云谷川倒虹吸壓力鋼管焊接工藝與殘余應力研究

俞 瑾，曾 鵬，李 德，曹平周

(1.河海大學土木與交通學院，南京 210098；2. 深圳市建筑設計研究總院有限公司，廣東 深圳 518031)

水利水電工程中的大型輸水壓力管道多采用焊接鋼管，焊接過程中產生的不均勻溫度場，使鋼管內部產生殘余應力，并使鋼材的金相組織產生變化，引起部分材質變脆[1]。焊接產生的殘余應力和變形會使構件在受力過程中變形增加，降低構件的剛度、穩定性和結構的疲勞強度[2]。《鋼結構焊接規范》(GB50661-2011)要求鋼結構焊接時，采用合理的焊接工藝和焊接順序，使構件最終的變形和收縮最小[3]。

云谷川倒虹吸的水頭達約300 m，鋼管壓力大。管徑大，達800 mm。青海冬季低溫，鋼管易發生冷脆開裂，本文針對云谷川倒虹吸壓力鋼管制作，提出多種壓力鋼管焊接工藝，采用ANSYS軟件，對壓力鋼管的焊接殘余應力和殘余變形進行計算。經過比照剖析，提出壓力鋼管制作的焊接工藝建議，為實際工程壓力鋼管制造提供技術依據，為類似工程提供技術參考。

1 有限元分析模型

1.1 材料特性與焊接方法及參數

云谷川倒虹吸壓力鋼管選用鋼材牌號為Q235，鋼材的熱物理性能如表1所示[4]。鋼材彈性模量206 GPa，泊松比0.28，線膨脹系數14.8×10-6m/℃，切變模量79.38 GPa，常溫狀態時鋼材的屈服強度fy為235 MPa，不同溫度時的fy如表2所示[5]。

表1 Q235在各溫度段的熱物理性能Tab.1 The thermal physical properties of Q235 at each temperature section

表2 屈服強度 MPa

云谷川倒虹吸壓力鋼管總長約為2 494 m，全長管徑均為800 mm，分段制作。鋼管最大壁厚為16 mm，采用鋼板滾圓直縫焊接管。各段鋼管制作時焊接采用電弧自動焊，工藝參數[6]見表3。

表3 焊接工藝參數Tab.3 The welding parameters

對于云谷川倒虹吸最大板厚16 mm的焊接管，鋼管焊縫采用V型對接焊縫，底部間隙寬度4 mm，坡口角為35°，焊縫采用多道施焊技術進行焊接。焊縫厚度方向分為3層施焊，底層為一道焊，其他兩層為兩道焊，共五道，尺寸如圖1所示。

圖1 鋼管截面尺寸Fig.1 The section size of steel pipe

1.2 熱—結構耦合單元的選取

在有限元軟件ANSYS中，有兩種考慮熱—結構耦合場的單元形式，分別為直接耦合單元和順序耦合單元。直接耦合單元具有位移自由度和溫度自由度，在受到局部溫度作用后，按照熱傳導理論計算單元中的溫度場，然后將溫度作為外荷載施加到單元上，再結合單元受力和位移約束得到單元內力分布，計算可同時得到結構的內力、位移以及溫度分布。順序耦合單元采用計算溫度場的單元計算結構在局部溫度作用下的溫度分布，然后將溫度場單元轉化為相應的結構場單元，再進行內力計算。順序耦合單元只進行溫度場與應力、應變場的單向耦合，考慮溫度對應力-應變關系的影響，忽略應力、應變場對溫度場的影響。青海省云谷川倒虹吸工程鋼管按在當地鋼結構企業制作考慮，焊接過程中溫差變化大，溫度場相對于其他因素而言，對應力、應變場的影響大，分析時選用單向順序耦合的方法。模擬分析時單元采用單元Solid90，該單元在由溫度場轉結構場時會自動轉換。

1.3 焊接熱源模擬

數值計算時，熱源模型選取是否適當，對模擬焊接溫度場的計算精度，特別是靠近熱源的地方影響很大。ANSYS軟件中模擬熱輸入的模型主要有高斯熱源模型、橢球體熱源模型和內生熱率熱源模型。高斯熱源模型將焊接加熱點上熱流密度的分布近似地用高斯數學模型來描述，即焊接熱源的熱流密度表示為高斯分布函數；橢球體熱源模型將焊接熔池的前半部分作為一個1/4橢球，后半部分作為另一個1/4橢球，設前后半部分橢球能量分數分別為f1和f2，存在關系為[7]：

f1+f2=2

(1)

