坡口角度對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、化工等領域，在管道焊接過程中局部受到熱源影響，產生焊接殘余應力進而導致變形，文章就此闡明了焊接變形控制方案，為更好服務工程實踐提供參考。

關鍵詞：X80;焊接變形;殘余應力

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用。在X80鋼管道焊接作業中，焊接接頭受熱易發生內部組織變化，不可避免有內部應力殘余。殘余應力過大會導致腐蝕開裂，在實際應用中對管道質量和安全性造成較大影響，縮短管道使用壽命，因此，減小焊接殘余應力是焊接工程中的重要研究課題。

1 主要研究內容

以壁厚為18.4mm、直徑為1219mm、屈服強度為570MPaX80管道對接焊作為研究對象，使用ANSYS有限元軟件利用生死單元技術，并考慮材料在高溫時非線性特性的前提下利用熱結構間接耦合法對管道多道焊進行仿真模擬計算得出X80材料的焊接溫度場、應力場和變形的結果。通過對結果的分析，得出管道多道焊接的優化方案。

2 設計思路

優化方案，通過改變坡口角度（60°、90°、120°等）進一步模擬計算焊接工藝優化后的溫度場、應力場和變形，將所得結果與優化前做對比。三坐標測量儀測得變形值，將試驗所得結果與模擬計算值進行比較，發現試驗與模擬值基本吻合，從而驗證數值模擬計算結果的準確性和可靠性，同時也為將來開展管道維護及檢修積累經驗。

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坡口角度為40°和45°。40°和45°都能被360°整除，可以用于熱源計算，通過三個不同的坡口角度對比也能夠較好的反映變形分布規律。40°、45°、60°V形坡口焊接變形。

3.1 網格劃分

（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）設置所有線的剖分細度或者等分數，在對面或者體進行掃掠劃分或者自由劃分，常見的命令有：vsweep、vemsh;

（3）建立一個面，對面進行網格劃分，在拉伸成具有網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比如彈性模量，屈服應力、導熱系數、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并不全，尤其是在高溫區域，比熱容和熱導率等還隨著實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。

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很小的因子，因子默認值為1.0E-6。死單元的單元載荷為0，從而不對載荷向量生效。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”一個單元，先殺死它，然后在合適的載荷步中重新激活它。當一個單元被重新激活時，其剛度、質量、單元載荷等將恢復其原始數值，重新激活的單元也沒有應變記錄和熱量存儲等。

3.4 應力場和變形模擬

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

4 結束語

此次研究主要利用ANSYS軟件針對X80管道在焊接過程中的溫度場和應力場進行模擬分析，根據模擬結果持續進行優化，給出了優化的方向和具體的方法。證明了數值模擬分析在解決焊接問題中具有可行性，可以較準確地反映殘余應力和變形的分布規律。

參考文獻：

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

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

通訊作者：韓亮