張 皓，李新戰(zhàn)，韋正鑫，徐 琳

（1.中國(guó)石油集團(tuán)工程材料研究院有限公司，西安 710077； 2.石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710077； 3.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)西氣東輸公司甘陜輸氣分公司，西安710018； 4.國(guó)家管網(wǎng)西部管道公司，烏魯木齊 830011； 5.長(zhǎng)慶油田分公司第五采油廠采油工藝研究所，甘肅 慶陽(yáng) 745699）

0 前 言

管道在有拘束力作用下進(jìn)行焊接時(shí)，由于不同區(qū)域受到的熱作用不同，導(dǎo)致整個(gè)接頭受熱不均勻，從而產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。較大的殘余拉應(yīng)力是導(dǎo)致焊接接頭發(fā)生脆斷和失效的重要原因[1-3]。管道焊接殘余應(yīng)力的存在會(huì)引起構(gòu)件的腐蝕和開裂，降低其剛度，并直接影響其疲勞性能[4]。因此，深入研究管道焊接接頭殘余應(yīng)力分布對(duì)于指導(dǎo)焊接工藝和提升焊接質(zhì)量至關(guān)重要。

焊接殘余應(yīng)力對(duì)工件的力學(xué)性能、安全運(yùn)行以及使用壽命等方面，均會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響。所以，要盡量減小或改善焊接殘余應(yīng)力。目前，降低焊后殘余應(yīng)力的方法有機(jī)械法和熱處理兩大類。機(jī)械法是利用在工件上施加的壓力導(dǎo)致表面材料產(chǎn)生塑性變形，以此達(dá)到改善焊接殘余應(yīng)力的目的。而熱處理的方法則主要是通過對(duì)焊件進(jìn)行整體或局部加熱，使材料在高溫下產(chǎn)生蠕變和殘余應(yīng)力松弛，以此實(shí)現(xiàn)降低焊接殘余應(yīng)力的目的[5-8]。

熱處理技術(shù)不但能夠強(qiáng)化金屬材料、充分挖掘金屬材料的潛在性能，而且能夠提高零部件的使用壽命。尤其是針對(duì)焊接構(gòu)件而言，焊后熱處理作業(yè)簡(jiǎn)單、對(duì)技術(shù)要求相對(duì)較低，被大量企業(yè)普遍采用。在焊后制定合理的熱處理工藝可以有效改善接頭的殘余應(yīng)力分布[9-10]?；谟邢拊浖到y(tǒng)ABAQUS，郭楊柳等[11]使用熱-應(yīng)力順序耦合的運(yùn)算程式，設(shè)置了多分析步生死單元，以模擬X80管線鋼焊縫殘余應(yīng)力的分布。結(jié)果顯示，焊接接頭的殘余應(yīng)力會(huì)有很大變化，外表面的殘余應(yīng)力明顯高于內(nèi)表面的殘余應(yīng)力。陳勇等[12]通過完全耦合的方法，對(duì)304不銹鋼管焊接過程中的溫度場(chǎng)與殘余應(yīng)力場(chǎng)開展了有限元仿真。結(jié)果顯示，通過焊后熱處理，接頭的殘余應(yīng)力數(shù)值變動(dòng)不大，而應(yīng)力集中部分則明顯下降，焊縫應(yīng)力分配也變得更加均勻。

鑒于焊接工藝的復(fù)雜性，部分研究對(duì)焊接過程中的影響因素考察不夠。因此，本研究采用ABAQUS 有限元技術(shù)模擬X80 管道的焊接過程，同時(shí)采用生死單元技術(shù)，模擬管道直焊縫的焊接和焊后熱處理過程，并研究了熱處理前后殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。

1 建立有限元模型

1.1 有限元分析思路

利用ABAQUS有限元分析軟件，采用順序耦合的方法來模擬焊接接頭的溫度場(chǎng)分布、殘余應(yīng)力及應(yīng)變情況。順序耦合指的是在數(shù)值計(jì)算時(shí)，遵循溫度場(chǎng)-應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的順序進(jìn)行計(jì)算。從熱計(jì)算結(jié)果中提取出管道的溫度場(chǎng)，并將其作為計(jì)算應(yīng)力場(chǎng)分布的預(yù)定義場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接接頭殘余應(yīng)力場(chǎng)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。在計(jì)算過程中，可以通過插值的方式，精確地計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)的溫度，從而獲得焊接接頭殘余應(yīng)力場(chǎng)的分布。另外，使用“生死單元”來模擬實(shí)際的焊道填充過程[13]。整個(gè)焊接過程主要分為三個(gè)部分，分別是內(nèi)層焊接、冷卻過程和外層焊接。

