油氣田裝置焊接變形計(jì)算機(jī)分析預(yù)測(cè)的研究

樸蘭花 王晶

摘 要：石油工業(yè)目前依然是世界能源的支柱產(chǎn)業(yè)，其油氣田開發(fā)則少不了裝置的支持，而目前開采裝置主要由鋼材焊接而成，所以焊接熱變形及其殘余應(yīng)力可能導(dǎo)致成品率降低以及在組裝完成后造成相應(yīng)的應(yīng)力腐蝕，影響裝置的使用壽命，故在生產(chǎn)加工之前預(yù)測(cè)焊接成品的變形及殘余應(yīng)力并作出相應(yīng)的措施能夠提升工作效率和節(jié)約大量成本。

關(guān)鍵詞：石油工業(yè)；油氣田裝置；焊接變形；殘余應(yīng)力。

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，石油成為了工業(yè)發(fā)展不可或缺的能源儲(chǔ)備，而油氣田開采裝置多使用輕型鋼結(jié)構(gòu)為建筑主體，輕型鋼結(jié)構(gòu)有著清潔環(huán)保、施工方便快捷、抗自然災(zāi)害性能優(yōu)良、以及綜合成本較為低廉的特點(diǎn)。而焊接H型鋼作為構(gòu)成輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑的主要材料，在其生產(chǎn)過程中若能夠有極高的成品合格率，那么將可以提高鋼結(jié)構(gòu)建筑的建筑安裝效率以及節(jié)約人力物力財(cái)力等。

焊接是生產(chǎn)焊接H型鋼最主要的生產(chǎn)工序之一，其過程是對(duì)受焊件加熱至高溫然后快速冷卻，受焊件在受焊的過程中隨著時(shí)間和空間的變化其溫度有著極為劇烈的變化。在焊接時(shí)，受焊件受熱源導(dǎo)入的熱能所構(gòu)成的焊接溫度場(chǎng)分布不均勻，因而可能導(dǎo)致受焊件在焊接的過程中以及焊接后的冷卻過程中產(chǎn)生較大的變形以及殘余應(yīng)力，使得H型鋼尺寸不合格或者其內(nèi)部在存在殘余應(yīng)力的情況下，將H型鋼組對(duì)拼接成為鋼結(jié)構(gòu)建筑后易產(chǎn)生較大的應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致單一或者多部件失效，造成疲勞折斷以至于整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)建筑體坍塌的事故。

若是可以利用計(jì)算機(jī)模擬整個(gè)H型鋼的生產(chǎn)過程，就可以預(yù)知H型鋼焊接變形的大小以及焊接完成后整個(gè)H型鋼內(nèi)部的殘余應(yīng)力，通過校正可以校正外觀上的形變，而在知曉了整個(gè)H型鋼內(nèi)部殘余應(yīng)力的情況下，則可以在這根H型鋼生產(chǎn)完成后，組裝成鋼結(jié)構(gòu)建筑前，減小以至于消除其內(nèi)部應(yīng)力，以達(dá)到延長整個(gè)輕型鋼結(jié)構(gòu)壽命的目的。

利用計(jì)算機(jī)有限元模擬軟件可以很好地模擬H型鋼焊接的過程，其主要考慮焊接過程中溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)雙向耦合的情況下進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，通過對(duì)H型鋼焊接過程實(shí)際生產(chǎn)常用數(shù)據(jù)的研究與分析，利用直接法同時(shí)計(jì)算焊接應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)，模擬焊接H型鋼生產(chǎn)過程。根據(jù)既定焊接速度、焊接電流電壓以及焊接熱源有效半徑對(duì)焊接變形的影響?？梢猿晒Φ啬M出焊接過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，通過本文的模擬方法可以預(yù)測(cè)焊接過程的熱應(yīng)力以及殘余應(yīng)力。

