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不銹鋼鋼管多道焊焊縫殘余應(yīng)力模擬分析

文檔作者：李琦康平文檔來源：海工英派爾工程有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年10月21日
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第44卷增刊1
2015年8月
石油化工設(shè)備
PETR0一CHEMICAL EQUIPMENT
Vo1．44 Supplement 1
Aug．2015
文章編號(hào)：1000-7466(2015)增刊1-0012—04
不銹鋼鋼管多道焊焊縫殘余應(yīng)力模擬分析
李 琦，康 平
(海工英派爾工程有限公司，山東青島 266000)
摘要：廣泛應(yīng)用于高強(qiáng)鋼管線接頭的多層多道焊接中，焊接溫度場(chǎng)及殘余應(yīng)力變化相當(dāng)復(fù)雜。利用
有限元方法單元生死技術(shù)建立了多道焊模型。采用熱一結(jié)構(gòu)順序耦合方法，對(duì)SUS304不銹鋼鋼管
進(jìn)行了多道焊焊接模擬，得到了焊接溫度及焊后殘余應(yīng)力分布，可為焊接接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其結(jié)構(gòu)
完整性分析提供參考。
關(guān)鍵詞：不銹鋼鋼管；多道焊；殘余應(yīng)力；有限元；模擬分析
中圖分類號(hào)：TQOSO．406；TG457 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B doi：10．3969／j．issn．1000-7466．2015．S1．004
Residual Stress Sim ulation in M ulti—pass W eld of Stainless Steel Pipes
LI Qi，KANG Ping
(COOEC—ENPAL Engineering Co．Ltd．，Qingdao 2 6 6 000，China)
Abstract：Multi—pass welds are used in pipes with stainless stee1．The complicated temperature
field and residual stresses in these welded structures are very important．The finite element meth—
od is used to simulate residual stress in multi—pass butt—welds．Element birth technique is imple—
mented to model multi—pass welded 304 stainless steel pipes．One—way coupled thermo—mechanical
analysis is adopted to calculate the residual stresses，that the structural analysis takes the temper—
ature distributions as thermal input．The results provide reference for the structure integrity as—
sessm ent of welded pipes．
Key words：stainless steel pipe； multi—channel weld； residual stress； finite element； simula—
tion analysis
多層多道焊廣泛應(yīng)用于高強(qiáng)鋼管線的焊接中，
焊接過程中引起的復(fù)雜溫度場(chǎng)及焊后殘余應(yīng)力對(duì)焊
接結(jié)構(gòu)的性能將產(chǎn)生重要影響。近30 a來，許多學(xué)
者對(duì)焊接過程及其殘余應(yīng)力進(jìn)行了大量研究 J。
Yaghi A H 等概述了焊接過程的數(shù)值模擬方法，詳
細(xì)描述了有限元方法在焊接過程模擬中的應(yīng)用，結(jié)
合有限元方法分析了P91鋼管對(duì)接接頭在軸對(duì)稱
條件下的焊接殘余應(yīng)力 ]。Josefson B L等利用單
元生死技術(shù)，基于熱一應(yīng)力順序耦合方式模擬了焊接
殘余應(yīng)力場(chǎng)，避免了焊縫單元與母材單元之間的位