1.2 幾何模型與網(wǎng)格劃分

材料采用X80 鋼級(jí)Φ1 219 mm×18.4 mm 直縫埋弧焊管，并選擇長(zhǎng)度為300 mm（1/40）的模型進(jìn)行研究。使用ABAQUS有限元分析軟件建立管道的幾何模型并劃分網(wǎng)格，對(duì)焊縫中心和熱影響區(qū)附近的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，而將遠(yuǎn)離焊縫處的網(wǎng)格劃分較為稀疏。在焊接前先刪除所有焊縫網(wǎng)格，在焊接時(shí)隨著焊接熱源的掃過網(wǎng)格逐漸被激活，直到焊接完成。

1.3 邊界條件

按照實(shí)際受力情況，對(duì)管道的兩端施加固定約束。對(duì)流換熱系數(shù)和熱輻射率分別為10 W/（m2·K）和0.8。

選擇單道多層焊的焊接方式，可以將整個(gè)焊接過程簡(jiǎn)化為打底焊和蓋面焊（內(nèi)層焊縫和外層焊縫），從而可以在焊接熱源移動(dòng)的同時(shí)，將焊材添加到預(yù)制焊縫中，并且根據(jù)連接時(shí)長(zhǎng)和連接速率，測(cè)算出每個(gè)分析步的持續(xù)時(shí)間。通過腳本編程“Model change”，使得在每個(gè)分析步中都可以得到均勻的焊縫網(wǎng)格，從而完成焊接單元的生死過程。在模擬計(jì)算中，焊縫金屬填充過程通過對(duì)單元進(jìn)行“激活”而實(shí)現(xiàn)。在“殺死”單元的分析步中，將一些與單元相關(guān)的參數(shù)設(shè)置為0。而進(jìn)入“激活”分析步后，當(dāng)焊接熱源加載到焊縫位置前的一瞬間，“激活”與之對(duì)應(yīng)的單元，之前被設(shè)置為0的材料參數(shù)將全部變成剛開始設(shè)定的隨溫度變化的值[14-15]。

1.4 熱源模型

為了更準(zhǔn)確地計(jì)算焊接過程，將其近似為熱源以適當(dāng)?shù)乃俣群吐肪€對(duì)板材進(jìn)行加熱。為了增加計(jì)算的精確度，需要構(gòu)建一個(gè)可靠的熱傳遞模型。在進(jìn)行手動(dòng)電弧焊、埋弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊等焊接時(shí)，雙橢球熱源模型具備很高的精確度和穩(wěn)定性，因此選取其作為熱源模型，如圖1 所示。圖1 中a代表熱源模型的長(zhǎng)、b代表熱源模型的寬、cb代表熱源模型的前半軸長(zhǎng)度、cf代表熱源模型的后半軸長(zhǎng)度。本研究采取的熱源模型a=6 mm、b=7 mm、cb=10 mm、cf=10 mm。

圖1 雙橢球熱源模型示意圖

1.5 材料熱物理性能參數(shù)

焊接過程的模擬是一個(gè)復(fù)雜的熱力耦合問題，有限元分析必須考慮材料熱物理性能隨環(huán)境溫度變動(dòng)的影響，本研究采用的X80材料有關(guān)基本參數(shù)如圖2和圖3[2]所示。

