API X65深水海底管道J形鋪設(shè)橫向焊接變形

李明朝，李光泉，周燦豐，陳智，周珍珍

(1.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東 東營 257017；2.中石化石油工程技術(shù)服務(wù)有限公司，北京 100000；3.北京石油化工學(xué)院，能源工程先進連接技術(shù)研究中心，北京 102617；4.哈爾濱焊接研究院有限公司，哈爾濱 150028)

0 前言

海底管道鋪設(shè)采用的方法主要包括卷筒鋪設(shè)、S形鋪設(shè)和J形鋪設(shè)。J形鋪設(shè)通過垂直鋪管架將管道送到海底，下放過程中管道呈大寫字母J形。當(dāng)水深超過1 500 m時，J形鋪設(shè)與S形鋪設(shè)相比具有鋪管船結(jié)構(gòu)緊湊、推進器功率要求低等優(yōu)點[1]。因為J形鋪設(shè)在深水具有突出競爭優(yōu)勢，在工程中得以迅速發(fā)展，其相關(guān)研究也相當(dāng)活躍[2-10]。

J形鋪設(shè)因為鋪管架上的管道長度達到48～72 m而且處于垂直位置，背面不加襯墊，屬于橫向位置單面焊接雙面成形[11]。海底管道對焊接質(zhì)量有嚴(yán)格的要求，有一系列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對其進行了規(guī)定[12-14]，焊接變形是多道焊面臨的主要問題之一，而這個問題對于J形鋪設(shè)窄坡口、橫向位置單面焊接雙面成形而言更是應(yīng)該重視。SYSWELD是在考慮材料力學(xué)性能與溫度有關(guān)的焊接熱彈塑性分析理論的基礎(chǔ)之上發(fā)展的焊接專用軟件，其主要支撐理論包括Goldak等人[15]開發(fā)的雙橢球熱源模型描述GMAW焊熱源，以及Leblond等人[16]開發(fā)的相變模型。文中依托焊接應(yīng)力與變形分析理論，在SYSWELD軟件中以焊縫截面平均熱循環(huán)曲線作為加載熱源，采用二維截面有限元模型進行了API X65管線鋼鋼板橫向多道焊焊接變形與應(yīng)力仿真，開展了焊接變形試驗驗證，研究表明仿真果大致吻合試驗結(jié)果，多道焊的最終焊接變形主要取決于前面幾道焊縫。

1 焊接應(yīng)力與變形分析理論

瞬態(tài)熱輸入的高度集中對整個焊接過程及焊后工件帶來大量的焊接殘余應(yīng)力及變形。焊接數(shù)值模擬是一個非線性問題，主要是幾何非線性和材料非線性，但是由于有限元法在空間上的離散作用，求解焊接應(yīng)力場就變成了計算材料非線性的瞬態(tài)問題。

1.1 米塞斯屈服準(zhǔn)則

米塞斯(Von Mises)屈服準(zhǔn)則的原理是金屬材料若發(fā)生塑性變形，則單位體積內(nèi)的變形能須累積到一定臨界值，該值只與材料有關(guān)，而與應(yīng)力狀態(tài)無關(guān)。根據(jù)文獻[17]，其判斷式為方程(1)。

(1)

式中：σ1，σ2，σ3是三維空間三個正交方向的主應(yīng)力；σs是單向拉伸時的屈服極限。

材料進入屈服極限后繼續(xù)若繼續(xù)加載，這時的應(yīng)變增量則分為兩部分：一是彈性應(yīng)變增量{dξ}e，一是塑性應(yīng)變增量{dξ}p，等效應(yīng)變定義為方程(2)。

(2)

式中：εx，εy，εz為空間里三個正交方向的主應(yīng)變；μ為泊松比。

1.2 熱彈塑性理論

熱彈塑性分析法通過實時求解溫度場來計算熱應(yīng)變與應(yīng)力，是研究焊接應(yīng)力與應(yīng)變的主要方法。對于瞬態(tài)熱分析，可將溫度梯度值最大的時間節(jié)點溫度作為載荷分析結(jié)構(gòu)應(yīng)力，考慮材料在不同屈服狀態(tài)下溫度場對應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果的影響。

