管道環焊縫焊接及焊后熱處理過程模擬分析

李志宏 于 磊

（安徽省特種設備檢測院）

焊接是壓力管道系統最為常用的熱加工工藝，焊接質量直接關系到管道的服役安全性與可靠性。 大量實踐證明，焊接接頭是壓力管道系統最為薄弱的部位之一，而焊接殘余應力是導致焊接接頭產生氫致裂紋、脆性斷裂、疲勞斷裂和應力腐蝕斷裂的重要因素［1，2］。 因此，有效控制焊接殘余應力，準確把握焊接接頭中焊接殘余應力的大小、 分布等對管道的安全服役具有重大意義。焊接模擬作為一種有效獲取焊后殘余應力與殘余變形的方法，被大量專家學者所使用，由此產生許多有價值的科研成果［3～5］。

1 12Cr1MoVG 焊接過程模擬

1.1 焊接工藝

材料為12Cr1MoVG 的兩個管段， 每段長度均為0.5 m，管段外徑60 mm，壁厚9 mm，采用氬弧焊打底后焊條電弧焊填充蓋面的工藝進行焊接，坡口形式為V 形（圖1），間隙尺寸為2 mm，鈍邊高度為1 mm， 坡口角度為55°， 焊接3 層（道），每層（道）的焊接規范見表1。

圖1 焊接坡口形式示意圖

表1 12Cr1MoVG 鋼管焊接規范

1.2 焊接熱物性能參數

焊接過程模擬屬于高度非線性瞬態模擬過程，在實際焊接過程中材料的物理性能會隨著溫度的變化而變化， 根據12Cr1MoVG 鋼管的化學成分等信息并利用JMatPro 軟件獲得的熱物性能參數如圖2 所示。

圖2 12Cr1MoVG 鋼管熱物性能參數

1.3 有限元模型建立與網格劃分

以管道中心所在軸線為對稱軸建立2D 軸對稱模型，為兼顧計算精度和運算效率，對所關心的區域即焊縫及其附近受熱影響的區域劃分細的網格，管道遠端則劃分粗的網格，中間實現由細到粗的網格過渡劃分方法。 有限元模型使用的網格單元類型為CAX4RT，共有單元3 212 個。有限元模型的網格劃分如圖3 所示。

圖3 有限元模型的網格劃分

1.4 焊接過程模擬分析思路

采用熱-力完全耦合方式進行模擬分析，即焊接過程中不僅考慮溫度場對應力場產生的影響，同時又考慮到應力場對溫度場的影響，分析過程中使用的網格單元兼有溫度和位移的自由度。 這種分析方式相對于先計算溫度場然后計算應力場即熱-力順序耦合方式來講， 其計算精度較高。

為更好模擬實際焊接材料的填充過程，采用“生死單元”控制技術。 焊接之前位于焊縫處的單元是不存在的，處于“被殺死”狀態，隨著焊接熱源的周向移動，各層（道）中的焊縫單元被逐步激活，賦予其材料屬性并使其參與運算分析，而未被激活的單元則不參與運算。

模型設置焊縫金屬的起始填充溫度為1 500 ℃，采用斜坡加載方式。 焊件初始溫度為20 ℃，焊接過程中同時考慮熱傳導、對流和輻射作用。 管道兩端設置位移/轉角邊界條件以限制剛體位移達到分析收斂且不產生因剛體位移帶來的分析精度問題［6］。

2 12Cr1MoVG 焊后熱處理過程模擬

2.1 焊后熱處理工藝

焊后熱處理具體方式為焊后消應力退火熱處理，分為整體熱處理和局部熱處理兩種，因焊件較小，采取整體爐內消應力退火熱處理，其工藝參數主要包括進爐溫度、 進爐后加熱速率、熱處理溫度、保溫時間、出爐前降溫速率和出爐溫度。 這里進出爐溫度均為300 ℃，加熱速率和冷卻速率參照文獻［7］，當熱處理溫度為750 ℃時的爐內消應力退火熱處理工藝曲線如圖4 所示。

圖4 爐內消應力退火熱處理工藝曲線

2.2 焊后熱處理過程模擬分析思路

焊后熱處理過程的模擬分析以焊接過程模擬分析結果的應力場作為焊后熱處理過程模擬的初始載荷狀態。 為比較不同熱處理溫度下的消除應力效果， 選取600～750 ℃之間以25 ℃為溫度間隔的一系列溫度值進行模擬分析。

3 模擬結果及結果分析

3.1 焊接溫度場

圖5 為焊接完成后焊縫截面的溫度場云圖，施加的等密度焊接熱源溫度為1 500 ℃，3 道焊縫 上69#、116#、179#3 個 節 點 處 的 焊 接 溫 度 循 環歷程如圖6 所示。

圖5 焊接完成后焊縫截面的溫度場云圖

圖6 焊縫上3 個節點處的焊接溫度循環歷程

由圖6 可以看出，焊接熱源的輸入是一個極不均勻的熱輸入過程，先受熱位置處的溫度急劇升高，然后隨著熱源的離開溫度逐漸降低。 這種局部加熱-熔化-冷卻的劇烈變化過程決定了焊接過程和焊縫形成后特有的應力應變場即焊接殘余應力與殘余應變場。

