環(huán)焊縫打磨平臺關(guān)鍵結(jié)構(gòu)有限元分析

摘" " 要：為滿足油氣長輸管道工程施工及驗收規(guī)范的要求，管道焊縫余高應(yīng)在0～3 mm內(nèi)，向母材平滑過渡。目前環(huán)焊縫大多依靠人工打磨，效率低且質(zhì)量不穩(wěn)定?，F(xiàn)依托自動打磨系統(tǒng)，設(shè)計研發(fā)了環(huán)焊縫打磨平臺。將角磨機轉(zhuǎn)速和進給速度作為實驗變量設(shè)計單因素實驗，探究環(huán)焊縫打磨平臺在打磨過程中所承受力的變化范圍，得出法向力、軸向力和徑向力的峰值為78、54、20 N。為了提高打磨平臺的穩(wěn)定性，采用Abaqus軟件進行有限元仿真分析，對軸向進給模塊的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。對繞管道爬行模塊的輔助軸與安裝軌道接觸應(yīng)力進行求解，尋求安裝軌道的合理壁厚。結(jié)果表明：輔助軸的增加改善了模塊的應(yīng)力分布，應(yīng)力峰值減少6.26%，平均應(yīng)力減少53.14%；軌道壁厚應(yīng)不小于3.06 mm。

關(guān)鍵詞：環(huán)焊縫打磨；有限元分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

Finite element analysis of key structures of girth weld grinding platform

HE Yazhang1，LIU Jian1，CUI Wenqin2，F(xiàn)U Yu3，MA Chenxiang3

1. CNPC Research Institute of Engineering Technology， Tianjin 300451， China

2. Well Services Branch of CNPC Offshore Engineering Co.， Ltd.， Tianjin 300451， China

3. Tianjin Key Laboratory of Modern Mechatronics Equipment Technology， Tiangong University， Tianjin 300387， China

Abstract：To meet the construction and acceptance specifications of oil and gas long-distance pipeline engineering， the residual height of the pipeline weld should be within 0～3 mm， and the transition to the base metal should be smooth. At present， girth welding is mostly done by hand， which results in low efficiency and unstable quality. Now， a girth weld grinding platform has been designed and developed based on the existing automatic grinding system. With the rotation speed and feed speed of the Angle grinder taken as experimental variables， a single-factor experiment was designed to explore the variation range of the platform′s bearing force during grinding， and the peak values of the normal force， axial force， and radial force were 78， 54 and 20 N， respectively. To improve this platform′s stability， a finite element simulation analysis by Abaqus software was carried out and the structure of the axial feed module was optimized. The contact stress between the auxiliary shaft and the mounting track of the crawling module around the pipeline was solved to seek the reasonable wall thickness of the track. The results show that the stress distribution of the module is improved by adding the auxiliary shaft， with the peak stress reduced by 6.26% and the average stress reduced by 53.14%， and that the wall thickness of the track shall not be less than 3.06 mm.

Keywords：girth weld grinding; finite element analysis; structure optimization

DOI：10.3969/j.issn.1001-2206.2024.05.009

管道運輸是目前油氣運輸?shù)闹饕绞?，具有可靠、安全、?jīng)濟、快捷、持續(xù)性長、占地少等特點[1]。管道用X80鋼的生產(chǎn)技術(shù)日漸成熟[2]，但X80鋼管焊后質(zhì)量不一，會出現(xiàn)咬邊、未融合、焊瘤、凹陷等缺陷。為滿足油氣長輸管道工程施工及驗收規(guī)范要求，鋼管焊接后焊縫余高應(yīng)在0～3 mm范圍內(nèi)，向母材平滑過渡。為使焊縫整潔光滑，避免應(yīng)力集中，增加射線探傷的合格率[3]，目前大多采用人工手動打磨，工作效率低，質(zhì)量不穩(wěn)定，過程伴隨著飛屑、噪音，對人體健康影響較大[4]。現(xiàn)依托自動打磨系統(tǒng)，建立環(huán)焊縫打磨平臺。