圖2 X80管線鋼熱物理性能隨溫度變化曲線

圖3 X80管線鋼力學(xué)性能隨溫度變化曲線

1.6 焊后熱處理

為有效改善焊接過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，可采用局部熱處理的方法，以確保焊接質(zhì)量。按照GB 50236—2011《現(xiàn)場(chǎng)施工機(jī)械設(shè)備、工業(yè)管道焊接工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》要求，每側(cè)焊縫的保溫范圍不應(yīng)小于焊縫寬度的3倍。焊后熱處理工藝參數(shù)包括：進(jìn)爐溫度、升溫速率、熱處理溫度、保溫時(shí)間、出爐前降溫速率和最后的出爐溫度。為確保改善效果，將熱處理溫度設(shè)定為600 ℃，保溫時(shí)間設(shè)定為6 h，并且在升溫和冷卻流程中采用均勻的速度，如圖4所示。采用去應(yīng)力退火技術(shù)，加熱溫度較低。主要目的是降低接頭的殘余應(yīng)力，穩(wěn)定工件形狀和尺寸。

圖4 焊后熱處理溫度曲線

在對(duì)焊后熱處理過程進(jìn)行分析時(shí)，將焊接過程的模擬結(jié)果作為焊后熱處理模擬的初始狀態(tài)。熱處理過程中使用的有限元模型與焊接過程完全相同。因?yàn)榫植繜崽幚淼姆秶鄬?duì)較小，因此在模擬過程中可以直接在每個(gè)單元的結(jié)點(diǎn)上施加與局部熱處理溫度一致的熱循環(huán)以簡(jiǎn)化整個(gè)流程。此外，在模擬過程中，暫不考慮蠕變的影響。

1.7 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證管道焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，本研究采用盲孔法對(duì)焊縫的殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量。首先，用砂紙對(duì)焊縫外表面進(jìn)行打磨，然后在待測(cè)位置粘貼應(yīng)變花，隨后進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)量，測(cè)量試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。為降低焊接殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果誤差，取長(zhǎng)度為2 m 的試樣進(jìn)行測(cè)量。通過粘貼的應(yīng)變花獲取測(cè)試區(qū)域的應(yīng)變釋放量，利用式（1）～式（7）對(duì)測(cè)得的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，獲得接頭的殘余應(yīng)力分布。計(jì)算公式為

圖5 盲孔法測(cè)量殘余應(yīng)力試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

式中：σ1、σ2——主應(yīng)力，MPa；

σx、σy——x軸（橫向）和y軸（軸向）的應(yīng)力，MPa；

ε0°、ε45°、ε90°——0°、45°和90°應(yīng)變片釋放的應(yīng)變；

E——材料的彈性模量，MPa；

γ——x方向與主應(yīng)力σ1之間的夾角，（°）；

A、B——釋放系數(shù)；

R——測(cè)量應(yīng)力所鉆孔的直徑，mm；

r1、r2——應(yīng)變片到孔中心的距離，mm；

μ——材料的泊松比。

將盲孔法測(cè)得的軸向殘余應(yīng)力與數(shù)值模擬計(jì)算所得的軸向殘余應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比，如圖6 所示。通過圖6可以看出，焊接殘余應(yīng)力模擬結(jié)果與實(shí)際測(cè)量值的分布規(guī)律非常相似，而且數(shù)值誤差也合乎預(yù)期，這證明了數(shù)字建模的可信度和準(zhǔn)確性。

圖6 有限元模擬與盲孔法測(cè)量的殘余應(yīng)力對(duì)比

2 結(jié)果分析

利用有限元分析軟件的“生死單元”功能，可以模擬金屬材料的填充過程。圖7所示為管道多層焊接的填充過程，包括內(nèi)層和外層焊接過程。從圖7中可以看出，未焊接區(qū)域被“殺死”，而待焊的區(qū)域逐漸被“激活”，最終完成整個(gè)管道多層焊的數(shù)值模擬。

圖7 生死單元填充過程

2.1 焊接接頭溫度場(chǎng)分布

圖8所示為不同焊接時(shí)刻焊接接頭的溫度場(chǎng)分布，可觀察到橢球熱源所形成的熔池形貌。圖8（a）～圖8（c）分別為不同焊接時(shí)刻焊縫的填充狀態(tài)，熱源未到達(dá)前，材料處于“死”的狀態(tài)。隨著熱源向前移動(dòng)，前方的金屬材料不斷被熱源加熱，金屬材料溫度逐步上升，直到超過熔點(diǎn)并形成了穩(wěn)定的熔池。熱源后方的金屬材料因熱量傳導(dǎo)至母材，因此溫度逐漸降低，焊縫區(qū)與母材溫度分布差異逐漸增大。最終焊縫區(qū)的熱量通過熱傳導(dǎo)傳遞給母材金屬，以及對(duì)流換熱傳遞給空氣。在熱源作用區(qū)域的中心處溫度最高，約為1 700 ℃，距熱源中心越遠(yuǎn)，溫度逐漸降低。