3.2 殘余等效應力

經750 ℃熱處理后焊縫的殘余等效應力分布如圖7 所示。 由圖7 可看出，管道環焊縫及其附近區域等效應力均為拉應力， 應力峰值達到268.4 MPa；經熱處理后殘余等效拉應力峰值降低到134.6 MPa，降幅為49.9%。

圖7 熱處理前/后殘余等效應力分布云圖

為比較不同熱處理溫度下的殘余應力消除情況，分別模擬了600～750 ℃之間以25 ℃為溫度間隔的熱處理情況。 通過記錄不同熱處理溫度下的殘余等效應力峰值， 得到了不同熱處理溫度下的殘余等效應力消除情況，結果如圖8 所示。 由圖8可看出，當熱處理溫度為600、625、650 ℃時，熱處理效果基本一致， 殘余等效應力降低約13%；隨著熱處理溫度的進一步升高，殘余等效應力消除效果進一步加大。 這是因為隨著熱處理溫度逐漸逼近下臨界相轉變溫度，產生附加塑性變形和高溫蠕變使得應力進一步松弛所致。

圖8 不同熱處理溫度下的殘余等效應力峰值

3.3 內表面殘余應力

以沿著管道軸線方向的應力作為軸向應力，沿著焊縫圓周方向的應力作為環向應力，750 ℃溫度下熱處理前/后其內表面軸向殘余應力與環向殘余應力分布如圖9 所示。 由圖9 可看出，熱處理前/后焊縫及其附近區域內表面軸向殘余應力和環向殘余應力均為拉應力，環向殘余應力峰值大于軸向殘余應力峰值，離開該區域后軸向殘余應力和環向殘余應力均由拉應力轉變為壓應力，在遠離該區域的部位軸向殘余應力與環向殘余應力均趨于零；熱處理前內表面軸向殘余拉應力峰值為192.1 MPa,熱處理后內表面軸向殘余拉應力峰值降為73.8 MPa，降低幅度為61.6%；熱處理前內表面環向殘余拉應力峰值為312.5 MPa，熱處理后內表面環向殘余拉應力峰值降為150.8 MPa，降低幅度為51.7%；熱處理前內表面環向殘余壓應力峰值為232.7 MPa,熱處理后內表面環向殘余壓應力峰值降為149.2 MPa， 降低幅度為35.9%； 熱處理對改善內表面軸向壓應力的作用幾乎為零；熱處理在降低內表面焊縫及其附近區域拉應力作用方面效果顯著。

圖9 熱處理前/后內表面軸向和環向殘余應力分布

750 ℃溫度下熱處理前/后外表面軸向殘余應力與環向殘余應力分布如圖10 所示。 由圖10可看出，熱處理前/后焊縫及其附近區域外表面軸向殘余應力為壓應力，熱處理前/后焊縫及其附近區域外表面環向殘余應力為拉應力，離開該區域后軸向殘余應力由壓應力轉變為拉應力、環向殘余應力由拉應力轉變為壓應力， 在遠離該區域的部位軸向殘余應力和環向殘余應力均趨于零；熱處理前外表面軸向殘余壓應力峰值為225.6 MPa,熱處理后外表面軸向殘余壓應力峰值降為114.8 MPa，降低幅度為49.1%； 熱處理前外表面環向殘余拉應力峰值為239.3 MPa， 熱處理后外表面環向殘余拉應力峰值降為146.0 MPa， 降低幅度為39.0%； 熱處理前外表面軸向殘余拉應力峰值為189.0 MPa，熱處理后外表面軸向殘余拉應力峰值降為122.3 MPa，降低幅度為35.3%；熱處理前外表面環向殘余壓應力峰值為92.6 MPa，熱處理后外表面環向殘余壓應力峰值降為44.4 MPa，降低幅度為52.1%； 熱處理對改善外表面壓應力相對于拉應力效果較為顯著。

圖10 熱處理前/后外表面軸向和環向殘余應力分布

綜上所述，熱處理雖然不能改變內/外表面軸向殘余應力和環向殘余應力分布形態，但能起到減小并均勻軸向應力和環向應力的作用，可使應力分布區間進一步變窄；熱處理在改善內表面焊縫及其附近區域拉應力方面效果顯著，在改善外表面壓應力方面效果顯著。

4 結束語

管道環焊縫及其附近區域等效應力為拉應力；高溫產生的附加塑性變形和蠕變能使得應力進一步松弛， 因此對12Cr1MoV 鋼管道焊后熱處理應盡量選擇較高的熱處理溫度；熱處理雖然不能改變內外表面殘余應力分布狀態，但能起到減小并均勻應力的作用，可使應力分布區間進一步變窄；熱處理在改善內表面焊縫及其附近區域的拉應力方面效果顯著，在改善外表面壓應力方面效果顯著。