方面，與三層六道焊相比，焊道簡化為三層三道焊后，計算效率提升了30.2%；簡化為單層單道焊后，計算效率提升了49.2%。因此，在平衡計算效率和計算精度的前提下，焊道簡化為三層三道焊對實際生產(chǎn)指導意義更大。
在石油天然氣領(lǐng)域，油氣管道環(huán)焊縫焊接越來越廣泛，焊接殘余應力的危害也越來越突出。油氣管道焊接工藝管控越來越受到重視。為了有效控制焊接工藝過程，焊接仿真預測發(fā)展日臻成熟，為油氣管道環(huán)焊縫的變形和殘余應力提供預測手段。但是油氣管道具有長度可達幾千米甚至更長、多層多道焊、焊縫多等特點，為了保證計算精度，建立的有限元模型自由度往往較大，計算效率低。國內(nèi)外專家學者對提升大模型仿真計算效率進行了大量的研究工作。目前，從預測方法方面分析，日本大阪大學專家提出的固有應變理論[1]，等效焊接熱輸入，以焊縫收縮力的方式進行加載，大大減少了熱加載非線性計算的時間。清華大學蔡志鵬[2]在移動高斯熱源的基礎(chǔ)上，將分段移動熱源模型運用到溫度場和應變能的計算中，驗證了模型的正確性，為大型結(jié)構(gòu)件焊接仿真等效計算提供很好的思路。從等效熱源方面分析，相較于需要反復熱源校核的功率加載，整體和分段熱源[2]加載能有效降低計算模型，又可以保證不過多降低計算精度。從有限元建模方法，清華大學趙海燕[3]運用“實體-殼單元”的處理方式，降低模型的自由度，試驗驗證了模型的正確性，提升大型結(jié)構(gòu)件的計算效率。房元斌等[4]通過建立T型接頭焊道簡化模型，對比分析焊道簡化對焊接變形的影響，焊道簡化可以平衡計算效率和計算精度的影響。通過研究分析，一般有限元模型計算過程中，忽略熔池流動、塑性硬化等對變形和應力的影響。因此，在數(shù)值模擬計算中，如何有效降低模型自由度，或者減少非線性計算時間是直接影響計算效率的關(guān)鍵問題。焊道簡化可以有效減少非線性計算時間，在計算精度方面需要進一步探索研究。基于以上研究分析，本文以油氣管道對接接頭為研究對象，分別建立了對接接頭焊道簡化與否的有限元模型，并驗證了有限元模型的正確性，分析了其對計算精度和計算效率的影響。
1試驗方法
1.1焊接工藝參數(shù)
油氣管道對接接頭的壁厚22mm，材料為X60管線鋼，化學成分如表1所示。電弧電壓26～28V，電流130～140A，焊接速度7mm/s。焊縫采用三層六道焊接，對接接頭U型坡口設(shè)計如圖1所示。
1.2檢測方法
為保證試驗測量不會影響產(chǎn)品質(zhì)量，殘余應力采用無損X射線衍射法測量。在測量過程中，先打磨測量金屬表面直至露出金屬光澤，然后采用拋光設(shè)備對測量點中心位置進行拋光處理。對X射線設(shè)備進行低應力和高應力校核，排除設(shè)備誤差。測量過程中，應盡量保證測量點位置水平。測量點選擇應避開起收弧時弧焊不穩(wěn)定的位置，選擇焊接相對穩(wěn)定，焊接殘余應力較大的位置。在焊縫軸向方向，以焊縫中心焊趾位置為起始點，距離起始點距離分別為32、50、86mm。在焊縫周向方向，以起弧位置為起始點，距離起弧點距離分別為120、210、320、425、520mm。
2有限元模型的建立
2.1材料參數(shù)的建立
借助JmatPro軟件，根據(jù)X60化學成分，獲得了X60的相關(guān)熱物性參數(shù)，如圖2所示。
2.2網(wǎng)格模型的建立
