淺析在役焊接接頭殘余應(yīng)力分布的影響因素

李　倩

摘要:為了調(diào)控焊接殘余應(yīng)力,保證在役焊接修復(fù)后管線的正常運行,針對現(xiàn)場焊接時可調(diào)節(jié)的焊接工藝,以及不同在役條件研究在役焊接接頭殘余應(yīng)力的變化情況。本文探討了在役焊接時管內(nèi)氣體介質(zhì)流速、壓力和焊接線能量對管道內(nèi)表面軸向、環(huán)向殘余應(yīng)力的影響,

關(guān)鍵詞:焊接、殘余應(yīng)力、近縫區(qū)、焊接接頭

一、焊接線能量的影響

焊接線能量的不同會對焊接區(qū)經(jīng)受的熱循環(huán)和相變造成影響,從而會影響焊接應(yīng)力的分布。在管道結(jié)構(gòu)(外徑508mm,壁厚8mm)、氣體介質(zhì)壓力(4MPa)、流速(1.Sm/s)不變的情況下,分別計算了四組焊接工藝參數(shù)下(見下表)管道內(nèi)表面的軸向和環(huán)向殘余應(yīng)力,并進行比較,探討了焊接線能量對在役焊接殘余應(yīng)力的影響。

管道內(nèi)壁軸向殘余應(yīng)力隨焊接線能量的變化規(guī)律如圖1 (a)所示?？梢?焊接線能量對近縫區(qū)(< l0mm)殘余應(yīng)力影響比較大,軸向應(yīng)力基本是隨焊接線能量的增大而增大。在焊接線能量較小時,殘余應(yīng)力增加比較顯著,而焊接線能量增大到10.8kJ/cm(即焊接工藝參數(shù)B)之后,殘余應(yīng)力增加速度趨于緩慢。圖1(b)為環(huán)向應(yīng)力隨焊接線能量變化情況,與軸向應(yīng)力相同,線能量對近縫區(qū)(< l 0mm)環(huán)向應(yīng)力影響較大,在遠離焊接中心的地方,線能量對殘余應(yīng)力的分布基本沒有影響。

分析認為,焊接線能量增大能夠提高近縫區(qū)熱循環(huán)的峰值溫度和高溫停留時間,從而增加了接頭金屬高溫膨脹時產(chǎn)生的朔性壓縮變形區(qū)間,母材中的朔性壓縮應(yīng)變是導(dǎo)致焊后殘余應(yīng)力的主要原因。在凝固過程中,己膨脹的金屬受到的朔性壓縮是焊縫金屬收縮的主要部分,其收縮量與壓縮變形程度成正比,從而使得焊后在近縫區(qū)產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。同時隨著焊接線能量的增加,焊后接頭的冷卻能力降低,會增加相變對焊接殘余應(yīng)力的緩釋作用,同時降低熱收縮變形,從而減小殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。因此線能量對殘余應(yīng)力的影響是雙重的,當(dāng)焊接線能量增加到一定數(shù)值后,殘余應(yīng)力基本趨于穩(wěn)定,并且焊接線能量只對近縫區(qū)殘余應(yīng)力影響較大。線能量對在役焊接殘余應(yīng)力可做如下解釋,管內(nèi)流動介質(zhì)帶走焊接時的熱輸入量,從而使存在流動介質(zhì)焊接時殘余應(yīng)力小于常規(guī)焊接。當(dāng)增大焊接線能量時,熱輸入量的增量抵消了管內(nèi)流動介質(zhì)帶走的熱量。從熱輸入的角度來說,當(dāng)采用較大焊接線能量在役焊接時與采用較小焊接線能量常規(guī)焊接時加熱效果趨于等效。因此當(dāng)焊接線能量的增加量大于管內(nèi)介質(zhì)帶走的熱量時,線能量對在役焊接殘余應(yīng)力的影響趨于緩和。

二、管內(nèi)氣體流速的影響

氣管線在役焊接時,氣體流速對焊接溫度場有很大影響,必然會導(dǎo)致焊接應(yīng)力的變

化。以相同管道結(jié)構(gòu)、焊接熱輸入量(焊接工藝參數(shù)D)和氣體壓力(6MPa)考察不同氣體流速對管道內(nèi)壁殘余應(yīng)力的影響。

圖2為不同氣體流速管道內(nèi)表面的軸向和環(huán)向殘余應(yīng)力分布情況,如圖所示,隨著氣體流速的增大,管道內(nèi)壁的軸向殘余拉應(yīng)力值一致減小,并最終趨近與零。近縫區(qū)環(huán)向應(yīng)力也隨氣體流速的增加而減小,在遠離焊縫中心的地方環(huán)向殘余應(yīng)力受管內(nèi)介質(zhì)流速的影響較小,殘余應(yīng)力最終都向100MPa拉應(yīng)力左右趨近。

