機(jī)械式雙金屬復(fù)合管焊接過程數(shù)值模擬

江勝飛，王 燾，王 偉，袁 泉

(中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司蜀南氣礦，四川 威遠(yuǎn) 641000)

對于輸送高溫高壓、高含CO2、高含Cl-等腐蝕介質(zhì)的天然氣管道，碳鋼材質(zhì)的管道往往不能較好地滿足油氣集輸管道的安全要求，而純不銹鋼管由于其一次性投入較大，也未能被廣泛應(yīng)用，在綜合考慮經(jīng)濟(jì)性及安全性的基礎(chǔ)上，雙金屬復(fù)合管在國內(nèi)外油氣田的使用率就越來越高，也取得了良好的防腐蝕及經(jīng)濟(jì)性效果。

雙金屬復(fù)合管分為冶金式復(fù)合管和機(jī)械式復(fù)合管兩種類型，由于冶金式復(fù)合管制造難度大，目前國內(nèi)的制造技術(shù)并不十分成熟，而機(jī)械式雙金屬復(fù)合管以其制造成本低、工藝簡單等優(yōu)勢，成為使用最為廣泛的雙金屬復(fù)合管。機(jī)械式復(fù)合管是將一種管材嵌套在另一種管材內(nèi)，通過各種技術(shù)使管層之間緊密結(jié)合在一起，當(dāng)受外力作用時，兩種管材同時變形，但界面不會分離［1］。雙金屬復(fù)合管的基管一般選用碳鋼管，而襯管的選擇一般以耐蝕合金材料為主［2-5］。

雙金屬復(fù)合管的連接多采用焊接方式完成，但由于雙金屬復(fù)合管的內(nèi)襯與基管采用的材質(zhì)差異較大，不同材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)等物理性能差異也較大，在受熱過程中材料的變形量就不同，這就導(dǎo)致了雙金屬復(fù)合管在焊縫位置會有較大的應(yīng)力集中，為焊縫的腐蝕營造了條件。國內(nèi)外有關(guān)雙金屬復(fù)合管失效的研究也證明，其失效位置多集中于焊縫周圍。下面通過有限元技術(shù)對復(fù)合管對接焊接時的應(yīng)力分布進(jìn)行了數(shù)值仿真分析。其結(jié)果對雙金屬復(fù)合管對接焊縫的工藝設(shè)計有一定的幫助。

1 焊接模擬過程分析

1.1 模型的簡化

運(yùn)用ANSYS 軟件進(jìn)行模擬?？紤]到三維模型的對稱性，為加快運(yùn)算速度，避免出現(xiàn)由于材料物理參數(shù)的嚴(yán)重非線性導(dǎo)致的收斂困難，對模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕?，針對研究?nèi)容，提出以下假設(shè):

(1)焊件初始溫度為環(huán)境溫度25 ℃;

(2)忽略熔池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)和攪拌、對流等現(xiàn)象;

(1)沿路徑1 應(yīng)力分布(見圖6 至圖9)

熱循環(huán)曲線的變化，即隨著熱源的移動焊件上各點(diǎn)的溫度隨時間的變化曲線。沿復(fù)合管內(nèi)襯與基管的結(jié)合面按一定距離取點(diǎn)，取點(diǎn)位置如圖3 所示。

雙金屬復(fù)合管的焊接多采用多層多道焊，研究中將分3 層焊接來完成模擬過程，選用的焊接參數(shù)如表1 所示。

1.2 前處理

由于模型的對稱性，取模型的二分之一即180 度模型進(jìn)行分析，模型如圖1 所示。通過插值法和外推法來確定模擬所需的材料的物理性能，采用單元內(nèi)部生熱作為焊接熱源，模擬過程中使用單元生死技術(shù)來完成焊料的逐步填充。

(4)忽略焊條與母材在材料上的差異，其高溫物理性能采用統(tǒng)一的參數(shù)。

2011-2015年，臺灣對大陸農(nóng)耕產(chǎn)品的貿(mào)易總量中，其中貿(mào)易量較大的產(chǎn)品包括谷類及其制品、水果、堅果及其制品、花卉及其種苗、酒類、咖啡、植物油、農(nóng)-飼料用副產(chǎn)品和其他農(nóng)耕產(chǎn)品；大部分農(nóng)耕產(chǎn)品的貿(mào)易量逐年增加，尤其是谷類及其制品、水果、堅果及其制品、砂糖及其制品、農(nóng)-飼料用副產(chǎn)品和其他農(nóng)耕產(chǎn)品(見圖5)。

