焊缝余高对复合型坡口X80管线钢多层多道焊接残余应力的影响 .pdfVIP

焊缝余高对复合型坡口X80管线钢多层多道焊接残余应力的影

响

0序言

X80作为石油与天然气长输管线中当前应用最广泛的管线钢，无

论是在管线钢管成形、施工还是修复中，均依赖于焊接这一关键技术

来完成，并且绝大部分采用自动焊接或半自动焊接方法实现，焊道大

多数为多层多道焊接[1-2].多层多道焊接中通常存在焊缝余高，这主要

是因为最后一层焊接可以起到保温和缓冷的作用，对细化晶粒、减少

焊接应力有利，同时焊缝余高也是气孔等杂物的收集区.然而，焊缝余

高的存在也会形成应力集中，对焊接接头的服役可靠性和安全性不利

[3].因此，研究焊缝余高的综合影响至关重要.

基于热-弹-塑性力学理论的计算机数值模拟方法可以为快速、精

确预测焊后残余应力的大小和分布提供了有力支持[4-8].目前，虽然关

于X80管线钢的数值模拟已有一些报导，但大多并未关注焊缝余高对

焊接残余应力的影响，而针对多层多道焊接时余高的影响更为少见.为

此，文中采用大型通用非线性有限元软件MSC.Marc，编写三维有余

高和无余高两种不同情况的热-弹-塑性力学有限元计算程序，对平板

X80管线钢复合坡口多层多道焊接进行温度场和应力场的模拟计算，

并进一步分析焊后残余应力的分布情况，探讨多层多道焊接时焊缝余

高对X80中厚板焊接接头残余应力的影响，以期为优化焊接工艺和提

高接头服役可靠性提供有价值的指导和参考.

1焊接参数与模型建立

1.1焊接试验参数

模拟选择的X80管线焊接试样尺寸为200mm×100mm×18.4

mm，室温下，其屈服强度为555MPa，抗拉强度为625～825MPa，

弹性模量为206GPa，泊松比为0.3.采用如图1所示U-V复合型坡

口，焊接包括根焊、热焊、填充焊和盖面焊几个部分，为典型的多层

多道焊.

图1复合型坡口和焊道分布(mm)

Fig.1U-Vcompositeweldinggrooveandweld-bead

distribution

采用四川油建公司工程现场熔化极气体保护焊(GMAW)所用焊接

工艺参数，取其平均值如表1所示.焊接前在坡口左右50mm处预热

100～120℃，层间温度控制在100～150℃.

表1X80管线钢试样焊接工艺参数

Table1WeldingparametersofX80pipelinesteel

平均电弧电压U/V焊道层数平均焊接电流I/A平均焊接速度

v/(mm·s-1)根焊1200241.167热焊1250244.000填充焊3220

242.667盖面焊2200241.333

1.2数学模型

采用如图2所示的双椭球体热源模型，ar，af，b，c为热源形状

尺寸.

图2双椭球热源模型(mm)

Fig.2Double-ellipsoidheatsourcemodel

焊接传热控制方程为

式中：为导热系数；为比热；为密度；为温度；

为内热源；t为时间；为表面对流换热系数；为黑体的辐射

系数；为环境温度.

多主体梯级水电参与日前市场下游电站自调度投标策略//张粒子,

刘方,许通,蒋燕,李秀峰,徐宏//(19):27

焊接过程中，X80管线钢经历局部瞬态高热和快冷，有限元模型

所赋予的材料属性均随着温度的变化而变化，图3所示为X80的物理

性能随温度变化的曲线[9].文中未考虑焊接过程中固态相变的影响，材

料的力学行为假设为各向同性的弹-塑性变化，则总的应变可由以下三

部分组成，即

⑱US－SingaporeFTA，Article12．3．2;US－AustraliaFTA，

Article14．4．

式中：为总应变；