油氣田裝置焊接變形計算機分析預測的研究

樸蘭花 王晶

摘 要：石油工業目前依然是世界能源的支柱產業，其油氣田開發則少不了裝置的支持，而目前開采裝置主要由鋼材焊接而成，所以焊接熱變形及其殘余應力可能導致成品率降低以及在組裝完成后造成相應的應力腐蝕，影響裝置的使用壽命，故在生產加工之前預測焊接成品的變形及殘余應力并作出相應的措施能夠提升工作效率和節約大量成本。

關鍵詞：石油工業；油氣田裝置；焊接變形；殘余應力。

隨著現代工業的發展，石油成為了工業發展不可或缺的能源儲備，而油氣田開采裝置多使用輕型鋼結構為建筑主體，輕型鋼結構有著清潔環保、施工方便快捷、抗自然災害性能優良、以及綜合成本較為低廉的特點。而焊接H型鋼作為構成輕型鋼結構建筑的主要材料，在其生產過程中若能夠有極高的成品合格率，那么將可以提高鋼結構建筑的建筑安裝效率以及節約人力物力財力等。

焊接是生產焊接H型鋼最主要的生產工序之一，其過程是對受焊件加熱至高溫然后快速冷卻，受焊件在受焊的過程中隨著時間和空間的變化其溫度有著極為劇烈的變化。在焊接時，受焊件受熱源導入的熱能所構成的焊接溫度場分布不均勻，因而可能導致受焊件在焊接的過程中以及焊接后的冷卻過程中產生較大的變形以及殘余應力，使得H型鋼尺寸不合格或者其內部在存在殘余應力的情況下，將H型鋼組對拼接成為鋼結構建筑后易產生較大的應力腐蝕導致單一或者多部件失效，造成疲勞折斷以至于整個鋼結構建筑體坍塌的事故。

若是可以利用計算機模擬整個H型鋼的生產過程，就可以預知H型鋼焊接變形的大小以及焊接完成后整個H型鋼內部的殘余應力，通過校正可以校正外觀上的形變，而在知曉了整個H型鋼內部殘余應力的情況下，則可以在這根H型鋼生產完成后，組裝成鋼結構建筑前，減小以至于消除其內部應力，以達到延長整個輕型鋼結構壽命的目的。

利用計算機有限元模擬軟件可以很好地模擬H型鋼焊接的過程，其主要考慮焊接過程中溫度場與應力場雙向耦合的情況下進行計算機模擬，通過對H型鋼焊接過程實際生產常用數據的研究與分析，利用直接法同時計算焊接應力場和溫度場，模擬焊接H型鋼生產過程。根據既定焊接速度、焊接電流電壓以及焊接熱源有效半徑對焊接變形的影響。可以成功地模擬出焊接過程中產生的應力，通過本文的模擬方法可以預測焊接過程的熱應力以及殘余應力。

本文主要使用計算機軟件ANSYS對構件進行分析，其分析步驟如下：

1.確定構件規格及焊接基本參數，以焊接H200*200*6*8為例，母材為Q235B鋼；長度L=2000mm，材料為Q235B，使用埋弧焊機床進行焊接。在計算機模擬中使用常用的埋弧焊機床調試參數，為電弧電壓U=25V，焊接電流I=180A；焊接速度v=10mm/s，焊接效率η =0.75，有效加熱半徑R=6mm。

2.選定單元類型及劃分網格，在軟甲中選擇SOLID185單元，劃分網格精度為1mm，其網格劃分完成后如下圖：

3.將熱源移動速度、焊接溫度、焊接速度等焊接重要參數在ANSYS軟件的APDL命令流中輸入到軟件中，利用計算機進行模擬分析。

4.計算機模擬分析結果輸出，然后根據輸出的數據進行下一步分析。

在分析結果后，可以準確地預知焊接完成后鋼材因受熱變形的大小幅度以及其內部殘余應力的存在位置和大小。此種方法可以推廣到其他焊接件的計算分析中，套用APDL命令流，可以輕易地應用到其他焊接件的焊接分析中。與此同時，上述方法可以反向推導出在焊接過程中合適的電壓、電流以及焊接速度等焊接參數以減小焊接變形，提高成品合格率。

利用本文所述方法，在正式的H型鋼生產之前，或者在更早的時間段，即鋼結構建筑設計階段，使用計算機軟件進行相應的模擬焊接操作，即可預知既有的方法在生產出成品之后是否存在焊接變形或者焊接殘余應力，從而可以及時更換生產所用材料或者調整焊接方法，以保證在生產完成后和日后組裝組對成為鋼結構建筑時，盡可能地減少H型鋼部件的應力腐蝕，從而消除安全隱患以及以延長整個鋼結構建筑的使用壽命。

在這個計算機軟件技術發展日新月異的時代，此類計算機軟件必定會飛速地發展，從而大大提高此類計算的精度，且人工智能將會逐漸代替用戶完成例如材料物理性能參數錄入、APDL命令流編寫等，從而提高用戶進行分析的效率。

隨著人類對于各個方面的探索，各種材料的高溫性能探索也將不斷地深入，從而能夠得到更為精確的材料高溫狀態下的性能參數，進而使得利用本文方法分析計算焊接H型鋼焊接過程溫度場及應力場的精度得到提高。

根據本文編寫的APDL命令流，可以將其進行整體封裝，改進編寫成為一個獨立運行的能夠分析各種型號焊接H型鋼焊接過程中的熱應力、殘余應力以及變形情況的計算機應用程序，利用計算機分析來指導工廠生產，進而使得焊接過程模擬技術在實際生產中得到應用。

作者簡介：

樸蘭花（1988-）女，籍貫黑龍江省依蘭縣，學歷：大專，黑龍江科技大學；工作單位：大慶油田榆樹林油田開發有限責任公司，生產協調員。

王晶（1988-）男，籍貫黑龍江省大慶市，學歷：碩士，東北石油大學；工作單位：大慶油田工程建設有限公司，生產辦副主任。