焊缝几何尺寸对钢管承载能力影响的模拟分析

焊缝几何尺寸对钢管承载能力影响的模拟分析

乔桂英1,3， 刘雨萌1， 韩秀林2， 王 旭2， 肖福仁3

(1. 燕山大学 环境与化学工程学院河北省应用化学重点实验室，秦皇岛 066004;2. 渤海装备研究院输送装备分院，青县 062658;3. 燕山大学 材料科学与工程学院亚稳材料科学与制备技术国家重点实验室,秦皇岛 066004)

摘 要：为研究高强X80直缝埋弧焊管焊接热影响区软化对管线运行安全的影响，采用ANSYS有限元数值模拟软件分析了焊缝几何尺寸对双面埋弧焊直缝焊管内部承载能力的影响. 结果表明, 由于焊接热影响区强度软化及焊缝余高的影响，最大应力出现在热影响区处，并受到焊缝几何尺寸的影响；在内外焊缝熔深一定时，钢管的承载最大压力与内外焊缝的熔宽间存在最佳的匹配；在内外焊缝熔宽一定时，适当熔深可以增加钢管的承载能力；另外，焊缝的几何尺寸对最大应力出现的位置有一定的影响.

关键词：直缝埋弧焊管；焊缝几何尺寸；承载；数值模拟

0 序 言

管线输送的安全性是管线建设及运营最关心的问题[1]. 焊接接头是钢管性能最薄弱的部位也是管线钢管研究的重点[2-5]. 随大口径高强厚壁钢管的开发应用，大热输入多丝埋弧焊的应用，焊接热影响区的韧性和强度弱化也更加突出. 焊接接头的实际承载能力及疲劳寿命等安全因素不仅与焊缝及热影响区性能有关，还和焊缝的几何尺寸有很大的关系[6-8]，而焊缝的几何尺寸与焊接坡口尺寸及焊接工艺参数密切相关[9]. 因此，合理地设计焊接坡口尺寸及焊接工艺参数，对提高焊缝的使用性能，提高钢管的使用寿命具有重要意义. 文中采用ANSYS有限元软件，模拟分析了多丝双面埋弧焊管的焊缝的几何尺寸对管线承载能力的影响，为钢管焊缝形态控制的实际焊接工艺设计提供理论参考.

1 有限元模拟的建立

文中采用直径为φ1 219 mm，壁厚为22 mm的高强钢管，基于平面应力设计理论，模拟分析带有纵向焊缝的管道在压力载荷作用下的应力分布及焊缝几何形状对其影响. 图1a是焊缝基本几何尺寸按实际焊缝构建图，按3个区域划分为焊缝熔敷金属、热影响区、基体； 其中H1，B1分别表示外焊缝的熔宽和熔深；H2，B2分别表示内焊缝的熔宽和熔深. 内外焊缝热影响宽度按相同的宽度.

图1 钢管焊接接头及模型网格划分

Fig.1 Weld joint and gridding division of model

模拟分析模型以实际尺寸进行建模，考虑到模型的对称性，只对其一半进行建模，然后再利用二维平面弹塑性分析单元plane182映射网格划分方式对几何模型进行划分. 划分网格时，为提高计算精度和节省计算时间，焊缝及热影响区处网格单元尺寸最小，远离焊缝区域采用比较稀疏的网格密度，如图1b所示. 在进行应力应变场分析时，进行以下假设：(1)焊接接头无限长；(2)假设各个位置泊松比相同；(3)忽略残余应力对焊接接头的影响；(4)同一区域内材料属性均匀.

钢管应用过程，钢管承受的载荷为内部压力所产生的. 因此，在施加载荷时在两个横向截面施加对称约束，模型内表面施加压力载荷，通过有限元网格传递作用，对管体整体进行加载. 在加载过程中，母材的变形按实际测定的应力—应变曲线模拟，其屈服强度为630 MPa；热影响区的强度按热模拟研究中最低强度区的应力—应变曲线，其屈服强度为母材的0.80；对熔敷金属，考虑到焊缝余高的影响，按刚性设计，其屈服强度按母材的1.4倍计算.

2 计算结果及分析

图2分别给出了管道输送压力为10 MPa和20 MPa时的等效应力分布云图. 为清晰看出应力分布情况，图3为内外焊缝处的最大等效应力的分布.

图2 一定内压条件下焊接接头的应力分布云图

Fig.2 Stress nephograms of weld joint under certain internal pressure conditions

图3 焊缝内外表面应力分布

Fig.3 Stress distribution on inside or outside surfaces of weld joint

当管道输送压力为10 MPa时，最大应力出现在内外焊缝热影响区附近，而且内焊缝处的应力大于外焊缝，最大应力仅为323 MPa，钢管总体处于弹性变形阶段，焊缝内外表面处的应力分布呈连续分布状态. 当输送压力达到20 MPa时，钢管的总体应力显著增大，最大应力仍出现在内焊缝的热影响区处，最大值达到580 MPa，已达到塑性变形阶段. 在热影响区出现两个应力峰，即熔合线及热影响区与母材的交界处，而且最大应力向焊缝处靠近.

图4给出模型内外焊缝几何尺寸相反时的模拟结果. 在相同压力(p=10 MPa)条件下，最大应力则出现在外焊缝处. 可见焊缝的几何尺寸对最大应力的位置有一定的影响，为更好的分析焊缝几何尺寸对钢管输送能力的影响. 文中以钢管在承受内压时，最大应力处达到屈服强度的最大压力为判据，分析内外焊缝的几何尺寸对钢管承载能力的影响.