高斯、橢球體熱源模型將焊接熱流直接施加在整個焊件上，但不能模擬焊縫金屬熔化和填充。云谷川壓力鋼管壁厚達16 mm，采取高斯熱源、橢球體熱源會出現熱供應量不足而導致與實際焊接不一致的情況。內生熱率熱源模型能夠克服這些缺點。因此本文采取內生熱率熱源模型進行計算分析。

多道焊接是一反復加熱冷卻過程，模擬這一過程選用熱源生死單元法。在計算前先將所有焊縫單元“殺死”，隨著熱源的移動再依次將死單元“激活”，同時給激活的單元施加生熱率；下一步加載時，刪除上一步所施加的生熱率，上一步的溫度場計算結果作為下一步荷載計算的初始條件，依次循環直至焊接結束。

生熱率等于電弧有效功率除以所作用單元的體積，其表達式為[8,9]：

(2)

式中：η為電弧熱效率，取0.7；U為電壓；I為電流；Aw為焊縫的橫截面積 為焊接速度；u為每個荷載步的時間步長。

1.4 邊界條件

云谷川倒虹吸工程最大水頭約為300 m，在工廠分成段制作直縫焊接管，在現場把各管段采用環形焊接以連成整體。在進行溫度場計算時，需要施加熱力學邊界條件，包括恒溫邊界條件與對流邊界條件。恒溫邊界條件模擬外環境溫度(室溫25 ℃)，熱對流邊界條件模擬結構與空氣的接觸面上的熱交換，對流換熱系數為13.9 W/(m2·K)。在進行結構場計算時需要施加力學邊界條件，力學邊界條件主要限制模型的剛體位移[8]。本文在焊縫相對位置采用剛性約束，即假定該位置不能移動和轉動。

1.5 網格的劃分

對于大型鋼結構，如果焊接層數與道數過多，網格劃分不當會使計算量非常大，耗費時間非常多，有時甚至會導致結果不收斂的情況，分析時合理選擇焊接層數與道數尤為重要。郭彥林[7,10]等人研究指出，對于厚板V形焊縫在焊接模擬過程中，其有限元模型中焊接分層數不能取得太少，否則會導致錯誤的計算結果，而當焊縫分層數大于五層時，選取層數對計算結果影響不是很大。分道使得焊接熱量輸入得到分散，同一層的累計收縮量相比于不分道時減小，分道數較少的模型其計算結果與分道數較多的模型計算結果相比偏于保守[11]。在焊接模擬中，焊接層數與道數的劃分應與實際焊接施工工藝相同。

云谷川倒虹吸工程的壓力鋼管的最大壁厚為16 mm，結合焊縫工藝設計，有限元模型對于焊縫的層數和道數分別取為三層和一道與兩道。網格劃分考慮到計算效率和求解的精確度，建立圓柱坐標系，以圓柱坐標系的角度劃分，約10°一個網格，豎直方向隨機分布。在焊縫附近選取網格比較細密，尺寸約為2 mm，其他位置的網格尺寸最大約為20 mm，見圖2，圈出部分為焊縫處的網格劃分。水工壓力鋼管的有限元模型見圖3。

圖2 網格劃分圖Fig.2 Mesh generation

圖3 壓力鋼管的有限元模型Fig.3 Finite element model of steel pipe

1.6 材料本構關系

鋼管采用碳素結構鋼Q235制作，采用理想彈塑性模型如圖4所示。

2 焊接工藝設計與焊接殘余應力

2.1 直縫管段的焊接工藝與殘余應力計算分析

云谷川倒虹吸壓力鋼管安裝位置在山區，線路長，有陡坡段，為便于運輸和安裝就位，管段取長度1 m。設計了3種焊接工藝分別為：工藝一：每道焊縫均從管段的一端焊接到另外一端；工藝二：每道焊縫分別從管段中間焊接到兩端；工藝三：每道焊縫從管段兩端焊到中間。

有限元計算得出的殘余等效應力(von mises stresses)如圖5所示。

由圖5可見，工藝一的最大焊接殘余應力為258 MPa，工藝二和工藝三分別為225和195 MPa。工藝一與工藝三最大焊接殘余應力相差32.31%，工藝二與工藝三相差15.38%。建議采用工藝三進行直縫管段焊接。

