X65鋼管內(nèi)壁堆焊鎳基合金耐蝕層過程的數(shù)值仿真模擬*

張念濤，吳志星，李 晉，楊 謙，陳偉軍，率 鵬

（海洋石油工程股份有限公司特種設(shè)備公司，天津300452）

X65鋼管內(nèi)壁堆焊鎳基合金耐蝕層過程的數(shù)值仿真模擬*

張念濤，吳志星，李 晉，楊 謙，陳偉軍，率 鵬

（海洋石油工程股份有限公司特種設(shè)備公司，天津300452）

為了提高含硫管道的耐腐蝕性能，通過對(duì)ANSYS焊接溫度場(chǎng)熱源理論和邊界條件進(jìn)行研究，建立了堆焊過程的數(shù)學(xué)模型和物理模型，對(duì)X65鋼管內(nèi)壁堆焊625鎳基合金溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬。模擬分析結(jié)果顯示，焊接溫度高達(dá)1 700℃，堆焊層和鋼管界面形成了比較好的熔合；堆焊結(jié)構(gòu)的徑向和軸向殘余應(yīng)力均很小，鋼管表面殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，最大殘余壓應(yīng)力達(dá)202 MPa。研究結(jié)果表明，采用合理的焊接參數(shù)，在X65鋼管內(nèi)壁堆焊625鎳基合金層，可保證堆焊結(jié)構(gòu)的可靠性，提高管道的耐腐蝕性能。

X65鋼管；堆焊；625鎳基合金；數(shù)值模擬

國(guó)家經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展使得對(duì)高含硫氣井開采力度日益加大，針對(duì)沉積的單質(zhì)硫?qū)艿赖母g造成的經(jīng)濟(jì)損失十分巨大[1-2]，通常的耐蝕方法是在管道內(nèi)表面堆焊一層或多層鎳基合金，使管道既具有外層基材的剛度和強(qiáng)度，同時(shí)又具備很強(qiáng)的耐腐燭性能，此方法在國(guó)內(nèi)外油氣田項(xiàng)目中得到了廣泛的應(yīng)用[3-6]。鎳基合金堆焊是一個(gè)多變量耦合的復(fù)雜過程，僅靠積累的經(jīng)驗(yàn)及有限的試驗(yàn)數(shù)據(jù)很難對(duì)堆焊過程有定量的認(rèn)識(shí)，運(yùn)用有限元軟件在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行焊接過程的數(shù)值模擬，可以在較短的時(shí)間內(nèi)獲得不同參數(shù)條件下的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。因此，采用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)堆焊過程進(jìn)行模擬分析是十分必要的。筆者利用ANSYS APDL軟件編寫了X65鋼管堆焊625鎳基合金的程序，建立了堆焊過程的三維數(shù)值仿真模型，采用溫度-應(yīng)力場(chǎng)耦合分析，在溫度場(chǎng)有限元模擬后提取瞬態(tài)單元節(jié)點(diǎn)溫度作為溫度載荷，施加在后續(xù)應(yīng)力分析中進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)的分析。本研究以期對(duì)X65鋼管堆焊625鎳基合金的研究有一定的指導(dǎo)作用。

1 溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型的建立

焊接過程的熱傳導(dǎo)方程為

式中：ρ—材料的密度；

c—材料的比熱；

T—溫度；

t—時(shí)間；

｛q｝—熱流量；

Q—內(nèi)部熱源；

｛L｝—微分算子。

焊接時(shí)對(duì)流的邊界條件為

式中：η—單位外法線標(biāo)準(zhǔn)矢量；

hf—表面換熱系數(shù)；

TB—周圍介質(zhì)溫度；

TA—模型表面溫度。

為便于計(jì)算，將式（1）寫為有限元形式，即

｛Te｝—溫度矢量；

N—元素的形狀函數(shù)；

[B]—幾何矩陣，與單元的幾何形狀有關(guān)；

V—有限元體積。

2 焊接過程物理模型的建立

2.1 焊接熱源模型的選擇

焊接熱源選取是實(shí)現(xiàn)焊接模擬計(jì)算的基本條件，由于焊接熱源局部集中熱輸入，會(huì)使焊件產(chǎn)生不均勻變化的溫度場(chǎng)，在焊接過程中和冷卻后會(huì)產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力和變形。因此，選取合適的熱源模型對(duì)焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力變形的計(jì)算精度和效率，特別是在靠近熱源的地方，會(huì)有很大的影響。本研究實(shí)際焊接參數(shù)為：電流190 A，電壓14 V，焊接速度5 mm/s，熱效率0.65。根據(jù)焊接參數(shù)，采用熱生成模擬焊接熱源。

