API X65深水海底管道J形鋪設橫向焊接變形

李明朝，李光泉，周燦豐，陳智，周珍珍

(1.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東 東營 257017；2.中石化石油工程技術服務有限公司，北京 100000；3.北京石油化工學院，能源工程先進連接技術研究中心，北京 102617；4.哈爾濱焊接研究院有限公司，哈爾濱 150028)

0 前言

海底管道鋪設采用的方法主要包括卷筒鋪設、S形鋪設和J形鋪設。J形鋪設通過垂直鋪管架將管道送到海底，下放過程中管道呈大寫字母J形。當水深超過1 500 m時，J形鋪設與S形鋪設相比具有鋪管船結構緊湊、推進器功率要求低等優點[1]。因為J形鋪設在深水具有突出競爭優勢，在工程中得以迅速發展，其相關研究也相當活躍[2-10]。

J形鋪設因為鋪管架上的管道長度達到48～72 m而且處于垂直位置，背面不加襯墊，屬于橫向位置單面焊接雙面成形[11]。海底管道對焊接質量有嚴格的要求，有一系列相關標準對其進行了規定[12-14]，焊接變形是多道焊面臨的主要問題之一，而這個問題對于J形鋪設窄坡口、橫向位置單面焊接雙面成形而言更是應該重視。SYSWELD是在考慮材料力學性能與溫度有關的焊接熱彈塑性分析理論的基礎之上發展的焊接專用軟件，其主要支撐理論包括Goldak等人[15]開發的雙橢球熱源模型描述GMAW焊熱源，以及Leblond等人[16]開發的相變模型。文中依托焊接應力與變形分析理論，在SYSWELD軟件中以焊縫截面平均熱循環曲線作為加載熱源，采用二維截面有限元模型進行了API X65管線鋼鋼板橫向多道焊焊接變形與應力仿真，開展了焊接變形試驗驗證，研究表明仿真果大致吻合試驗結果，多道焊的最終焊接變形主要取決于前面幾道焊縫。

1 焊接應力與變形分析理論

瞬態熱輸入的高度集中對整個焊接過程及焊后工件帶來大量的焊接殘余應力及變形。焊接數值模擬是一個非線性問題，主要是幾何非線性和材料非線性，但是由于有限元法在空間上的離散作用，求解焊接應力場就變成了計算材料非線性的瞬態問題。

1.1 米塞斯屈服準則

米塞斯(Von Mises)屈服準則的原理是金屬材料若發生塑性變形，則單位體積內的變形能須累積到一定臨界值，該值只與材料有關，而與應力狀態無關。根據文獻[17]，其判斷式為方程(1)。

(1)

式中：σ1，σ2，σ3是三維空間三個正交方向的主應力；σs是單向拉伸時的屈服極限。

材料進入屈服極限后繼續若繼續加載，這時的應變增量則分為兩部分：一是彈性應變增量{dξ}e，一是塑性應變增量{dξ}p，等效應變定義為方程(2)。

(2)

式中：εx，εy，εz為空間里三個正交方向的主應變；μ為泊松比。

1.2 熱彈塑性理論

熱彈塑性分析法通過實時求解溫度場來計算熱應變與應力，是研究焊接應力與應變的主要方法。對于瞬態熱分析，可將溫度梯度值最大的時間節點溫度作為載荷分析結構應力，考慮材料在不同屈服狀態下溫度場對應力應變結果的影響。

根據文獻[18]，材料熱彈塑性的應力應變關系用矩陣的形式表示為方程(3)。

{dσ}=[D]{dε}-{C}dT

(3)

式中：[D]為彈塑性矩陣；{C}為溫度相關相量。

對于計算模型中的某一單元，其平衡方程為方程(4)。

{dF}e+{dR}e=[K]e{dδ}e

(4)

式中：{dF}e是單元節點力增量；{dR}e是由溫度變化導致的單元初始應變等效節點力增量，{dδ}e為節點位移增量，[K]e為單元剛度矩陣。

2 API X65管線鋼板橫向焊接應力與變形數值仿真

2.1 焊縫截面平均熱循環曲線的提取

焊接熱循環曲線是一條溫度-時間變化曲線，表征節點在一個完整的焊接過程之中，溫度上升和下降歷程。在焊接數值仿真中，它既是三維單元模型單道焊仿真的結果，也可以作為二維單元截面模型多道焊仿真的熱源型式。如圖1所示，在SYSWELD軟件中，提取焊接熱循環曲線的方法是：完成三維單元模型焊接仿真模擬后，選取一個截面的節點，以溫度為縱坐標、時間為橫坐標建立坐標系，顯示如圖1a包含所有焊縫節點的一系列曲線，利用Display面板的Averaging命令求出該組曲線的平均曲線，如圖1b所示，然后將該平均曲線作為二維單元截面模型多道焊仿真的加載熱源。

圖1 熱循環曲線

2.2API X65管線鋼板材多道焊焊接工藝參數

APIX65板材外觀尺寸為300 mm×60 mm×17.8 mm，坡口為海底管道鋪設中常用的機加工窄坡口，其參數如圖2所示，該坡口的優點是焊接效率高、填充量小、焊接熱影響區窄。圖3是該板材的三維模型。前期研究中，進行了板材與管道整圓的六分之一部分的焊接溫度場對比研究，二者材料、厚度、坡口參數相同，二者焊接溫度場數值計算結果高度一致。所以，如果采用相同的約束條件，則二者焊接變形的趨勢應該是一致的。當然，如果是完整的管道，則還需進一步的研究。