2.2 現場組裝環形焊縫的焊接工藝與殘余應力計算分析

鋼管段運輸到工地后，采用環焊縫連接成整個管線，組裝環形焊縫設計了兩種工藝：工藝一為兩個工人對稱施焊；工藝二為一個工人焊一圈。計算得出焊接殘余應力如圖6所示。

環形焊縫工藝一和二的最大焊接殘余應力分別為165和102 MPa。工藝一與工藝二最大焊接殘余應力相差61.76%。

由以上計算結果可知，采用合適的焊接工藝和方法可以大幅度減小焊接產生的殘余應力值。通過最大焊接殘余應力、應力分布等方面的比較，直縫建議采用工藝三進行焊接，環縫建議采用工藝二進行焊接。

圖4 理想彈塑性的應力應變曲線Fig.4 The stress-strain curve of ideal elastic-plasticity

圖5 3種直縫工藝焊接殘余應力Fig.5 The welding residual stress of straight seam welding by three kinds of technology

圖6 兩種環縫工藝焊縫殘余應力Fig.6 The welding residual stress of girth welding by two kinds of technology

3 焊接殘余變形分析

焊接殘余應力會產生焊接變形，分為“收縮”、“變形”或“翹曲”[12]。焊接產生的殘余應力與殘余變形會相互協調，殘余變形若得到了釋放，殘余應力變小；殘余變形若被約束，殘余應力就變大。

由于青海省云谷川壓力鋼管采取的是單面V形坡口全熔透焊縫，壓力鋼管的主要變形為焊接產生的縱向即Z方向的殘余變形，及環向即XY平面的殘余變形，各方案構件縱向及環向的殘余變形數據如表4所示。

鋼管圓度誤差的評定方法：在滿足某種條件下，確定一中心點，以該中心點為圓心作最大內接圓和最小外接圓，兩同心圓的半徑之差即為圓度誤差值。常用的鋼管圓度 的計算公式[13]為：

(3)

標準壓力鋼管的圓度按以上計算公式計算為3.92%，各工藝圓度分別為3.96%、3.96%、3.96%、3.92%、3.92%，圓度誤差分別0.308、0.314、0.301、0.011、0.020 mm。由于圓度誤差較小，滿足《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》(GB/T14976-2012)有關鋼管圓度的相關規定[14]，可不進行校正。

表4 焊縫的殘余變形數值 mm

各焊接工藝直縫焊接殘余總變形如圖7所示，環縫焊接殘余變形如圖8所示。

由圖7可以看出，工藝一焊接產生的殘余變形最大值為0.572 mm，工藝二和工藝三分別為0.655和0.575 mm。工藝二與工藝一相差14.51%，工藝三與工藝一相差0.52%。總體焊接變形不大，制作下料時可不留焊接余量。

由兩個環形焊縫有限元分析變形圖圖8可以看出，工藝一和工藝二的最大變形分別為0.061和0.249 mm，焊接殘余變形均較小。

由于結構的脆性破壞經常在低溫環境下發生，在低溫下工作或制作安裝的鋼結構構件，應進行防脆斷設計。鋼結構連接構造和加工工藝的選擇應減少結構的應力集中和焊接約束應力，避免焊縫過分集中或多條焊縫交匯[1]。鋼管段用環形焊縫焊接成整體時，保證相鄰的兩個管段的直焊縫錯開，焊縫間有一定的距離。綜合以上分析，建議直縫采用工藝三、環縫采用工藝二進行焊接。

圖7 3種直縫工藝焊接變形Fig.7 The welding deformation of straight seam welding by three kinds of technology

圖8 兩種環縫工藝焊縫變形Fig.8 The welding deformation of girth welding by two kinds of technology

4 結 語

焊接殘余應力是壓力鋼管在生產或施

工過程中不可避免的缺陷，其對結構構件的強度和剛度等有較大影響。通過對云谷川壓力鋼管的焊接殘余應力和焊接變形有限元模擬計算和對比分析可見：對大型焊接鋼管不同的焊接工藝產生的焊接殘余應力和焊接殘余變形差別較大，應通過對比分析選用合理的焊接工藝。

對于云谷川壓力鋼管直縫焊接建議采取本文擬定的第三種工藝，采用35°全熔透坡口焊，通過從中間到兩端循環對稱焊。對于拼裝環形焊縫焊接順序建議采取擬定的第二種工藝，直接焊一圈。

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