2.2 材料的熱物理性能參數(shù)

焊接模擬是典型的非線性瞬態(tài)分析過程，模擬過程熱物理性能參數(shù)隨溫度不斷變化。X65鋼和Inconel 625鎳基合金的物理性能參數(shù)如圖1～圖3所示。

圖1 不同溫度下X65鋼和Inconel625鎳基合金比熱容的變化趨勢(shì)

圖2 不同溫度下X65鋼和Incone625鎳基合金熱傳導(dǎo)的變化趨勢(shì)

圖3 不同溫度下X65鋼和Inconel625鎳基合金彈性模量的變化趨勢(shì)

2.3 單元生死技術(shù)

運(yùn)用生死單元的方法模擬堆焊層金屬填充增材過程。在焊接開始前，將堆焊層的單元全部“殺死”，使其喪失熱力學(xué)性能，“死”單元的剛度矩陣、載荷等近似等于0。在焊接過程中，隨著熱源的移動(dòng)，逐步激活焊縫處的單元，將堆焊層轉(zhuǎn)化為“生”單元參與到計(jì)算中，在新激活的單元上施加生熱率，沒有焊接到的焊縫位置的單元仍處于“死”的狀態(tài)，以此來模擬新生成的堆焊層。

3 焊接溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬及分析

以X65鋼管的堆焊為例，對(duì)其焊接過程中的溫度場(chǎng)變化進(jìn)行非線性三維動(dòng)態(tài)模擬，鋼管尺寸為 Φ114 mm×8.6 mm×360 mm（外徑×壁厚×軸向長(zhǎng)度），堆焊層為625鎳基合金，厚度為3 mm，有限元模型如圖4所示，網(wǎng)格大小取1.5 mm。本研究選擇兩道堆焊以反映整個(gè)堆焊生產(chǎn)過程的溫度場(chǎng)，堆焊完第一道后間隔10 s再堆焊第二道，每道堆焊焊縫的熔寬為8 mm。

圖4 堆焊焊接模型

3.1 溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

采用ANSYS APDL軟件進(jìn)行堆焊溫度場(chǎng)的分析計(jì)算，第一道和第二道堆焊的溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化的趨勢(shì)如圖5所示。

由圖5可以看出，焊接開始便在熱源周圍形成準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)焊接溫度場(chǎng)，其瞬態(tài)溫度場(chǎng)的變化與熱源沿周向的移動(dòng)無關(guān)。堆焊開始后，熱流向后移動(dòng)，對(duì)其后的堆焊位置產(chǎn)生了預(yù)熱作用[7]，在堆焊過程中，熱源前進(jìn)方向一側(cè)的等溫線比較密集，溫度梯度大，熱源后方相對(duì)稀疏，溫度梯度小，堆焊熱源的加載使靠近熱源中心的區(qū)域溫度快速升高，熱源移動(dòng)到下一點(diǎn)又使此處溫度迅速降低，遠(yuǎn)離熱源中心的區(qū)域溫度場(chǎng)變化相對(duì)緩慢[8]。這些現(xiàn)象均與實(shí)際TIG熱絲鎳基合金堆焊過程相符。

圖5 第一道和第二道堆焊溫度場(chǎng)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)

3.2 特征點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化

在堆焊過程中，熱源中心溫度約為1 700℃，分別取Y=180°、Z=0.004 mm和Z=0.012 mm上的點(diǎn)，分析堆焊層和鋼管之間的熔合情況，如圖6所示。N1、N2和N3為第一道堆焊層上的點(diǎn)，N4、N5和N6為第二道堆焊層的點(diǎn)。圖7為第一道堆焊層和第二道堆焊層溫度場(chǎng)的變化情況。

圖6 堆焊層特征點(diǎn)分析

圖7 第一道和第二道堆焊層溫度場(chǎng)的變化趨勢(shì)

由圖7可以看出，當(dāng)熱源逐漸接近所選Y=180°截面時(shí)，X65鋼管溫度逐漸升高，N1～N6點(diǎn)的溫度變化趨勢(shì)基本相同，N2和N5點(diǎn)處的溫度為1 000℃左右，堆焊層與鋼管形成了比較好的熔合，鎳基合金元素滲入到了鋼管中，能夠起到較好的防腐蝕作用。