圖8 不同焊接時(shí)刻接頭的溫度場(chǎng)分布

2.2 焊接接頭等效殘余應(yīng)力分布

圖9所示為熱處理前后管道外壁和內(nèi)壁的等效殘余應(yīng)力云圖。圖9（a）和圖9（c）為焊后管道外壁和內(nèi)壁的等效殘余應(yīng)力分布云圖，從管道外壁來看，焊縫中心應(yīng)力較大，隨著與焊縫中心距離的增大，等效應(yīng)力先降低后增大，隨后又降低，再趨于平穩(wěn)。從管道內(nèi)壁來看，等效應(yīng)力分布呈現(xiàn)出不同于外壁的變化趨勢(shì)。焊縫中心應(yīng)力較小，焊縫兩側(cè)等效應(yīng)力達(dá)到峰值，隨后又逐漸降低，再趨于平穩(wěn)。通過圖9可以看出，焊縫中心的等效應(yīng)力分布呈現(xiàn)出高應(yīng)力狀態(tài)，峰值應(yīng)力大約為560 MPa，接近X80鋼的屈服強(qiáng)度。但經(jīng)過熱處理后，等效峰值應(yīng)力明顯減小，約430 MPa，下降幅度達(dá)到23.2%。通過焊后熱處理，雖然最大應(yīng)力值的位置并未改變，但接頭的應(yīng)力分布卻有了明顯改變。熱處理前，接頭的應(yīng)力分布極為不均，但在經(jīng)熱處理后，接頭的應(yīng)力分布變得均勻，應(yīng)力差值變小。對(duì)比接頭內(nèi)側(cè)和接頭外側(cè)的應(yīng)力分布可以發(fā)現(xiàn)，外側(cè)的應(yīng)力峰值位于焊縫中心，而內(nèi)側(cè)的應(yīng)力峰值位于焊縫兩側(cè)。

圖9 熱處理前后管道外壁和內(nèi)壁的等效殘余應(yīng)力云圖

圖10 為焊接態(tài)和熱處理后接頭內(nèi)外側(cè)的等效應(yīng)力分布情況。從圖10 中可以看出，管道內(nèi)側(cè)和外側(cè)的等效應(yīng)力分布趨勢(shì)是不同的。從外側(cè)來看，焊縫中心的應(yīng)力最大；而在內(nèi)側(cè)，焊縫中心主要是壓應(yīng)力。對(duì)比熱處理前后接頭內(nèi)側(cè)和外側(cè)的等效應(yīng)力分布可以發(fā)現(xiàn)，熱處理僅改變等效應(yīng)力的幅值，但不影響接頭的應(yīng)力分布趨勢(shì)。經(jīng)過熱處理的接頭，其應(yīng)力分布更加均勻，應(yīng)力變化較為平緩。圖11 為熱處理前后接頭厚度方向的等效應(yīng)力分布，可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過焊后熱處理，接頭的應(yīng)力分布更加均勻。在焊縫內(nèi)側(cè)和外側(cè)的交接處，應(yīng)力平滑過渡，無(wú)明顯的應(yīng)力集中。

圖10 熱處理前后焊縫內(nèi)側(cè)和外側(cè)等效應(yīng)力變化曲線

圖11 熱處理前后接頭厚度方向的等效應(yīng)力變化曲線

為了更清楚地表達(dá)焊后熱處理過程中接頭的應(yīng)力變化情況，選取應(yīng)力值最大點(diǎn)，定義為S點(diǎn)，不同熱處理階段S 點(diǎn)的應(yīng)力變化如圖12 所示，從圖12可以看出，S點(diǎn)的應(yīng)力隨著熱處理溫度的升高而逐漸減少，到了保溫階段基本達(dá)到了應(yīng)力平衡狀態(tài)。這是由于隨著熱處理溫度的升高，屈服強(qiáng)度變小了。當(dāng)殘余應(yīng)力超過了屈服點(diǎn)時(shí)，金屬材料會(huì)發(fā)生熱塑性變形，進(jìn)而釋放了部分殘余應(yīng)力。在緩冷階段時(shí)，S 點(diǎn)的應(yīng)力稍有增長(zhǎng)，但變化幅度不大?？傮w而言，接頭在經(jīng)歷熱處理后應(yīng)力分布得到改善。

