考慮焊接順序的在役管道焊接溫度與應力場關系分析

趙春輝 劉 超 李 磊 明廷宏

（國家石油天然氣管網集團西氣東輸公司南京應急搶修中心，南京 210046）

石油和天然氣管道建設不斷發展，但事故頻發。在役焊接技術的出現改變了這一現象，以高效、環保和經濟等優點避免了管道停運的問題，被廣泛應用于石油和天然氣管道的修復和改造[1]。焊接工藝對焊接質量有較大影響，因此研究在役天然氣管道焊修過程中的角焊、堆焊的溫度場和應力場，并分析在役管道焊接溫度與應力場關系，以期為管道焊接及維修提供參考。

1 在役焊接過程分析

1.1 在役焊接數值模型

天然氣管道按其焊接順序可分為堆焊和角焊兩種工藝。堆焊工藝是先對焊管進行堆焊，然后在焊管上焊接修復套。角焊工藝是從第一次焊接開始，直接將修復套焊接到焊管上。

由于管道采用軸對稱模型，因此假定管道由4 名焊工進行對稱焊接。考慮到模型的對稱性，選擇1max4 有限元模型作為分析對象。按照API 1104《管道及相關設施的焊接》關于在役焊接不同管壁厚度產生火焰的可能性標準和ASMEB 8Mel—2010《燃氣輸配管道系統》中關于在役焊接結構尺寸的規定，分析對象為內徑234mm、長度200mm、壁厚6.5mm 的管道。

1.2 邊界條件

1.2.1 焊接溫度場的計算

模擬分析焊縫溫度場是分析焊縫應力場的基礎。焊縫熱處理決定著焊縫的殘余應力和變形。對焊接熱過程進行三維有限元模擬的結果表明，熱源運動、焊件表面對流與輻射、局部快速加熱與冷卻是非線性的復雜過程。焊縫熱源集中程度高，溫度場分布極不均勻且不穩定，使得焊縫熔池內局部最高溫度可達到金屬蒸發溫度，因此焊接傳熱是典型的不穩定傳熱問題。

關于三維傳熱問題的微分方程為：

式中，Hp代表總潛熱，單位為J/kg；Hi代表第i 個單元體積的相變潛熱；Δ ζb代表第b 個單元體積的變化量。

1.2.2 熱源模型

焊接熱源模型的建立和焊接溫度場的模擬是焊接數值模擬的重要內容。在焊接過程中，特別是在熱源附近，熱源模型的選取是否合理直接影響瞬態焊接溫度場的計算精度[2]。本課題采用高斯分布的熱源模型，熱源分布函數如下：

式中，r 代表離開熱源中心的距離，r-代表電弧有效加熱半徑，qm代表最大比熱流。

1.2.3 潛熱處理

焊后金屬在焊接過程中會經歷加熱和冷卻的熱循環，導致固體和液體之間會發生相變，而相變潛熱會對分析溫度場和由溫度變化引起的應力-應變場產生影響。固體-液體轉變是熱處理過程的重要組成部分，但是固體-液體轉變對熱處理過程影響不大。

2 施加載荷

2.1 生熱率

本文采用熱失效加載形式。熱生成率作為一種總負荷，可以用來模擬化學反應或電流熱生成率，以單位體積的熱流量來表示[3]。研究過程需確定焊接熱源運動過程每一時刻熱源作用區內所有節點的生熱率，并求解問題，最后寫出加載方程。這通過調用帶有時間項的加載方程來實現。當生熱量從一個時間步長移動到另一個時間步長時，求解器自動從方程中讀取下一個時間步長各節點的生熱量，并覆蓋前一個。在載荷作用下，電弧作為熱源在焊縫內連續移動。

2.2 管道環焊縫接頭殘余應力分布的形成機理和特征

管道環焊縫殘余應力的分布特點和形成原因主要涉及3 個方面。第一，研究異種鋼管焊接環對接時，因為軸向熱縮產生的應力幾乎不受軸向的約束，并可以沿軸向自由變形，所以軸向熱縮產生的應力很小。第二，周向熱脹冷縮產生的應力不能自由膨脹，因為焊接金屬的圓周向膨脹與板材在加熱時的縱向膨脹相等，引起壓縮塑性變形，在冷卻時產生相反的約束作用。焊接冷卻引起的圓周收縮使管徑減小，并受到管道形狀本身的限制，使得管內表面比管外表面限制更大，因此接頭內表面的周向拉力一般比外表面的周向拉力大。第三，由于管道壁厚較小，一般認為管道外表面和內表面的溫差較小，而厚度方向的熱脹冷縮產生的應力基本相同，因此厚度方向的溫差應力較小，軸向和周向應力無明顯變化。

3 結果分析

分析預熱溫度下對管道焊后管內表面的周向殘余應力，它們的關系曲線如圖1 所示。

圖1 焊接溫度與應力場關系分析

通過分析圖1 發現，在焊縫加熱過程中，3 種預熱溫度下的最高溫度隨預熱溫度的高低排列，且達到最高溫度的時間相同。在冷卻過程開始時，3 種預熱溫度對冷卻速率的影響較明顯，但一定時間后接頭溫度趨于一致，說明3 種情況下的蓋焊接頭溫度差基本消失，即層間溫度基本相同。

4 結語

通過分析在役管道焊接溫度與應力場關系得到了相應結論，以期為石油和天然氣管道的修復和改造提供幫助。后續還將做進一步的深入研究，以推動石油和天然氣管道建設的發展。