根據(jù)文獻[18]，材料熱彈塑性的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系用矩陣的形式表示為方程(3)。

{dσ}=[D]{dε}-{C}dT

(3)

式中：[D]為彈塑性矩陣；{C}為溫度相關(guān)相量。

對于計算模型中的某一單元，其平衡方程為方程(4)。

{dF}e+{dR}e=[K]e{dδ}e

(4)

式中：{dF}e是單元節(jié)點力增量；{dR}e是由溫度變化導(dǎo)致的單元初始應(yīng)變等效節(jié)點力增量，{dδ}e為節(jié)點位移增量，[K]e為單元剛度矩陣。

2 API X65管線鋼板橫向焊接應(yīng)力與變形數(shù)值仿真

2.1 焊縫截面平均熱循環(huán)曲線的提取

焊接熱循環(huán)曲線是一條溫度-時間變化曲線，表征節(jié)點在一個完整的焊接過程之中，溫度上升和下降歷程。在焊接數(shù)值仿真中，它既是三維單元模型單道焊仿真的結(jié)果，也可以作為二維單元截面模型多道焊仿真的熱源型式。如圖1所示，在SYSWELD軟件中，提取焊接熱循環(huán)曲線的方法是：完成三維單元模型焊接仿真模擬后，選取一個截面的節(jié)點，以溫度為縱坐標(biāo)、時間為橫坐標(biāo)建立坐標(biāo)系，顯示如圖1a包含所有焊縫節(jié)點的一系列曲線，利用Display面板的Averaging命令求出該組曲線的平均曲線，如圖1b所示，然后將該平均曲線作為二維單元截面模型多道焊仿真的加載熱源。

圖1 熱循環(huán)曲線

2.2API X65管線鋼板材多道焊焊接工藝參數(shù)

APIX65板材外觀尺寸為300 mm×60 mm×17.8 mm，坡口為海底管道鋪設(shè)中常用的機加工窄坡口，其參數(shù)如圖2所示，該坡口的優(yōu)點是焊接效率高、填充量小、焊接熱影響區(qū)窄。圖3是該板材的三維模型。前期研究中，進行了板材與管道整圓的六分之一部分的焊接溫度場對比研究，二者材料、厚度、坡口參數(shù)相同，二者焊接溫度場數(shù)值計算結(jié)果高度一致。所以，如果采用相同的約束條件，則二者焊接變形的趨勢應(yīng)該是一致的。當(dāng)然，如果是完整的管道，則還需進一步的研究。

圖2 焊接坡口圖

圖3 三維模型

多道焊是一個對焊縫循環(huán)冷卻和加熱的過程，隨著層間溫度的升高，焊縫t8/5時間變長，導(dǎo)致晶粒粗化，焊接接頭質(zhì)量降低。綜合考慮焊接效率和焊接接頭性能、選擇層間溫度為150 ℃，觀察焊接熱循環(huán)曲線可知對應(yīng)層間間隔時間為60 s。焊接工藝是熔化極氣體保護自動焊，焊接位置為橫向，焊接工藝參數(shù)見表1。

2.3 多道焊數(shù)值仿真

2.3.1約束條件

采用ESI公司的前處理專用網(wǎng)格劃分軟件Visual environment進行模型網(wǎng)格劃分，板材橫截面網(wǎng)格如圖4a所示，其特點是起弧和收弧階段焊接熱流密度變化較大，因而網(wǎng)格劃分較密。板材通過壓板施加約束，在SYSWELD軟件中的表達如圖4b所示。通過二維截面來模擬和分析焊件橫截面的變形，壓板約束的特點是約束點的應(yīng)力大大增加，變形為零，離約束位置越遠則變形越大。

表1 焊接工藝參數(shù)

圖4 橫截面網(wǎng)格及約束條件(mm)

2.3.2多道焊變形仿真

采用SYSWELD焊接向?qū)гO(shè)置焊接工藝及其多道焊模塊設(shè)置焊接間隔時間及計算方法進行多道焊仿真[19]。通過后處理云圖顯示，將每道焊接后的截面圖如圖5及圖6所示，自由端最大變形值演變曲線則如圖7所示。