盡量保證模型整體自由度小，采用過渡網(wǎng)格處理，從而提升非線性計算效率。同時，在保證有限元模型建模網(wǎng)格數(shù)和節(jié)點位置一致的前提下，以不同焊道層數(shù)和道數(shù)建立模型，焊縫單元總數(shù)相同，節(jié)點位置相同，分別建立三種模型。第一種采用單層單道焊，第二種采用三層焊接，每層單道焊，第三種采用三層焊接，第一層單道焊，第二層雙道焊，第三層三道焊，如圖3所示。油氣管道接頭采用過渡網(wǎng)格，焊縫填充單元尺寸為1～2mm，有限元模型母材單元總數(shù)為130352，節(jié)點數(shù)為144356，焊縫填充單元總數(shù)為25650，節(jié)點數(shù)為34727。
2.3熱源定義及邊界條件
為了對比焊道簡化對模型的影響，熱源加載方式采用穩(wěn)態(tài)熱加載，熱源模型選擇雙橢球熱源模型。為保證有限元模型的剛度，對模型三個自由度進行約束。在x方向，由于焊后油氣管道主要表現(xiàn)為焊縫處縱向收縮變形，在坡口間隙單元的根部位置選擇整個圓周的節(jié)點，限制x方向位移，保證模型在焊縫縱向收縮和法向不受影響；在y方向和方z向，由于焊后油氣管道主要表現(xiàn)橫向收縮變形，在遠離焊縫的油氣管道自由邊界位置，設(shè)置沿圓周方向限制y和z方向位移，保證模型橫向收縮不受影響。
3計算結(jié)果分析與試驗驗證
3.1焊接殘余應力模擬結(jié)果與分析
采用上述工藝參數(shù)對試樣進行焊接，選取超聲檢測無缺陷的結(jié)構(gòu)件作為研究對象。按照試驗方法和測量點位置進行試驗測量，獲得不同位置的殘余應力結(jié)果。同時，提取三種模型的殘余應力分布計算結(jié)果，獲得三層六道焊、三層三道焊和單層單道焊軸向殘余應力焊模擬值與試驗結(jié)果進行對比驗證，如圖4所示。由圖4可知，焊道簡化三種建模方式得到的軸向上殘余應力分布趨勢一致。焊道簡化應力模擬結(jié)果均和試驗結(jié)果相吻合，有效地證明了有限元模型的準確性。從整體應力分布趨勢來看，在焊縫中心位置局部表現(xiàn)為壓應力，逐漸減小為拉應力，然后經(jīng)歷應力梯度較大，應力值逐漸增大到峰值，后保持一段時間，最后衰減至接近0應力。三層六道焊、三層三道焊和單層單道軸向殘余應力峰值分別為238.7MPa、208.4和231.3MPa。對應在測量點32、50、86mm位置，三層六道焊模擬結(jié)果與試驗結(jié)果的誤差分別為2.9%、8.8%、10.7%；三層三道焊模擬結(jié)果與試驗結(jié)果的誤差分別為3.0%、8.5%、13.2%；單層單道焊模擬結(jié)果與試驗結(jié)果的誤差分別為5.6%、17.6%、23.1%。因此，對應位置模擬結(jié)果與試驗結(jié)果最大誤差值分別為10.7%、13.2%、23.1%。在焊縫及熱影響區(qū)，由于焊接起弧處節(jié)點受熱膨脹冷卻后節(jié)點收縮變形，造成在焊接不穩(wěn)定狀態(tài)，焊接應力差異較大。焊縫單元填充方式采用單元生死法，在拉應力逐漸增大到峰值階段，焊道簡化的三種建模方式達到峰值的速率不同，單層單道焊達到峰值速率最低，而三層六道焊、三層三道焊達到峰值速率接近，這與在多層焊蓋面焊焊接過程中，前道焊縫對后道焊縫預熱作用有直接的關(guān)系。在遠離焊縫自由端邊界，焊道簡化的三種建模方式得到軸向上應力值相接近，應力分布趨勢相吻合，主要是焊縫熱輸入傳輸?shù)竭h離焊縫節(jié)點幾乎一致有關(guān)。