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ANSYS焊接溫度場熱源理論和邊界條件進行研究，建立了堆焊過程的數(shù)學(xué)模型和物理模型，對X65鋼管內(nèi)壁堆焊625鎳基合金溫度場和應(yīng)力場進行了動態(tài)模擬。模擬分析結(jié)果顯示，焊接溫度高達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

國家經(jīng)濟的高速發(fā)展使得對高含硫氣井開采力度日益加大，針對沉積的單質(zhì)硫?qū)艿赖母g造成的經(jīng)濟損失十分巨大[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度，同時又具備很強的耐腐燭性能，此方法在國內(nèi)外油氣田項目中得到了廣泛的應(yīng)用[3-6]。鎳基合金堆焊是一個多變量耦合的復(fù)雜過程，僅靠積累的經(jīng)驗及有限的試驗數(shù)據(jù)很難對堆焊過程有定量的認識，運用有限元軟件在計算機上進行焊接過程的數(shù)值模擬，可以在較短的時間內(nèi)獲得不同參數(shù)條件下的各項數(shù)據(jù)。因此，采用數(shù)值模擬技術(shù)對堆焊過程進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)力場耦合分析，在溫度場有限元模擬后提取瞬態(tài)單元節(jié)點溫度作為溫度載荷，施加在后續(xù)應(yīng)力分析中進行應(yīng)力場的分析。本研究以期對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—時間；

｛q｝—熱流量；

Q—內(nèi)部熱源；

｛L｝—微分算子。

焊接時對流的邊界條件為

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

焊接熱源選取是實現(xiàn)焊接模擬計算的基本條件，由于焊接熱源局部集中熱輸入，會使焊件產(chǎn)生不均勻變化的溫度場，在焊接過程中和冷卻后會產(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焊接溫度場和應(yīng)力變形的計算精度和效率，特別是在靠近熱源的地方，會有很大的影響。本研究實際焊接參數(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

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

圖3 不同溫度下X65鋼和Inconel625鎳基合金彈性模量的變化趨勢

2.3 單元生死技術(shù)

運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，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 焊接溫度場的數(shù)值模擬及分析

以X65鋼管的堆焊為例，對其焊接過程中的溫度場變化進行非線性三維動態(tài)模擬，鋼管尺寸為 Φ114 mm×8.6 mm×360 mm（外徑×壁厚×軸向長度），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堆焊生產(chǎn)過程的溫度場，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 溫度場計算結(jié)果

采用ANSYS APDL軟件進行堆焊溫度場的分析計算，第一道和第二道堆焊的溫度場隨時間變化的趨勢如圖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，其瞬態(tài)溫度場的變化與熱源沿周向的移動無關(guān)。堆焊開始后，熱流向后移動，對其后的堆焊位置產(chǎn)生了預(yù)熱作用[7]，在堆焊過程中，熱源前進方向一側(cè)的等溫線比較密集，溫度梯度大，熱源后方相對稀疏，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，熱源移動到下一點又使此處溫度迅速降低，遠離熱源中心的區(qū)域溫度場變化相對緩慢[8]。這些現(xiàn)象均與實際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隨時間的變化趨勢

3.2 特征點溫度隨時間的變化

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，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，N4、N5和N6為第二道堆焊層的點。圖7為第一道堆焊層和第二道堆焊層溫度場的變化情況。

圖6 堆焊層特征點分析

圖7 第一道和第二道堆焊層溫度場的變化趨勢

由圖7可以看出，當(dāng)熱源逐漸接近所選Y=180°截面時，X65鋼管溫度逐漸升高，N1～N6點的溫度變化趨勢基本相同，N2和N5點處的溫度為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)力場的數(shù)值模擬及分析

溫度場的變化必然引起應(yīng)力場的變化，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，在堆焊的起焊位置存在很大的壓應(yīng)力。

為了進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

5 結(jié) 論

（1）在有限元計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）焊接溫度場溫度1 700℃，堆焊層和鋼管界面溫度也達到了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。

[1]周勇軍，顧伯勤，朱廷風(fēng)，等.熱等壓法鋼塑復(fù)合管生產(chǎn)技術(shù)研究[J].材料與焊接，2001，22（6）:59-60.

[2]鞠虹，王君，唐曉，等.油氣集輸管道在海洋環(huán)境中的腐蝕與防護[J].石油化工設(shè)備，2010，39（5）：41-47.

[3]孫麗，李長俊，彭善碧，等.CO2腐蝕影響因素研究[J].管道技術(shù)與設(shè)備， 2008（6）： 35-37.

[4]陳東，柳偉，路民旭.鋼的高溫高壓CO2腐蝕產(chǎn)物膜研究進展[J].腐蝕科學(xué)與防護技術(shù)，2006，18（3）:192-195.

[5]李坷，姜放，陳文梅.井下油套管二氧化碳腐蝕[J].石油與天然氣化工， 2006， 35（4）:300-304.

[6]陳堯，白真權(quán)，熊惠.N80鋼在高溫高壓下的抗CO2腐蝕性能[J].石油與天然氣化工，2006，35（6）：470-472.

[7]方洪淵.焊接結(jié)構(gòu)學(xué)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[8]李冬林.焊接應(yīng)力和變形的數(shù)值模擬研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2003.

[9]嚴仁軍.焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2006.

[10]姬麗森，凌澤民，何健，等.Inconel 718鎳基合金管道焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬[J].熱加工工藝，2006，44（5）： 199-204.

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

國家科技重大基金支助項目“深水水下生產(chǎn)設(shè)施制造測試裝備及技術(shù)”（項目號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