本文主要使用計(jì)算機(jī)軟件ANSYS對(duì)構(gòu)件進(jìn)行分析，其分析步驟如下：

1.確定構(gòu)件規(guī)格及焊接基本參數(shù)，以焊接H200*200*6*8為例，母材為Q235B鋼；長度L=2000mm，材料為Q235B，使用埋弧焊機(jī)床進(jìn)行焊接。在計(jì)算機(jī)模擬中使用常用的埋弧焊機(jī)床調(diào)試參數(shù)，為電弧電壓U=25V，焊接電流I=180A；焊接速度v=10mm/s，焊接效率η =0.75，有效加熱半徑R=6mm。

2.選定單元類型及劃分網(wǎng)格，在軟甲中選擇SOLID185單元，劃分網(wǎng)格精度為1mm，其網(wǎng)格劃分完成后如下圖：

3.將熱源移動(dòng)速度、焊接溫度、焊接速度等焊接重要參數(shù)在ANSYS軟件的APDL命令流中輸入到軟件中，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬分析。

4.計(jì)算機(jī)模擬分析結(jié)果輸出，然后根據(jù)輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行下一步分析。

在分析結(jié)果后，可以準(zhǔn)確地預(yù)知焊接完成后鋼材因受熱變形的大小幅度以及其內(nèi)部殘余應(yīng)力的存在位置和大小。此種方法可以推廣到其他焊接件的計(jì)算分析中，套用APDL命令流，可以輕易地應(yīng)用到其他焊接件的焊接分析中。與此同時(shí)，上述方法可以反向推導(dǎo)出在焊接過程中合適的電壓、電流以及焊接速度等焊接參數(shù)以減小焊接變形，提高成品合格率。

利用本文所述方法，在正式的H型鋼生產(chǎn)之前，或者在更早的時(shí)間段，即鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)階段，使用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行相應(yīng)的模擬焊接操作，即可預(yù)知既有的方法在生產(chǎn)出成品之后是否存在焊接變形或者焊接殘余應(yīng)力，從而可以及時(shí)更換生產(chǎn)所用材料或者調(diào)整焊接方法，以保證在生產(chǎn)完成后和日后組裝組對(duì)成為鋼結(jié)構(gòu)建筑時(shí)，盡可能地減少H型鋼部件的應(yīng)力腐蝕，從而消除安全隱患以及以延長整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)建筑的使用壽命。

在這個(gè)計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)發(fā)展日新月異的時(shí)代，此類計(jì)算機(jī)軟件必定會(huì)飛速地發(fā)展，從而大大提高此類計(jì)算的精度，且人工智能將會(huì)逐漸代替用戶完成例如材料物理性能參數(shù)錄入、APDL命令流編寫等，從而提高用戶進(jìn)行分析的效率。

隨著人類對(duì)于各個(gè)方面的探索，各種材料的高溫性能探索也將不斷地深入，從而能夠得到更為精確的材料高溫狀態(tài)下的性能參數(shù)，進(jìn)而使得利用本文方法分析計(jì)算焊接H型鋼焊接過程溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的精度得到提高。

根據(jù)本文編寫的APDL命令流，可以將其進(jìn)行整體封裝，改進(jìn)編寫成為一個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的能夠分析各種型號(hào)焊接H型鋼焊接過程中的熱應(yīng)力、殘余應(yīng)力以及變形情況的計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序，利用計(jì)算機(jī)分析來指導(dǎo)工廠生產(chǎn)，進(jìn)而使得焊接過程模擬技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中得到應(yīng)用。

作者簡介：

樸蘭花（1988-）女，籍貫黑龍江省依蘭縣，學(xué)歷：大專，黑龍江科技大學(xué)；工作單位：大慶油田榆樹林油田開發(fā)有限責(zé)任公司，生產(chǎn)協(xié)調(diào)員。

王晶（1988-）男，籍貫黑龍江省大慶市，學(xué)歷：碩士，東北石油大學(xué)；工作單位：大慶油田工程建設(shè)有限公司，生產(chǎn)辦副主任。