同理，焊道簡化三種建模方式周向模擬結(jié)果與試驗測量結(jié)果進行對比分析，如圖5所示。由圖5可知，焊道簡化三種建模方式得到周向殘余應力分布趨勢一致。從整體應力分布趨勢來看，起收弧位置主要表現(xiàn)為壓應力，在穩(wěn)弧狀態(tài)下主要表現(xiàn)為拉應力。應力分布趨勢與典型接頭應力分布趨勢相一致。三層六道焊、三層三道焊和單層單道周向殘余應力峰值分別為503.3、491.6和473.3MPa。對應在測量點120、210、320、425、520mm位置，三層六道焊模擬結(jié)果與試驗結(jié)果的誤差分別為4.0%、5.4%、6.0%、1.4%、5.1%；三層三道焊模擬結(jié)果與試驗結(jié)果的誤差分別為7.3%、6.2%、7.4%、2.9%、0.7%；單層單道焊模擬結(jié)果與試驗結(jié)果的誤差分別為10.8%、9.4%、11.4%、8.9%、6.6%。因此，對應模擬結(jié)果與試驗結(jié)果最大誤差值分別為6%、7.4%、11.4%。在起收弧位置殘余應力分布差異性較大，在穩(wěn)弧位置殘余應力分布差異性較小。從穩(wěn)弧狀態(tài)應力分布趨勢可以看出，單層單道焊的殘余應力相對較小，三層三道焊應力大小次之，三層六道焊應力最大。從變形應力釋放的角度分析，隨著焊道次數(shù)的增加，前一道焊縫在溫度還未完全冷卻的情況，下一道焊縫焊接等效于焊接過程中對母材進行了焊前預熱處理，有助于應變延緩釋放，產(chǎn)生的焊接變形較小，應力值則相對較大。
3.2焊接模擬計算時間分析
在計算精度對比分析基礎(chǔ)上，對焊道簡化三種建模方式的計算效率也進行了對比。為了計算結(jié)果對指導大模型計算結(jié)果有指導借鑒作用，有限元模型利用高性能計算機20核并行計算，獲得計算完成時間。從模型提交計算，到計算結(jié)束，單層單道焊模擬時間總長為125607.5s，三層三道焊模擬時間總長為172634.1s，三層六道焊模擬時間總長為247395.2s。焊道簡化為三層三道焊后，計算效率比三層六道焊提升了30.2%，焊道簡化為單層單道焊后，計算效率比三層六道焊提升了49.2%。考慮到實際應用過程中，大模型焊接殘余應力計算量大，時間長，與生產(chǎn)周期相矛盾。在平衡計算效率和計算精度的前提下，單層單道焊計算效率高，但計算誤差相對較大。三層三道焊能夠滿足天然氣管道領(lǐng)域?qū)τ嬎憔鹊囊螅姨嵘擞嬎阈剩趯嶋H應力中產(chǎn)生直接的經(jīng)濟價值和有意義的潛在價值。
4結(jié)論
以油氣管道對接接頭為研究對象，通過有限元建模、計算分析與試驗測量，對比焊道簡化三種建模方式，即三層六道焊、三層三道焊和單層單道，對殘余應力結(jié)果影響，并進行了試驗驗證。通過研究得到以下結(jié)論：（1）焊道簡化三種建模方式獲得的軸向和周向上應力分布趨勢均與試驗結(jié)果趨勢相吻合。（2）在起收弧位置殘余應力分布差異性較大，在穩(wěn)弧位置殘余應力分布差異性較小。（3）在穩(wěn)弧狀態(tài)下，單層單道焊應力較小，三層三道焊應力次之，三層六道焊應力最大。（4）與三層六道焊相比，焊道簡化為三層三道焊后，計算效率提升了30.2%，簡化為單層單道焊后，計算效率提升了49.2%。（5）綜合平衡計算精度和計算效率的前提下，焊道簡化為三層三道焊更有實際意義。
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作者：邊開磊 單位：中國石油天然氣管道工程有限公司