圖5 打底焊后至第四道焊后的變形(mm)

圖7 焊接變形曲線

2.3.3多道焊應(yīng)力仿真

通過后處理云圖顯示，多道焊殘余應(yīng)力分布如圖8所示。

圖8 不同時間平均殘余應(yīng)力分布(MPa)

3 API X65管線鋼板材橫向焊接試驗

橫向焊接試驗系統(tǒng)如圖9所示，焊接電源是TPS4000數(shù)字化焊接電源，自動焊接小車通過與直線導(dǎo)軌的嚙合而在處于垂直位置的焊接變位機上實現(xiàn)水平移動，板材通過快速夾具固定在焊接變位機上。

采用與數(shù)值仿真相同的API X65管線鋼鋼板、相同的多道焊焊接工藝參數(shù)。焊接完成之后選擇焊件自由端最下方節(jié)點為參照點，該點對應(yīng)于SYSWELD軟件仿真中的編號為34154的節(jié)點，實測其變形量為5 mm，如圖10所示。

圖9 橫向焊接試驗系統(tǒng)

圖10 橫向多道焊鋼板焊接變形

4 討論

API X65管線鋼鋼板GMAW橫向多道焊最終焊接變形實測值為5 mm，計算值為圖6h所示的4.41 mm，誤差為14%，模擬結(jié)果大致吻合試驗結(jié)果。存在的誤差主要原因：①焊接試驗中橫向焊接熱流分布因為熔池向下流淌而與SYSWELD仿真中的均勻分布假設(shè)不符合；②二維截面模型的計算精度不夠；③焊接試驗中的約束是有間隔的數(shù)個夾板固定而不是SYSWELD仿真中的整塊夾板固定；④熱循環(huán)曲線法比移動熱源法的熱輸入小。

二維截面有限元模型可以定量計算多道焊變形結(jié)果，在多道焊焊接過程中，前面幾道焊縫對最終焊接變形影響大，而后面幾道焊縫影響小。根據(jù)圖6所示的焊接變形仿真結(jié)果，第一層的變形最大值是2.75 mm，第二層為3.77 mm，第三層為4.76 mm，焊接完成后的變形是4.41 mm。前三層基本決定了整個變形的大致輪廓與數(shù)值，后面幾層的變形影響相當(dāng)小，甚至有時隨著焊縫道數(shù)的增加變形反而減小的情況。

焊接最終變形分為兩部分：一是在焊接過程中產(chǎn)生的基礎(chǔ)變形；二是焊件中殘余應(yīng)力釋放產(chǎn)生的變形補償。根據(jù)圖8所示的焊接應(yīng)力仿真結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)在自由端沒有殘余應(yīng)力，而在焊縫中心、熱影響區(qū)和過渡區(qū)都是受到較大的殘余拉應(yīng)力、而釋放這些殘余拉應(yīng)力會促使材料從焊縫中心向外擠，從而抵消焊接的基礎(chǔ)變形。在前幾層焊接中，焊接的基礎(chǔ)變形大，殘余應(yīng)力釋放引起的變形補償不明顯。在后幾層焊接中，已填充的焊縫改變了結(jié)構(gòu)的整體剛度，對焊接的收縮變形有緩沖作用，基礎(chǔ)變形減少，而由殘余應(yīng)力釋放產(chǎn)生的變形補償就比較明顯地抵消了一部分焊接變形。

5 結(jié)論

(1)以焊縫截面平均熱循環(huán)曲線作為加載熱源，采用二維截面有限元模型可以定量計算多道焊變形結(jié)果，模擬結(jié)果大致吻合試驗結(jié)果。

(2)橫向多道焊模擬結(jié)果與試驗結(jié)果之間存在的誤差，主要因素包括熱流分布、二維截面模型的計算精度、約束及熱循環(huán)曲線自身特點。

(3)在多道焊焊接過程中，前面幾道焊縫對最終焊接變形影響大，而后面幾道焊縫影響小。

(4)在多道焊焊接過程中，前幾層焊接中焊接的基礎(chǔ)變形大，后幾層焊接中由殘余應(yīng)力釋放產(chǎn)生的變形補償明顯地明顯地抵消了一部分焊接變形。