图4 外焊缝尺寸小于内焊缝时应力分布云图

Fig.4 Stress nephogram of weld joint as outside size smaller than inside

由上述结果可知，内焊缝处的应力大于外焊缝，外焊缝的宽度和熔深均大于内焊缝，结果证明，应力集中可能与焊缝的几何形状有关.

2.1 焊缝熔宽对钢管承载能力的影响

图5分别给出了内外焊缝熔深一定的条件下，内外焊缝的宽度B1和B2对管道承压极限的影响. 由图5a可见，在外焊缝熔深大于内焊缝熔深(H1(15 mm)>H2(12 mm))条件下，当内焊缝宽度B2<18>B1的增加，钢管的承载能力降低. 当B2达到18～20 mm时，在小的外焊缝宽度条件下，屈服点出现在外焊缝处，钢管的承载能力显著增加；而随B1的增加，屈服点转向内焊缝，且承载能力降低. 当B2达到22 mm时，屈服点仍出现在内焊缝处，但承载能力显著降低. 上述结果可见，当B2为18～20 mm时，钢管的承载能力最大，且最大点出现在B1=18 mm，B2=20 mm.

图5 熔宽对钢管承载压力的影响

Fig.5 Effect of weld width on bearing maximum pressure of weld pipe

当外焊缝熔深小于内焊缝熔深(H1(12 mm)H2(15 mm))时，如图5b所示. 钢管承载能力随内外焊缝宽度的变化规律与H1>H2时的结果相差不大，也表现为当B2为18～20 mm时，在小的B1条件下，屈服点出现在外焊缝处，钢管的承载能力显著增加；而随B1的增加，屈服点转向内焊缝，且承载能力也随之降低. 钢管承载能力的最大值出现在B1=B2=20 mm.

对比图5a和图5b，当内焊缝熔深大于外焊缝时，钢管的承载能力总体略有增加，这说明内外焊缝的熔深对钢管的承载能力具有一定的影响，内焊缝熔深的增加，能够提高钢管的承载能力.

2.2 熔深对钢管承载能力的影响

由图5可见，内外焊缝的熔宽变化不仅影响钢管的承载能力，还将影响钢管屈服变形位置，而这种变化还与内外焊缝熔深有关. 图6给出了内外焊缝熔宽一定时，焊缝熔深对钢管承载能力的影响.

图6 熔深对钢管承载压力的影响

Fig.6 Effect of depth of penetration on bearing maximum pressure of weld pipe

当B1>B2，即B1=20 mm，B2=18 mm时(图6a)，在相同的外焊缝熔深条件下，随H1的增加，钢管的承载能力增大. 另外，在较小的H2下，较大的H1对应管道承载能力最强，当H2增加到14 mm以上时，较小的H1能使接头的承载能力最强.

当B1B2，即B1=18 mm，B2=20 mm时(图6b)，在H2<16>H2的增加，钢管承载的最大压力增大. 当H2大于16 mm时，随熔深的增加，承载压力略有降低. 同样，在较小的H2条件下，较大的H1对应管道承载能力最强，当H2增加到14 mm以上时，较小的H1使接头的承载能力最强. 但是，从总体的模拟结果看，H2大于H1时能够提高钢管的承载能力，但其作用较小.

2.3 熔宽对屈服点位置的影响

内外焊缝的熔深及熔宽变化，不仅影响承载压力也影响屈服点出现的位置. 图7为一定的内外焊缝熔深和熔宽时，内焊缝熔宽及熔深对屈服出现位置的影响. 由图7可见，当H1=15 mm、H2=12 mm、B2=18 mm时，在外焊缝熔宽较小的条件下，屈服发生在外焊缝热影响区；随外焊缝熔宽的增加，屈服点则转向内焊缝热影响区，并逐渐向熔合线靠近.

图7 熔深对钢管承载压力的影响

Fig.7 Effect of penetration on bearing maximum pressure of weld pipe

综合上述分析，双面埋弧焊钢管焊缝的几何尺寸对发生屈服变形的位置及承载能力均有一定的影响. 合理控制焊缝的几何尺寸对提高钢管服役条件下承载能力和使用寿命具有一定的作用.

3 结 论

(1) 双面埋弧焊管焊缝的几何尺寸影响钢管内压承载能力，由于焊接热影响区的强度弱化及焊缝余高的影响，钢管承压时最大应力出现在热影响区，在内外焊缝熔深一定的条件下，内外焊缝熔宽在一定的范围内，其承载能力最大.

(2) 在内外焊缝熔宽一定条件下，随内焊缝熔深的增加，外焊缝熔深的减小，钢管的承压能力略有增加，但总体影响不大.

(3) 对承受内压的钢管，适当增加内焊缝的熔深及熔宽，可以增加钢管的承载能力，并使最大应力位置由内焊缝转移至外焊缝.

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收稿日期：2014-12-10

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51171162，51671164)； 河北省自然科学基金资助项目(E2011203169，E2015203234)

中图分类号：TG 445

文献标识码：A

文章编号：0253-360X(2017)03-0033-04

作者简介：乔桂英，女，1966年出生，博士，教授. 主要从事微合金钢及其焊接等科研和教学工作. 发表论文70余篇. Email: [e-mail]

通讯作者：肖福仁，男，教授，博士研究生导师. Email: [e-mail]