利用仿真軟件進行有限元分析，為工程實踐提供數(shù)據(jù)支撐，已應(yīng)用于眾多工程領(lǐng)域中。王春臻[5]利用ANSYS軟件對旋龜六足機器人進行靜力學分析，當機構(gòu)六條腿都處于支撐狀態(tài)，求得等效應(yīng)力為15.977 MPa，符合結(jié)構(gòu)鋼極限壓縮強度。何波[6]在對堆料機臂架靜力學分析后，采用變密度法進行拓撲優(yōu)化，體積約束到10%后結(jié)果依然滿足工程要求，不影響結(jié)構(gòu)性能。亓佳慧[7]為對比機械手指端受力情況是否符合理論計算值，在指尖建立的小剛度拉壓彈簧上進行測量，然后取反作用力，仿真結(jié)果得出指端可提供大約207 N的力。李京[8]對陸地鉆具運輸系統(tǒng)的強度進行靜力學分析，驗證了送鉆裝置、踢出機構(gòu)和起升板機構(gòu)滿足強度需求。

本文利用Abaqus軟件對環(huán)焊縫打磨平臺部分模塊進行有限元分析，對軸向進給模塊機構(gòu)進行改進優(yōu)化，同時通過仿真探究安裝軌道的合理壁厚，以確保環(huán)焊縫打磨平臺能夠穩(wěn)定工作。

1" " 有限元模型與受力載荷的建立

1.1" " 有限元模型的建立

圖1為本文設(shè)計的管道環(huán)焊縫打磨平臺，其運動結(jié)構(gòu)分為三個主要模塊：徑向升降模塊、軸向進給模塊和繞管道爬行模塊。

從工作環(huán)境及使用條件出發(fā)，采用相對簡化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，所以基于動力學方面對打磨平臺進行優(yōu)化的可行性較小。打磨平臺的自激和受力振動是影響打磨精度和焊縫表面質(zhì)量的關(guān)鍵因素。徑向升降模塊和軸向進給模塊主要受打磨平臺搭載的角磨機打磨焊縫過程中反切削力的影響。其中徑向升降模塊因打磨壓力的存在可進行自身穩(wěn)定性改善，因此本文不對徑向升降模塊進行優(yōu)化仿真。由于軸向進給模塊是懸臂梁結(jié)構(gòu)，打磨過程中存在受力不穩(wěn)定的問題，因此對其穩(wěn)定性進行控制能夠最大程度保證打磨平臺工作的精度和穩(wěn)定性。

繞管道爬行模塊是環(huán)焊縫打磨平臺的載體，包括自動打磨機和安裝軌道兩部分，通過自動打磨機在安裝軌道上邊打磨邊移動，完成管道環(huán)焊縫的打磨工作。軌道需要能承載打磨平臺的重力和打磨過程產(chǎn)生的反切削力，平臺才能穩(wěn)定地工作。X80管道的安裝軌道為直徑1 260 mm的薄壁鋼管結(jié)構(gòu)，自動打磨機在爬行過程中因重力作用會造成軌道的彈性變形，不利于打磨機的穩(wěn)定，選取合適的軌道厚度是提高軌道剛度的有效途徑，也是決定其強度的關(guān)鍵因素。

使用Solidworks軟件分別對軸向進給模塊和繞管道爬行模塊進行三維建模，圖2為模塊示意圖。將模塊三維圖轉(zhuǎn)換成Step格式導入Abaqus軟件進行有限元仿真分析。由于將模型完全分析會增加網(wǎng)格數(shù)量、降低求解速度和精度，因此采取剛度等效原則，去除了一些不影響仿真結(jié)果的特征和安裝孔[9]。

