坡口角度對(duì)X80管道焊接變形的影響

王佳銘 韓亮

摘 要：X80鋼廣泛用于石油、化工等領(lǐng)域，在管道焊接過程中局部受到熱源影響，產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力進(jìn)而導(dǎo)致變形，文章就此闡明了焊接變形控制方案，為更好服務(wù)工程實(shí)踐提供參考。

關(guān)鍵詞：X80;焊接變形;殘余應(yīng)力

0 引言

X80鋼因其良好的焊接性能和耐腐蝕性能，在石油、天然氣輸送管道中廣泛應(yīng)用。在X80鋼管道焊接作業(yè)中，焊接接頭受熱易發(fā)生內(nèi)部組織變化，不可避免有內(nèi)部應(yīng)力殘余。殘余應(yīng)力過大會(huì)導(dǎo)致腐蝕開裂，在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)管道質(zhì)量和安全性造成較大影響，縮短管道使用壽命，因此，減小焊接殘余應(yīng)力是焊接工程中的重要研究課題。

1 主要研究?jī)?nèi)容

以壁厚為18.4mm、直徑為1219mm、屈服強(qiáng)度為570MPaX80管道對(duì)接焊作為研究對(duì)象，使用ANSYS有限元軟件利用生死單元技術(shù)，并考慮材料在高溫時(shí)非線性特性的前提下利用熱結(jié)構(gòu)間接耦合法對(duì)管道多道焊進(jìn)行仿真模擬計(jì)算得出X80材料的焊接溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和變形的結(jié)果。通過對(duì)結(jié)果的分析，得出管道多道焊接的優(yōu)化方案。

2 設(shè)計(jì)思路

優(yōu)化方案，通過改變坡口角度（60°、90°、120°等）進(jìn)一步模擬計(jì)算焊接工藝優(yōu)化后的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和變形，將所得結(jié)果與優(yōu)化前做對(duì)比。三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)得變形值，將試驗(yàn)所得結(jié)果與模擬計(jì)算值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)與模擬值基本吻合，從而驗(yàn)證數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，同時(shí)也為將來開展管道維護(hù)及檢修積累經(jīng)驗(yàn)。

3 模擬過程

由A1的公式可以看出，A1表示半徑為4的圓形面積的1/6。所以我們此次選擇的兩個(gè)坡口角度為40°和45°。40°和45°都能被360°整除，可以用于熱源計(jì)算，通過三個(gè)不同的坡口角度對(duì)比也能夠較好的反映變形分布規(guī)律。40°、45°、60°V形坡口焊接變形。

3.1 網(wǎng)格劃分

（1）選取面或者體，采用四面體或六面體自由劃分，常用的命令有：esize、amesh、vmesh;

（2）設(shè)置所有線的剖分細(xì)度或者等分?jǐn)?shù)，在對(duì)面或者體進(jìn)行掃掠劃分或者自由劃分，常見的命令有：vsweep、vemsh;

（3）建立一個(gè)面，對(duì)面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在拉伸成具有網(wǎng)格的體常見的命令有：vext。

3.2 定義材料屬性

金屬的物理性能參數(shù)比如彈性模量，屈服應(yīng)力、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等都隨溫度的變化而變化。但如今好多金屬材料的熱物理參數(shù)并不全，尤其是在高溫區(qū)域，比熱容和熱導(dǎo)率等還隨著實(shí)際塑性變形的變化而變化，因此必須在ANSYS分析過程中考慮熱物理參數(shù)。

3.3 生死單元加載

ANSYS程序在工作過程中，并不是將“殺死”的單元從模型中刪除，而是將其剛度矩陣乘以一個(gè)很小的因子，因子默認(rèn)值為1.0E-6。死單元的單元載荷為0，從而不對(duì)載荷向量生效。如果單元“出生”，并不是將其加入到模型中，而是重新激活它們。在求解器中不能生成新的單元，要“加入”一個(gè)單元，先殺死它，然后在合適的載荷步中重新激活它。當(dāng)一個(gè)單元被重新激活時(shí)，其剛度、質(zhì)量、單元載荷等將恢復(fù)其原始數(shù)值，重新激活的單元也沒有應(yīng)變記錄和熱量存儲(chǔ)等。

3.4 應(yīng)力場(chǎng)和變形模擬

由圖可以知道，V形坡口變形量在40°坡口時(shí)為4.66mm，在45°坡口時(shí)為3.3mm，在60°坡口時(shí)為2.82mm，因此變形量隨著角度的增加呈現(xiàn)逐漸變小的趨勢(shì)，在60°時(shí)取得較小值，因此對(duì)于管道對(duì)接如果開V形坡口盡量開60°坡口。

4 結(jié)束語

此次研究主要利用ANSYS軟件針對(duì)X80管道在焊接過程中的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，根據(jù)模擬結(jié)果持續(xù)進(jìn)行優(yōu)化，給出了優(yōu)化的方向和具體的方法。證明了數(shù)值模擬分析在解決焊接問題中具有可行性，可以較準(zhǔn)確地反映殘余應(yīng)力和變形的分布規(guī)律。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔡洪能，唐慕堯.TIG焊焊接溫度場(chǎng)的有限元分析[J].海洋工程，1983（04）：34-38.

[2]草俊惠，霍立興，張玉風(fēng).低碳鋼管焊接殘余應(yīng)力有限元分析[J].焊接，2000（12）：11-15.

通訊作者：韓亮