焊接顺序的在役不锈钢焊管焊接温度与应力场关系分析

为准确分析在役不锈钢焊管焊接温度与应力场的关系，采用有限元方法设计了一种在役不锈钢焊管焊接温度与应力场关系的分析方法。通过建立在役焊接数值模型，提出了边界条件，施加载荷并计算生热率和焊接温度场，最后分析不同温度与应力场的关系。

石油和天然气不锈钢焊管建设不断发展，但事故频发。在役焊接技术的出现改变了这一现象，以高效、环保和经济等优点避免了不锈钢焊管停运的问题，被广泛应用于石油和天然气不锈钢焊管的修复和改造。焊接工艺对焊接质量有较大影响，因此研究在役天然气不锈钢焊管焊修过程中的角焊、堆焊的温度场和应力场，并分析在役不锈钢焊管焊接温度与应力场关系，以期为不锈钢焊管焊接及维修提供参考。

1在役焊接过程分析

1.1在役焊接数值模型

天然气不锈钢焊管按其焊接顺序可分为堆焊和角焊两种工艺。堆焊工艺是先对焊管进行堆焊，然后在焊管上焊接修复套。角焊工艺是从第一次焊接开始，直接将修复套焊接到焊管上。由于不锈钢焊管采用轴对称模型，因此假定不锈钢焊管由4名焊工进行对称焊接。考虑到模型的对称性，选择1max4有限元模型作为分析对象。按照API 1104《不锈钢焊管及相关设施的焊接》关于在役焊接不同管壁厚度产生火焰的可能性标准和ASMEB 8Mel-2010《燃气输配不锈钢焊管系统》中关于在役焊接结构尺寸的规定，分析对象为内径234mm、长度200mm、壁厚6.5mm的不锈钢焊管。

1.2边界条件

1.2.1焊接温度场的计算

模拟分析焊缝温度场是分析焊缝应力场的基础。焊缝热处理决定着焊缝的残余应力和变形。对焊接热过程进行三维有限元模拟的结果表明，热源运动、焊件表面对流与辐射、局部快速加热与冷却是非线性的复杂过程。焊缝热源集中程度高，温度场分布极不均匀且不稳定，使得焊缝熔池内局部最高温度可达到金属蒸发温度，因此焊接传热是典型的不稳定传热问题。

1.2.2热源模型

焊接热源模型的建立和焊接温度场的模拟是焊接数值模拟的重要内容。在焊接过程中，特别是在热源附近，热源模型的选取是否合理直接影响瞬态焊接温度场的计算精度。

1.2.3潜热处理

焊后金属在焊接过程中会经历加热和冷却的热循环，导致固体和液体之间会发生相变，而相变潜热会对分析温度场和由温度变化引起的应力-应变场产生影响。固体-液体转变是热处理过程的重要组成部分，但是固体-液体转变对热处理过程影响不大。

施加载荷

2.1生热率

本文采用热失效加载形式。热生成率作为一种总负荷，可以用来模拟化学反应或电流热生成率，以单位体积的热流量来表示。研究过程需确定焊接热源运动过程每一时刻热源作用区内所有节点的生热率，并求解问题，最后写出加载方程。这通过调用带有时间项的加载方程来实现。当生热量从一个时间步长移动到另一个时间步长时，求解器自动从方程中读取下一个时间步长各节点的生热量，并覆盖前一个。在载荷作用下，电弧作为热源在焊缝内连续移动。

2.2不锈钢焊管环焊缝接头残余应力分布的形成机理和特征

不锈钢焊管环焊缝残余应力的分布特点和形成原因主要涉及3个方面。第一，研究异种钢管焊接环对接时，因为轴向热缩产生的应力几乎不受轴向的约束，并可以沿轴向自由变形，所以轴向热缩产生的应力很小。第二，周向热胀冷缩产生的应力不能自由膨胀，因为焊接金属的圆周向膨胀与板材在加热时的纵向膨胀相等，引起压缩塑性变形，在冷却时产生相反的约束作用。焊接冷却引起的圆周收缩使管径减小，并受到不锈钢焊管形状本身的限制，使得管内表面比管外表面限制更大，因此接头内表面的周向拉力一般比外表面的周向拉力大。第三，由于不锈钢焊管壁厚较小，一般认为不锈钢焊管外表面和内表面的温差较小，而厚度方向的热胀冷缩产生的应力基本相同，因此厚度方向的温差应力较小，轴向和周向应力无明显变化。

3结果分析

分析预热温度下对不锈钢焊管焊后管内表面的周向残余应力，它们的关系曲线如图1所示。

通过分析图1发现，在焊缝加热过程中，3种预热温度下的最高温度随预热温度的高低排列，且达到最高温度的时间相同。在冷却过程开始时，3种预热温度对冷却速率的影响较明显，但一定时间后接头温度趋于一致，说明3种情况下的盖焊接头温度差基本消失，即层间温度基本相同。

4结语

通过分析在役不锈钢焊管焊接温度与应力场关系得到了相应结论，以期为石油和天然气不锈钢焊管的修复和改造提供帮助。后续还将做进一步的深入研究，以推动石油和天然气不锈钢焊管建设的发展。