分析認為,管內(nèi)介質(zhì)流速對在役焊接殘余應(yīng)力的影響主要是通過焊接升溫過程影響焊后殘余應(yīng)力產(chǎn)生的。對于在役焊接而言,不論流速大小,焊接冷卻速度都是非?？斓?冷卻效果對殘余應(yīng)力的形成效果也基本相同。如前所述,產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力的主要原因是由于焊接高溫時焊縫金屬膨脹產(chǎn)生的朔性壓縮變形及受制收縮范圍,該朔性壓縮變形主要取決于近縫區(qū)金屬的高溫受熱程度和焊接約束。管內(nèi)氣體介質(zhì)對焊縫中心的加熱影響較小,而對近縫區(qū)母材的峰值溫度和高溫停留時間都有較大影響,在焊接結(jié)構(gòu)約束不發(fā)生變化的條件下,管內(nèi)高速流動的介質(zhì)會帶走焊接區(qū)的熱量,從而降低近縫區(qū)母材的受熱失強的焊接特性,減小了焊接接頭的朔性壓縮變形以及高溫金屬受制收縮范圍,致使焊后殘余應(yīng)力減小。

三、管內(nèi)壓力的影響

管道內(nèi)流動氣體自身的壓力會對焊接區(qū)產(chǎn)生一個附加的應(yīng)力場,這個應(yīng)力場將與焊接應(yīng)力場相互作用,對在役焊接焊后殘余應(yīng)力產(chǎn)生復(fù)雜的影響。圖3是采用相同的焊接熱輸入量(焊接工藝D)和相同的管內(nèi)介質(zhì)流速(1.5m/s)對管壓O.1MPa,2MPa,4MPa,6MPa和8MPa時在役焊接接頭內(nèi)壁殘余應(yīng)力的計算結(jié)果。

如圖所示,近縫區(qū)軸向殘余應(yīng)力隨管道壓力增加逐漸減小,其中在壓力大于6MPa時軸向應(yīng)力急劇減小。并且隨著遠離焊縫中心,軸向殘余應(yīng)力逐漸減小并趨近于零。近縫區(qū)環(huán)向殘余應(yīng)力隨管道壓力增大逐漸增大,在距焊縫中心20mm～60mm處由出現(xiàn)壓應(yīng)力區(qū)—無壓應(yīng)力一拉應(yīng)力區(qū)的轉(zhuǎn)變,且最終應(yīng)力趨向也隨管內(nèi)壓力的增大而增大(由零向拉應(yīng)力150MPa轉(zhuǎn)變)。當(dāng)管內(nèi)存在壓力時,軸向殘余應(yīng)力低于常壓焊接(O.1MPa)環(huán)向殘余應(yīng)力大于常壓焊接。可見,改變管道內(nèi)部壓力對在役焊接殘余應(yīng)力分布的規(guī)律影響較為復(fù)雜,由于隨管內(nèi)壓力的變化時,在役焊接接頭的變形方式會發(fā)生顯著改變。常規(guī)焊接時管道環(huán)焊縫內(nèi)表面發(fā)生“內(nèi)凸外凹”的變形;在役焊接時隨著管內(nèi)施加壓力的增加,改變了管道厚度方向上的約束情況,焊接“內(nèi)凸”變形受制。當(dāng)管壓較小時仍產(chǎn)生較小的“內(nèi)凸”變形,隨管壓增大,“內(nèi)凸”變形量逐漸減小,當(dāng)壓力增加到一定程度后即會產(chǎn)生“內(nèi)凹”變形。

分析認為,管道內(nèi)壓力對在役焊接殘余應(yīng)力的影響主要是通過限制管道厚度方向上的焊接變形起作用的。在焊接高溫時,近縫區(qū)金屬不僅受到金屬膨脹而產(chǎn)生塑性壓縮變形,而且在管道內(nèi)壓力作用下沿管道厚度方向上也會產(chǎn)生一個附加應(yīng)力場,該應(yīng)力場限制了管道厚度方向上的自由度。管道環(huán)向殘余應(yīng)力與管道環(huán)向收縮有關(guān),根據(jù)廣義胡克定理,在厚度方向上的壓縮(收縮)變形會改變管道軸向和環(huán)向上的壓縮(收縮)變形量。管壓使得管道厚度方向上的金屬熱膨脹(收縮)受到約束,從而增加了管道環(huán)向上的壓縮(收縮)變形能力,從而增大了環(huán)向殘余應(yīng)力。軸向殘余應(yīng)力與軸向收縮和徑向收縮都有關(guān)系,管壓改變了管道環(huán)焊縫“內(nèi)凸外凹”的變形量,甚至發(fā)生“內(nèi)凹”變形,相應(yīng)的減小作用在管壁上的附加彎曲應(yīng)力,從而減小了軸向殘余應(yīng)力。

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(作者單位:河南油田油建工程建設(shè)有限責(zé)任公司)