圖12 S點(diǎn)的應(yīng)力變化趨勢(shì)

2.3 焊接接頭軸向殘余應(yīng)力分布

管道焊接的軸向、徑向和周向分別對(duì)應(yīng)焊接的縱向（平行于焊縫方向）、厚度方向、橫向（垂直于焊縫方向）。在焊接完成后，接頭內(nèi)壁和外壁的軸向殘余應(yīng)力呈現(xiàn)出相似的分布規(guī)律。峰值應(yīng)力均位于焊縫中心，隨著到焊縫中心距離的增加，應(yīng)力逐漸降低，從拉應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力狀態(tài)。隨后，壓應(yīng)力又逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，并趨于穩(wěn)定。圖13 為焊接接頭及熱處理后軸向殘余應(yīng)力分布。計(jì)算結(jié)果顯示，軸向應(yīng)力在焊縫中心處最大，隨著與焊縫中心距離的增加，應(yīng)力迅速變??；但在焊縫兩側(cè)的熔合線附近，應(yīng)力變化則趨于平穩(wěn)，最終達(dá)到了0 MPa。一般而言，外部表面的軸向應(yīng)力要高于內(nèi)部表面的軸向應(yīng)力。在熱處理之前，焊縫中心線附近的軸向拉應(yīng)力達(dá)到了450 MPa，但在熱處理后，這一數(shù)值又降到了370 MPa以下。這是因?yàn)榻饘俨牧显跓崽幚磉^程中發(fā)生塑性變形，由此釋放出了部分應(yīng)力，從而導(dǎo)致接頭的最大軸向應(yīng)力峰值明顯減小。由此可見，熱處理可以顯著改善軸向殘余應(yīng)力，但不會(huì)改變內(nèi)外表面的應(yīng)力分布情況，只會(huì)降低拉應(yīng)力的幅值。

圖13 熱處理前后管道外壁和內(nèi)壁軸向殘余應(yīng)力云圖

圖14 為焊接態(tài)和熱處理后接頭內(nèi)外側(cè)的軸向應(yīng)力分布情況。從圖14 中可以看出，管道內(nèi)側(cè)和外側(cè)的軸向應(yīng)力分布趨勢(shì)是相近的，但焊縫外側(cè)的應(yīng)力比焊縫內(nèi)側(cè)的應(yīng)力略大，經(jīng)過焊后熱處理，接頭的峰值應(yīng)力變小?？傮w而言，焊后熱處理對(duì)管道焊縫外側(cè)軸向應(yīng)力的改善情況大于焊縫內(nèi)側(cè)。

圖14 焊接態(tài)和熱處理后焊接接頭內(nèi)外側(cè)軸向應(yīng)力變化曲線

3 結(jié) 論

（1）通過采用熱-應(yīng)力耦合的計(jì)算方法和生死單元技術(shù)，對(duì)X80直縫埋弧焊管的焊接過程和焊后熱處理進(jìn)行了仿真計(jì)算，從而獲取其應(yīng)力狀態(tài)的變化情況。焊縫熱源作用區(qū)域的中心處溫度最高，約1 700 ℃，距離熱源中心越遠(yuǎn)，溫度逐漸降低。

（2）高應(yīng)力區(qū)域主要集中在外表面的焊縫中心部位，通過熱處理，焊接接頭的等效峰值應(yīng)力明顯下降，從原來的560 MPa 降到了430 MPa，下降幅度達(dá)到23.2%。

（3）S 點(diǎn)（應(yīng)力峰值點(diǎn)）的應(yīng)力隨著熱處理溫度的升高逐漸降低，在保溫階段基本處于平衡狀態(tài)。

（4）在熱處理前，焊縫中心線附近的軸向拉應(yīng)力最大值為450 MPa，而在熱處理后，這一值降至370 MPa以下。

（5）焊后熱處理雖然未能改變最大應(yīng)力值的位置，但可以顯著改善接頭的應(yīng)力分布情況。