1.2" " 確定打磨機載荷

為了得出符合實際的結(jié)構(gòu)模型，需將設(shè)計變量與打磨平臺所受載荷結(jié)合起來。以角磨機轉(zhuǎn)速n和繞管道爬行的進給速度Vs為試驗變量，對施加在打磨平臺的反作用力進行求解。同時利用Kistler測力儀對打磨平臺在打磨焊縫過程中的反作用力進行測量，并將測力儀連接到電荷放大器（5 070 A）和數(shù)據(jù)采集卡，得到的數(shù)據(jù)利用Dynoware軟件進行處理。所用儀器如圖3所示。

打磨平臺搭載的角磨機為創(chuàng)世無刷角磨機（1 300 W），角磨機傾斜角度q為30°，可調(diào)轉(zhuǎn)速n為7 000～11 000 r/min，最佳進給速度Vs為240～300 mm/min。載荷大小與下壓深度成正比，為得到打磨過程中的最大載荷，本次實驗將下壓深度Dh保持5 mm，并根據(jù)單因素實驗法進行6種不同的實驗組合。

隨著角磨機的移動，在切入焊縫和切出焊縫時會加劇平臺反作用力的波動。不同參數(shù)下打磨過程中打磨平臺的受力情況如圖4所示。

實驗主要考慮當打磨機切入切出產(chǎn)生反作用力突變時，設(shè)計的環(huán)焊縫打磨平臺是否能在此載荷極值下平穩(wěn)運行，根據(jù)實驗中測定的受力曲線，各組實驗最大載荷結(jié)果見表1。有限元分析中選擇將法向力Fz=78 N、軸向力Fx=54 N、徑向力Fy=20 N作為載荷施加在打磨平臺上。

2" " 軸向進給模塊靜力學分析及優(yōu)化

2.1" " 靜力學參數(shù)設(shè)定

將軸向進給模塊裝配體轉(zhuǎn)換成Step格式并按照部件導入Abaqus軟件中，首先給各個部件創(chuàng)建材料屬性。本文采用的材料為7075型鋁合金，材料本構(gòu)中的楊氏模量和泊松比分別為70 GPa與0.32。在裝配選項“合并/切割實體”欄勾選“保持相交邊界”，之后進行網(wǎng)格劃分。單元格采用四結(jié)點線性四面體單元，并對個別孔單獨布種來提升計算精度。利用按個數(shù)控制的方法，將其單元數(shù)控制為2。

根據(jù)環(huán)焊縫打磨平臺的實際工作情況，添加載荷和邊界約束。將上文1.2節(jié)實驗結(jié)果作為載荷輸入，將軸向進給模塊與平臺主體的連接處設(shè)為固定的邊界約束。靜力學分析主要對結(jié)構(gòu)整體的形變和應(yīng)力進行分析[10]，圖5為靜力學分析流程。

2.2" " 靜力學仿真結(jié)果及優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)Abaqus軟件計算得到模塊應(yīng)力云圖，見圖6。從圖6可以看出在施加載荷后，應(yīng)力集中影響模塊與平臺的連接部分，這會影響到環(huán)焊縫打磨平臺工作時的穩(wěn)定性，同時也會降低環(huán)焊縫打磨精度。按照平臺設(shè)計使用條件，打磨平臺應(yīng)適用于野外場所，因此要兼顧整體機構(gòu)的便捷性和平穩(wěn)性。

采用增加輔助軸的方案進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后的模塊應(yīng)力如圖7所示。從圖7可以看出：輔助軸明顯改善了模塊的應(yīng)力分布，其最大應(yīng)力出現(xiàn)在螺絲連接處，這對打磨平臺的影響較小。兩根輔助軸的質(zhì)量為316 g，優(yōu)化后整個打磨平臺質(zhì)量增加了1.76%，應(yīng)力峰值減少6.26%，平均應(yīng)力減少53.14%。