圖1 幾何模型

表1 焊接參數(shù)

2 模擬結(jié)果分析

2.1 溫度場分析

(1)溫度云圖(見圖2)

圖2 第三層焊縫溫度云圖

本基坑支護(hù)工程項目采用鋼管樁+高壓旋噴樁施工較好地解決了在淺基坑中沒有放坡條件的情況下的施工問題，支護(hù)效果明顯，達(dá)到了預(yù)期支護(hù)目的，可以作為基坑支護(hù)實例來借鑒參考。

(2)熱循環(huán)曲線

(3)假定焊接的所有邊界僅與空氣發(fā)生對流換熱;

根據(jù)你的描述，分析可能是液力變矩器鎖止不緊，或者變矩器內(nèi)部摩擦片磨損所致，更換液力變矩器，一般應(yīng)該能夠排除該故障。但是，為了確保萬無一失，建議對閥體也進(jìn)行一次解體清洗，消除隱患。

圖3 取點(diǎn)位置

隨著信息通信技術(shù)的快速發(fā)展和全球化的深入推進(jìn)，圍繞創(chuàng)新的全球競爭日益激烈。傳統(tǒng)的封閉式創(chuàng)新正在受到挑戰(zhàn)，積極吸收組織外部的知識和技術(shù)的開放式創(chuàng)新模式則受到越來越多的關(guān)注。在國際上，20世紀(jì)80年代以來，封閉式創(chuàng)新模式開始迅速衰落，以大企業(yè)為中心的創(chuàng)新開始向以大學(xué)和風(fēng)險企業(yè)為中心的創(chuàng)新轉(zhuǎn)變。從新技術(shù)的發(fā)明發(fā)現(xiàn)到產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)價值的過程已經(jīng)不再是全部在大企業(yè)內(nèi)部完成，新技術(shù)的種子在大學(xué)和公共研究機(jī)構(gòu)誕生，產(chǎn)業(yè)化部分則在風(fēng)險企業(yè)完成，大企業(yè)對那些能夠順利實現(xiàn)開發(fā)的技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。企業(yè)通過從大學(xué)或風(fēng)險企業(yè)吸收技術(shù)、與大學(xué)開展共同開發(fā)、收購風(fēng)險企業(yè)等手段實現(xiàn)創(chuàng)新的模式正在變得越來越廣泛。

如圖4 所示，3 個波峰分別代表所取點(diǎn)在3層焊接時的熱循環(huán)曲線。每層焊接對各點(diǎn)的影響趨勢相同，隨著焊接的進(jìn)行(即熱源的移動)，所取點(diǎn)的溫度迅速升高到最高溫度，之后隨著冷卻過程的進(jìn)行，溫度開始下降，焊縫區(qū)最高溫度在2 000 ℃左右。下一層焊接開始時，溫度又開始上升，如此循環(huán)。隨著距焊縫中心距離的增加，所取點(diǎn)的最高溫度逐漸降低，主要原因是隨著距焊縫中心距離的增加，所取點(diǎn)受熱源的影響逐漸減小。

圖4 熱循環(huán)曲線

2.2 應(yīng)力場分析

運(yùn)用ANSYS 的間接法，即先進(jìn)行溫度場分析，然后將求得的節(jié)點(diǎn)溫度作為體載荷施加在應(yīng)力分析中［6］，進(jìn)行計算焊接過程的應(yīng)力場。通過ANSYS 中的通用后處理器，分別沿模型外表面和內(nèi)表面垂直焊縫方向建立路徑(見圖5)，以觀察各節(jié)點(diǎn)在焊接完成后的殘余應(yīng)力情況。

