連續油管對接焊殘余應力場分析*

溫慶倫，李 霄，姬二佳

（西安石油大學 材料加工工程重點學科實驗室，西安710065）

連續油管對接焊殘余應力場分析*

溫慶倫，李 霄，姬二佳

（西安石油大學 材料加工工程重點學科實驗室，西安710065）

基于ABAQUS有限元模擬軟件對CT90鋼級Φ38.1mm×2.7mm連續油管焊接接頭的殘余應力進行模擬，建立了連續油管對接焊有限元模型，得到了連續油管對接焊時焊縫處殘余應力分布規律。結果顯示，隨著熱源的移動，溫度降低，殘余應力增加，期間周向出現了最大殘余拉應力405.7 MPa，軸向出現了最大殘余壓應力195.7 MPa；冷卻后，最大殘余應力主要集中在焊縫處，并沿著垂直于焊縫方向逐步遞減。試驗結果對連續油管后續消除對接焊殘余應力提供了理論依據。

連續油管；有限元；對接焊；殘余應力；焊管

連續油管是一種單根長度可以達到幾千米并且可以反復彎曲、實現多次塑性變形的新型石油管材[1]。連續油管以其優良的性能廣泛應用于石油工業，在實際生產和應用中，由于管體的損壞、不合格以及長距離運輸等原因，都需要采用管－管對接的方式將兩段全新的連續油管焊接在一起[2]，所以連續油管的對接焊是連續油管應用技術中不可或缺的一部分。連續油管在管－管對接焊過程中，由于熱累積效應的原因，在焊縫處不可避免地會產生各種缺陷，尤其是焊接殘余應力的出現，會極大地降低焊縫處的性能，甚至造成人員或者財產的損失[3-5]。隨著科學技術的發展，有限元模擬軟件（ANSYS[6]、ABAQUS[7-9]等）在焊接技術方面得到了完美的應用。因此，筆者采用ABAQUS有限元模擬軟件對連續油管對接焊過程中焊縫處殘余應力進行了研究，得到了連續油管對接焊過程中焊縫殘余應力的分布規律，對減小或消除焊縫殘余應力提供了理論依據。

1 有限元模型

1.1 材料模型

試驗采用國產CT90鋼級連續油管，對接焊采用TIG焊，單面焊雙面成形。連續油管規格為Φ38.1mm×2.7mm，材料最小屈服強度為635 MPa，最小抗拉強度為705 MPa，泊松比為0.3，其力學性能見表1。

表1 試驗用連續油管的力學性能

1.2 幾何模型

連續油管對接焊有限元模擬過程中，由于模型沿管子軸向對稱，為了節省計算時間和資源，只需要從焊縫中心位置開始取一側值進行計算，管體長度為0.1 m，幾何模型如圖1所示。

圖1 連續油管有限元幾何模型

為了使模擬計算結果較為準確，需要對連續油管的幾何模型進行網格劃分。網格劃分為焊縫區、遠離焊縫區和中間區3個區域，其中焊縫區網格最細小，遠離焊縫區網格最粗大，中間區介于兩者之間，其劃分網格后的模型如圖2所示。

圖2 連續油管有限元網格劃分

1.3 熱源及邊界條件

焊接過程中，熱源采用雙橢球熱源模型，焊件邊界與周圍介質進行熱交換，熱量的散失主要通過熱輻射和對流換熱方式進行，高溫下散失的熱量以輻射為主，低溫下以對流為主[10]。取對稱面為絕熱邊界條件，初始溫度設定為20℃。計算殘余應力場所選單元類型為Coupled Temperaturedisplacement，選取之后開始計算，熱源加載位置及焊接方向如圖3所示。

圖3 熱源加載位置及焊接方向

2 結果與討論

2.1 熱應力應變場

焊接殘余應力集中分布在焊縫附近，因為在徑向殘余應力的差異不大，所以不予分析，只研究周向和軸向的殘余應力。根據時間的不同，本研究沿著焊縫方向在焊縫中心線上（焊縫外表面）選取不同的點，即距始焊位置分別為60°、120°、180°、240°、300°和 360°的點，分別從周向及軸向來分析熱應力。其中，周向焊接殘余應力分布情況如圖4所示。

從圖4可以看出，在熱源加載過程中，當熱源到達某一位置時此處應力較小，隨著熱源的離開溫度下降，應力很快增加到一個穩定值。隨著溫度的繼續下降，最大周向應力出現在距離始焊位置300°處，其值為405.7 MPa，且為拉應力。也就是說，隨著時間的變化，周向殘余應力值先緩慢增加，最后在距離始焊位置300°出現峰值，隨后殘余應力開始下降。總的來說，焊接過程中周向殘余應力的最大值出現在近焊縫區域，整個部位都為殘余拉應力。