3" " 繞管道爬行模塊有限元分析

繞管道爬行模塊作為環(huán)焊縫打磨平臺的底座，功能為帶動平臺繞管道移動。工作時環(huán)焊縫打磨平臺在軌道上順時針移動，如圖8所示。在9點鐘～12點鐘～3點鐘方向，由于重力分量與打磨反作用力異向，此階段打磨平臺工作較為平穩(wěn)。而在3點鐘～6點鐘～9點鐘方向，重力分量與打磨反作用力同向，尤其在6點鐘位置時軌道所受力最大。為實現(xiàn)安裝軌道在滿足剛度要求情況下盡可能輕量化設(shè)計，提高軌道壁厚是有效的可行手段，利用Abaqus有限元探究軌道壁厚的合理取值，使得環(huán)焊縫打磨平臺在整個軌道上都能夠平穩(wěn)運行，提高打磨工作的穩(wěn)定性。

lt;E：＼雜志匯總＼石油工程建設(shè)＼2024——5期石油＼何亞章8.tifgt;[軌道][3][6] [12][9][圖8" " 軸向進給模塊運動方向示意]

將繞管道爬行模塊裝配體轉(zhuǎn)換成Step格式，按照部件導入Abaqus軟件中。與上文不同的是輔助輪的材料屬性，采用的材料為65Mn鋼，材料本構(gòu)中的楊氏模量和泊松比分別為200 GPa與0.3，密度為7.85 g/cm3。分析的步步驟為靜力通用，施加9.8 g/m2的重力加速度。為了簡化計算，將其他結(jié)構(gòu)所受重力簡化為200 N的表面載荷施加在模塊頂面上，模擬整個打磨平臺的受力情況，用來觀察輔助輪與軌道接觸過程中的應(yīng)力變化，有限元仿真分析結(jié)果如圖9所示。

通過仿真結(jié)果得到輔助輪與軌道接觸的應(yīng)力峰值為0.537 8 MPa，材料的屈服強度為235 MPa，軌道壁厚T可通過下式求解。

[T=P/σs3] （ 1 ）

式中：P為軌道承受的應(yīng)力，MPa；ss為材料所允許的屈服強度，MPa；T為軌道壁厚，mm。

通過計算可得軌道壁厚最小值為3.06 mm。

4" " 結(jié)論

1）本文將角磨機轉(zhuǎn)速和進給速度作為實驗變量設(shè)計單因素實驗，探究環(huán)焊縫打磨平臺在打磨過程中受力的變化范圍，得出法向力、軸向力和徑向力的峰值為78、54、20 N。

2）利用上述結(jié)論作為受力載荷條件施加到軸向進給模塊的靜力學仿真分析中，對結(jié)構(gòu)進行改進優(yōu)化。Abaqus仿真結(jié)果表明：輔助軸改善了模塊的應(yīng)力分布，使得結(jié)構(gòu)更加合理。在整體結(jié)構(gòu)輕量化的基礎(chǔ)上，質(zhì)量增加了1.76%，應(yīng)力峰值減少6.26%，平均應(yīng)力減少53.14%。

3）為提高安裝軌道的剛度，對軌道合理壁厚進行了求解，利用Abaqus有限元仿真計算繞管道爬行模塊輔助軸與軌道接觸應(yīng)力，代入軌道壁厚的求解公式得出軌道壁厚應(yīng)不小于3.06 mm才能保證環(huán)焊縫打磨平臺平穩(wěn)工作。

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基金項目：

中國石油集團海洋工程有限公司管道環(huán)焊縫接頭余高智能打磨系統(tǒng)研究（202204-0402）。

作者簡介：

何亞章（1989—），男，河北唐山人，工程師，2016年畢業(yè)于天津大學材料工程專業(yè)，碩士，主要從事焊接工藝開發(fā)和焊接結(jié)構(gòu)安全性評價工作。Email：heyazhang@cnpc.com.cn

收稿日期：2024-06-29