移或應(yīng)變不匹配問題 ]。Mirzaee—Sisana A 等分
析了汽包部件多層補(bǔ)焊時(shí)所引起的殘余應(yīng)力場(chǎng)，并
進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證 8]。
文中基于有限元分析方法，開展了SUS304不
銹鋼鋼管對(duì)接接頭多道焊的焊接過程模擬，得到了
焊后殘余應(yīng)力場(chǎng)及溫度場(chǎng)。有限元模擬中利用單元
生死技術(shù)，采用熱一結(jié)構(gòu)順序耦合方式進(jìn)行計(jì)算，可
為焊接接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其結(jié)構(gòu)完整性分析提供一
定參考。
1 分析方法
非線性材料的熱應(yīng)力計(jì)算是比較復(fù)雜的，通常
采用熱一結(jié)構(gòu)順序耦合和完全耦合2種方法。焊接
過程本身是以一種完全耦合方式進(jìn)行，但是在能量
收稿日期：2015—03—2O
作者簡(jiǎn)介：李琦(1979一)，女，河北阜平人，工程師，學(xué)士，一直從事壓力容器、儲(chǔ)罐等靜設(shè)備的設(shè)計(jì)工作。
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增刊1 李琦，等：不銹鋼鋼管多道焊焊縫殘余應(yīng)力模擬分析 · 13 ·
平衡方程中，應(yīng)力項(xiàng)對(duì)熱源的作用非常小，可以忽
略。因此，采用熱一結(jié)構(gòu)順序耦合方式分析焊接過程
也是合理的。
1．1 溫度場(chǎng)
對(duì)于均勻且各向同性的連續(xù)體介質(zhì)，當(dāng)其材料
特征值與溫度無關(guān)時(shí)，在能量守恒原理的基礎(chǔ)上，有
熱傳導(dǎo)微分方程 ]：
3T
一一 A V T十 等 (1)
式中，T為溫度，℃ ； 為熱導(dǎo)率，J／(m ·。C·s)；t為
時(shí)間，s；ID為密度，kg／m。；c為比熱容，J／(kg·℃)；
Q 為內(nèi)熱源，J。
有限元分析中需要的對(duì)流邊界條件、表面溫度
T ( )以及表面熱流密度q ( )分別按式(2)～式(4)
進(jìn)行：
q 一a (T— T0) (2)
T 一T (z，Y，z，￡) (3)
q = q (z，Y， ，￡) (4)
式中，q 為單位時(shí)間通過物體單位表面?zhèn)髯叩臒?
量，J／(m ·s)；T。為附體表面的溫度，℃ 為對(duì)流
傳熱系數(shù)，J／(m ·S·℃)。
1．2 應(yīng)力場(chǎng)
不考慮慣性力時(shí)，采用應(yīng)力張量 表示的力平
衡方程為_1。。：
，， 一0 (5)
中已包含熱應(yīng)力項(xiàng)。熱應(yīng)變張量e 為：
￡ =d (丁一 ) (6)
式中，％ 為熱膨脹系數(shù)，l／℃ ；如為克羅內(nèi)克符號(hào)，
i— 時(shí) 一1，i=75j時(shí) —0。
材料的應(yīng)力一應(yīng)變行為可以表示為：
如 一D I(dekl—deEl—d￡ —dEj1) (7)
式中，D 為彈性本構(gòu)系數(shù)張量；de 。、dec 、d￡￡-、d￡
分別為總應(yīng)變、塑性應(yīng)變、蠕變應(yīng)變以及熱應(yīng)變。
2 有限元分析模型
2．1 幾何及網(wǎng)格模型
分析研究對(duì)象為含4道對(duì)接接頭的厚度為
7．1 mm的SUS304不銹鋼鋼管，假定焊縫軸對(duì)稱，
其網(wǎng)格模型見圖1。
圖1 304不銹鋼鋼管多道焊有限元網(wǎng)格模型
2．2 焊接熱源
焊接過程的模擬主要是通過在焊縫單元上施加
一定的內(nèi)熱源。在有限元分析中，內(nèi)熱源采用分布
熱流密度DFLUX施加在焊縫單元上_】 ]。對(duì)于
表面熱源，DFLUX 單位為w／m ；對(duì)于體熱源，
DFLUX單位為w／m。，表示單位體積的熱生成率，
可表示為：
DFLUX一 (8)
y p
式中，'7為熱源效率，0≤ 叩≤1；U為電弧電壓，V；，
為電流，A；V。為焊縫體積，m。。V。是一個(gè)三維參
數(shù)，與施加DFLUX的時(shí)間 有關(guān)。△ 是指在焊
接速度 下沿環(huán)向移動(dòng)通過焊縫體積 所對(duì)應(yīng)的
時(shí)間間隔。
線能量Q為：
Q—UI7 (9)
聯(lián)立式(8)和式(9)，有：
DFLUX一 (1o)
y P
然而，當(dāng)采用軸對(duì)稱模型進(jìn)行分析時(shí)，熱源是一