圖4 周向距始焊位置不同點的焊接殘余應力分布情況

軸向焊接殘余應力分布情況如圖5所示。連續油管對接焊過程中，軸向焊接殘余應力在一段時間內出現了拉、壓應力相互交替的現象。軸向最大殘余拉應力出現在距離始焊位置240°處，其值為217.6 MPa；最大殘余壓應力出現在距離始焊位置180°處，其值為195.7 MPa。也就是說，在軸向隨著時間的變化，殘余應力從開始到距離始焊位置180°處一直在下降，并從拉應力變為壓應力，在距離始焊位置180°處出現壓應力峰值，之后到距離始焊位置240°處時，最大應力值反而增加，在距離始焊位置240°處出現拉應力峰值，然后拉應力下降，最終趨于0。總的來說，焊接過程中軸向殘余應力的最大值出現在近焊縫區域，焊縫中部為殘余壓應力，兩端為殘余拉應力。

圖5 軸向距始焊位置不同點的焊接殘余應力分布情況

2.2 焊后殘余應力場

為了研究焊接冷卻后連續油管周向和軸向應力分布情況，將連續管對接焊冷卻后周向和軸向的應力場分布圖進行切割，得到圖6和圖7。從圖6和圖7分析可知，焊接殘余應力主要集中在焊縫及其附近區域，最大殘余應力出現在焊縫中心，并沿著遠離焊縫方向逐步遞減，同時熱影響區應力也較大。周向最大殘余應力為590.6 MPa，軸向最大殘余應力為165.4 MPa，說明焊接殘余應力主要集中在周向。

圖6 冷卻后周向應力分布截圖

圖7 冷卻后軸向應力分布截圖

3 結 論

（1）由熱應力應變分布規律可知，無論是周向還是軸向，隨著時間的變化，殘余應力都在下降，周向出現了最大殘余拉應力為405.7 MPa，軸向出現了最大殘余壓應力為195.7 MPa。

（2）由于焊接過程中的應力是變化的，周向最大殘余應力在距始焊位置300°點處，而且在這個位置上應力也隨著時間的增加而增加。

（3）隨著熱源的移動，溫度降低，殘余應力增加，冷卻后產生最大殘余應力，主要集中在焊縫處，并沿著遠離焊縫方向逐步遞減。周向焊接殘余應力比軸向大得多，所以可以將重點放在周向焊接殘余應力的研究上。

[1]李霄，石凱，王洪鐸，等.CT80連續油管TIG焊對接接頭熱循環過程研究[J].熱加工工藝，2011，40（9）：168-170.

[2]劉彥明，石凱.連續油管管－管對接焊概述[J].熱加工工藝，2011，40（19）：145-147.

[3]李霄.殘余應力對焊管質量及可靠性的影響[J].石油工業技術監督，2009，32（5）：47-49.

[4]雷青娟.薄壁、大口徑連續油管對接焊熱積累效應研究[D].西安：西安石油大學，2013：5-8.

[5]畢宗岳，井曉天，金時麟，等.連續油管性能研究與產品開發[J].石油礦場機械，2010，39（6）：16-20.

[6]張建峰，王翠玲，吳玉萍，等.ANSYS有限元分析軟件在熱分析中的應用[J].冶金能源，2004，25（5）：9-12.

[7]PALUMBO G，TRICARICO L.Effect of forming and calibration operations on the final shape of large diameter welded tubes[J].Journal of Materials Processing Technology，2005，164（5）：1089-1098.

[8]HERYNKM D，KYR IAKIDES S，ONOUFR IOU A，et al.Effects of the UOE/UOC pipe manufacturing processes on pipe collapse pressure[J].International Journal of Mechanical Sciences，2007，49（5）：533-553.

[9]劉展，錢英利.ABAQUS有限元分析從入門到精通[M].北京：人民郵電出版社，2015：13-20.

[10]徐琳，嚴仁軍.T形焊接接頭殘余應力與應變的三維數值模擬[J].江蘇船舶，2007，24（1）：5-8.

Coiled Tubing Butt Welding Residual Stress Field Analysis

WEN Qinglun，LI Xiao，JI Erjia
（Key Laboratory of Material Processing Engineering，Xi’an Shiyou University，Xi’an 710065，China）

Based on ABAQUS finite element simulation software，the welded joint residual stress of coiled tubing(CT90 steel grade，Φ38.1mm×2.7mm)was simulated，built up the finite element model of coiled tubing butt welding，and obtained the distribution rule of residual stress in weld during butt welding.The results showed that with the moving of heat source，the temperature decreased，the residual stress increased.In circumferential direction，the maximum residual tensile stress value is 405.7 MPa；in axial direction the maximum residual compressive stress is 195.7 MPa.After cooling，the maximum residual stress mainly concentrated in the weld，and gradually decreased along the direction perpendicular to the weld.The test results provided theory basis for butt welding residual stress subsequent elimination.

coiled tubing；finite element；butt welding；residual stress;welded pipe

TG404 文獻標志碼：A DOI：10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.04.002

陜西省自然科學基礎研究計劃支持項目（2014JM2－5068）；陜西省教育廳科研計劃資助項目“連續管環焊過程熱累積效應研究”（14JK1568）。

溫慶倫（1990—），男，陜西富平人，碩士研究生在讀，主要從事材料加工工程及焊接殘余應力研究。

2016－01－12

李紅麗