圖2 焊接坡口圖

圖3 三維模型

多道焊是一個對焊縫循環冷卻和加熱的過程，隨著層間溫度的升高，焊縫t8/5時間變長，導致晶粒粗化，焊接接頭質量降低。綜合考慮焊接效率和焊接接頭性能、選擇層間溫度為150 ℃，觀察焊接熱循環曲線可知對應層間間隔時間為60 s。焊接工藝是熔化極氣體保護自動焊，焊接位置為橫向，焊接工藝參數見表1。

2.3 多道焊數值仿真

2.3.1約束條件

采用ESI公司的前處理專用網格劃分軟件Visual environment進行模型網格劃分，板材橫截面網格如圖4a所示，其特點是起弧和收弧階段焊接熱流密度變化較大，因而網格劃分較密。板材通過壓板施加約束，在SYSWELD軟件中的表達如圖4b所示。通過二維截面來模擬和分析焊件橫截面的變形，壓板約束的特點是約束點的應力大大增加，變形為零，離約束位置越遠則變形越大。

表1 焊接工藝參數

圖4 橫截面網格及約束條件(mm)

2.3.2多道焊變形仿真

采用SYSWELD焊接向導設置焊接工藝及其多道焊模塊設置焊接間隔時間及計算方法進行多道焊仿真[19]。通過后處理云圖顯示，將每道焊接后的截面圖如圖5及圖6所示，自由端最大變形值演變曲線則如圖7所示。

圖5 打底焊后至第四道焊后的變形(mm)

圖7 焊接變形曲線

2.3.3多道焊應力仿真

通過后處理云圖顯示，多道焊殘余應力分布如圖8所示。

圖8 不同時間平均殘余應力分布(MPa)

3 API X65管線鋼板材橫向焊接試驗

橫向焊接試驗系統如圖9所示，焊接電源是TPS4000數字化焊接電源，自動焊接小車通過與直線導軌的嚙合而在處于垂直位置的焊接變位機上實現水平移動，板材通過快速夾具固定在焊接變位機上。

采用與數值仿真相同的API X65管線鋼鋼板、相同的多道焊焊接工藝參數。焊接完成之后選擇焊件自由端最下方節點為參照點，該點對應于SYSWELD軟件仿真中的編號為34154的節點，實測其變形量為5 mm，如圖10所示。

圖9 橫向焊接試驗系統

圖10 橫向多道焊鋼板焊接變形

4 討論

API X65管線鋼鋼板GMAW橫向多道焊最終焊接變形實測值為5 mm，計算值為圖6h所示的4.41 mm，誤差為14%，模擬結果大致吻合試驗結果。存在的誤差主要原因：①焊接試驗中橫向焊接熱流分布因為熔池向下流淌而與SYSWELD仿真中的均勻分布假設不符合；②二維截面模型的計算精度不夠；③焊接試驗中的約束是有間隔的數個夾板固定而不是SYSWELD仿真中的整塊夾板固定；④熱循環曲線法比移動熱源法的熱輸入小。

二維截面有限元模型可以定量計算多道焊變形結果，在多道焊焊接過程中，前面幾道焊縫對最終焊接變形影響大，而后面幾道焊縫影響小。根據圖6所示的焊接變形仿真結果，第一層的變形最大值是2.75 mm，第二層為3.77 mm，第三層為4.76 mm，焊接完成后的變形是4.41 mm。前三層基本決定了整個變形的大致輪廓與數值，后面幾層的變形影響相當小，甚至有時隨著焊縫道數的增加變形反而減小的情況。

焊接最終變形分為兩部分：一是在焊接過程中產生的基礎變形；二是焊件中殘余應力釋放產生的變形補償。根據圖8所示的焊接應力仿真結果，可以發現在自由端沒有殘余應力，而在焊縫中心、熱影響區和過渡區都是受到較大的殘余拉應力、而釋放這些殘余拉應力會促使材料從焊縫中心向外擠，從而抵消焊接的基礎變形。在前幾層焊接中，焊接的基礎變形大，殘余應力釋放引起的變形補償不明顯。在后幾層焊接中，已填充的焊縫改變了結構的整體剛度，對焊接的收縮變形有緩沖作用，基礎變形減少，而由殘余應力釋放產生的變形補償就比較明顯地抵消了一部分焊接變形。

5 結論

(1)以焊縫截面平均熱循環曲線作為加載熱源，采用二維截面有限元模型可以定量計算多道焊變形結果，模擬結果大致吻合試驗結果。

(2)橫向多道焊模擬結果與試驗結果之間存在的誤差，主要因素包括熱流分布、二維截面模型的計算精度、約束及熱循環曲線自身特點。

(3)在多道焊焊接過程中，前面幾道焊縫對最終焊接變形影響大，而后面幾道焊縫影響小。

(4)在多道焊焊接過程中，前幾層焊接中焊接的基礎變形大，后幾層焊接中由殘余應力釋放產生的變形補償明顯地明顯地抵消了一部分焊接變形。