次性施加在焊縫單元整周的。因此，需確定合適的
時(shí)間間隔△ 和焊縫體積V 。Brickstad和Josefson
等假定了以1／16～1／2 rad掃掠對(duì)應(yīng)的體積估計(jì)焊
縫體積V。[ 。
DFLUX的時(shí)間間隔△ 曲線見圖2。
30
25
皇
g 20
_
童15
弓10
害
5
O
1 2 3 4 5 6 7
時(shí)間／s
圖2 DFLUX隨時(shí)間的變化曲線
采用潛熱描述由焊接熔池所導(dǎo)致的金屬熔融熱
效應(yīng)。熔融金屬的熱導(dǎo)率是雙倍的，以允許對(duì)流激
勵(lì)效應(yīng)。熱邊界條件定義了隨溫度變化的熱對(duì)流系
數(shù)，同時(shí)考慮了熱對(duì)流及熱輻射。有限元分析中的
重要特點(diǎn)是可以利用單元生死計(jì)算模擬焊接過程，
避免熱結(jié)構(gòu)分析中的不相容。
考慮熱損失，在焊縫表面假定了熱輻射和熱傳
導(dǎo)邊界[】。 。輻射損失主要發(fā)生在焊接高溫區(qū)，而
熱傳導(dǎo)損失主要發(fā)生在遠(yuǎn)離焊接區(qū)域的低溫區(qū)。通
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石油化工設(shè)備 2015年第44卷
過用戶子程序，定義隨溫度相關(guān)的傳熱系數(shù) 。當(dāng)0
< T< 500℃ 時(shí)，h一0．68T×10 w／(mm ·℃ )；
當(dāng)T≥ 500 。C時(shí)，h一(0．231T一82．1)× 10
w ／(ram ·℃)。
所采用的單元為四邊形實(shí)體單元，并采用了8
節(jié)點(diǎn)以提高單元變形精度。
2。3 材料模型
假定母材及焊縫的材料性能一致，均為
SUS304，其熱物理性能及力學(xué)性能見表1l1 ，選用
ABAQUS隨動(dòng)硬化模型。材料潛熱為260 kJ／kg，
假定固相線溫度為J 340 ℃ ，液相線溫度為
1 390 ℃
表1 SUS304材料熱物理及力學(xué)性能
3 分析結(jié)果與討論
3．1 溫度場(chǎng)
溫度場(chǎng)分布是結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析中的輸入數(shù)據(jù)，通
過熱分析獲得。沿焊接熱影響區(qū)由內(nèi)而外對(duì)應(yīng)的峰
值溫度見圖3，1道焊縫和4道焊縫峰值溫度的不同
可能是熱流輸入不同引起的。4道焊縫焊接時(shí)，不
同焊道區(qū)域溫度隨時(shí)問的變化見圖4。焊接升溫時(shí)
溫度快速上升，而在冷卻階段則緩慢下降。
l 200
越l 000
贈(zèng)
型80o
磐
600
0 0．2 0．4 0．6 0．8 1．0
焊件厚度當(dāng)量
圖3 沿焊接熱影響區(qū)熔合線峰值溫度曲線
時(shí)間／s
圖4 沿坡口邊緣溫度隨時(shí)間變化曲線
3．2 應(yīng)力場(chǎng)
沿不同位置鋼管的環(huán)向和軸向應(yīng)力分布見圖
5。從圖5可以看出，無論是軸向應(yīng)力還是環(huán)向應(yīng)
力，均由內(nèi)而外逐漸下降。對(duì)于周向應(yīng)力，在近外壁
面將產(chǎn)生壓應(yīng)力。而環(huán)向應(yīng)力的最大值約出現(xiàn)在第
3道焊縫區(qū)，這可能是由于所施加的熱流所引起的。
凸_
驀
、
豈
、
目
焊件厚度當(dāng)量
(a) 沿焊接中心線
焊件厚度當(dāng)量
(b) 沿焊接熱影響區(qū)
圖5 不同路徑鋼管應(yīng)力分布
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增刊1 李 琦，等：不銹鋼鋼管多道焊焊縫殘余應(yīng)力模擬分析 · 15 ·
4 結(jié)語 [92
基于有限元方法，利用單元生死技術(shù)建立了多
道焊模型。采用熱應(yīng)力順序耦合方法對(duì)SUS304不
銹鋼鋼管多道焊進(jìn)行了焊接模擬，得到了SUS304 一一
不銹鋼鋼管多道焊縫焊接溫度及焊后殘余應(yīng)力分
布，可為焊接接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其結(jié)構(gòu)完整性分析
提供參考。
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(張編)

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