4 焊接應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬及分析

溫度場(chǎng)的變化必然引起應(yīng)力場(chǎng)的變化，由于徑向的應(yīng)力變化較小，而環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力又是反應(yīng)鋼管堆焊應(yīng)力及焊后殘余應(yīng)力狀況的重要指標(biāo)。根據(jù)實(shí)際工況，在鋼管底部施加固定約束鋼管的軸向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力，如圖8所示。

圖8 焊接應(yīng)力的模擬分析

由圖8可以看出，焊接部位軸向應(yīng)力和周向應(yīng)力均較大，這是由于剛開始焊接時(shí)鋼管的溫度較低，受集中熱源的作用，產(chǎn)生了應(yīng)力集中[9]。同時(shí)，在堆焊的起焊位置存在很大的壓應(yīng)力。

為了進(jìn)一步分析堆焊后殘余應(yīng)力的情況，取圖9所示位置第一道焊縫中心（Z=0.004 mm，Y=180°）N1～N2 為路徑 1， 第二道焊縫中心（Z=0.012 mm， Y=180°）N3～N4 為路徑 2。

圖9 焊接殘余應(yīng)力分析路徑示意圖

分析距堆焊層不同位置、不同方向的殘余應(yīng)力的變化情況如圖10所示。由圖10可以看出，兩道堆焊層應(yīng)力分布基本一致，堆焊結(jié)束后表面殘余壓應(yīng)力變大。堆焊過程中兩道焊縫堆焊層周向殘余應(yīng)力均為拉應(yīng)力，最大值為230 MPa，隨著距堆焊層距離的增大，周向殘余應(yīng)力由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，焊管表面殘余壓應(yīng)力為202 MPa左右，壓應(yīng)力對(duì)保證堆焊結(jié)構(gòu)的性能至關(guān)重要[10]。軸向殘余應(yīng)力和徑向殘余應(yīng)力均很小，對(duì)結(jié)構(gòu)影響很小，這說明了該有限元結(jié)構(gòu)的可靠性。

圖10 不同路徑和方向的殘余應(yīng)力變化趨勢(shì)

5 結(jié) 論

（1）在有限元計(jì)算中引入材料物理性能參數(shù)與溫度的非線性關(guān)系，更準(zhǔn)確地反映了材料在迅速加熱和冷卻過程中的性能變化。

（2）焊接溫度場(chǎng)溫度1 700℃，堆焊層和鋼管界面溫度也達(dá)到了1 000℃以上，形成了比較好的熔合，鎳基合金元素滲入到了鋼管中，能夠起到較好的防腐蝕作用。

（3）堆焊結(jié)構(gòu)徑向和軸向殘余應(yīng)力很小，對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響比較小。鋼管表面殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，最大值202 MPa，焊接結(jié)構(gòu)表面一定的殘余壓應(yīng)力可以提高結(jié)構(gòu)的性能，保證了堆焊整體的可靠性。

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Nickel-base Alloy Corrosion Resistance Layer Numerical Simulation of X65 Steel Pipe Inwall Surfacing Welding

ZHANG Niantao,WU Zhixing,LI Jin,YANG Qian,CHEN Weijun,SHUAI Peng
（Special Equipment Company of Offshore Oil Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300452,China）

In order to increase the corrosion resistance performance of sulfur-containing pipeline,after research on ANSYS welding temperature field heat source theory and boundary conditions,the mathematical model and physical model of surfacing welding process were established,and the dynamic simulation was conducted for 625 nickel-base alloy temperature field and stress field of X65 steel pipe inwall surfacing welding.The simulation results indicated that when the welding temperature is as high as 1 700℃,the surfacing welding layer and steel pipe interface form better fusion;the residual stress of transverse and longitudinal direction both are small,the residual stress on steel pipe surface is compressive stress,the maximum stress value is 202 MPa.The research result showed that adopting reasonable welding parameters to carry out 625 nickel-base alloy surfacing welding on X65 steel pipe inwall,which can ensure the reliability of surfacing welding structure and increase the corrosion resistance performance of pipeline.

X65 steel pipe;surfacing welding;625 nickel-base alloy;numerical simulation

TG445

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.02.004

國(guó)家科技重大基金支助項(xiàng)目“深水水下生產(chǎn)設(shè)施制造測(cè)試裝備及技術(shù)”（項(xiàng)目號(hào)2011ZX05027-004）。

張念濤 （1985—），男，工程師，碩士，現(xiàn)主要從事海洋鋼結(jié)構(gòu)、壓力容器、水下結(jié)構(gòu)物的焊接及防腐工作。

2015-12-02

李 超