人才隊伍的建設(shè)是工程質(zhì)量的人員保障，同時也不應(yīng)當(dāng)放棄對先進(jìn)管理經(jīng)驗的學(xué)習(xí)。先進(jìn)的質(zhì)量管理經(jīng)驗不僅能夠提升工作效率，還能提升質(zhì)量管理的效果。公路工程建設(shè)施工的管理非常復(fù)雜，其管理主體呈現(xiàn)多元化的趨勢，如果不能進(jìn)行科學(xué)有效的管理，就可能導(dǎo)致整個公路工程建設(shè)停滯不前。可見科學(xué)合理的管理工作能夠適應(yīng)各種環(huán)境下的工程施工。對于整個工程質(zhì)量能夠進(jìn)行有效管理。企業(yè)也應(yīng)該定期舉辦專業(yè)講座，邀請行業(yè)內(nèi)頂尖的工程質(zhì)量管理人員對員工進(jìn)行有效培訓(xùn)，讓員工緊跟新的管理理念的步伐，增強(qiáng)自身對于先進(jìn)管理經(jīng)驗的敏感程度，時刻保持對先進(jìn)管理理念的熱情。

由圖2 可知，隨著熱源的移動，焊縫的熔池也跟隨熱源移動;在焊接開始階段，由于熱源施加的時間不夠長，熔池區(qū)域面積比較小，但隨著熱源的移動，熔池溫度場分布逐漸趨于穩(wěn)定，溫度維持在1 900 ℃左右，第1 層和第2 層焊縫的焊接過程與第3 層相似。

圖5 路徑示意

基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育(Outcome Based Education，簡稱OBE)，也稱為目標(biāo)導(dǎo)向的教育，核心教育理念是面向行業(yè)需求，實時動態(tài)的設(shè)計培養(yǎng)目標(biāo)，并及時調(diào)整畢業(yè)能力要求。圍繞學(xué)生畢業(yè)知識、能力、素質(zhì)需達(dá)到的指標(biāo)全面構(gòu)建課程體系，進(jìn)行教學(xué)設(shè)計以及教學(xué)資源的配置[1-3]。

在焊接過程中，不同位置的節(jié)點(diǎn)溫度變化情況是不同的，所取點(diǎn)位置1 的熱循環(huán)曲線見圖4。

圖6 沿路徑1 徑向殘余應(yīng)力分布

圖7 沿路徑1 環(huán)向殘余應(yīng)力分布

圖8 沿路徑1 軸向殘余應(yīng)力分布

圖9 沿路徑1 焊縫等效應(yīng)力分布

由圖6 至圖8 可知，管道焊縫外表面沿3 個方向的最大應(yīng)力均為拉應(yīng)力，其中最大徑向應(yīng)力和最大環(huán)向應(yīng)力均出現(xiàn)在焊縫中心點(diǎn)附近，最大軸向應(yīng)力出現(xiàn)在熱影響區(qū);3 個方向的應(yīng)力值在熱影響區(qū)均變化較大，最大殘余應(yīng)力出現(xiàn)在環(huán)向，最大值為348.5 MPa，未達(dá)到材料的屈服極限。

由圖9 可知，沿路徑1 的等效應(yīng)力為拉應(yīng)力，最大值位于焊縫中心位置，為323.5 MPa，未達(dá)到材料屈服極限;在焊縫區(qū)以外，應(yīng)力值迅速減小，熱影響區(qū)溫度波動較大，熱影響區(qū)以外區(qū)域應(yīng)力值減小速度變緩，最終應(yīng)力值穩(wěn)定于一個很小的值。

(2)沿路徑2 應(yīng)力分布(見圖10 至圖13)

圖10 沿路徑2 徑向殘余應(yīng)力分布

圖11 沿路徑2 環(huán)向殘余應(yīng)力分布

圖12 沿路徑2 軸向殘余應(yīng)力分布

由圖10 至圖12 可知，管道焊縫內(nèi)表面沿3個方向的最大應(yīng)力均為拉應(yīng)力，最大徑向應(yīng)力和最大環(huán)向應(yīng)力同樣也是出現(xiàn)在焊縫中心點(diǎn)附近，最大軸向應(yīng)力也位于熱影響區(qū)，熱影響區(qū)的應(yīng)力值波動較大，最大殘余應(yīng)力值出現(xiàn)在環(huán)向，最大值為293.7 MPa，未達(dá)到材料的屈服極限。

利益視域下遺傳資源權(quán)利保護(hù)的路徑研究............................................................................................董玉榮 04.78

圖13 沿路徑2 焊縫等效應(yīng)力分布

由圖13 可知，沿路徑2 的等效應(yīng)力為拉應(yīng)力，最大值為279.0 MPa，出現(xiàn)在焊縫區(qū)，未達(dá)到材料的屈服極限，焊縫中心點(diǎn)應(yīng)力值稍小;在熱影響區(qū)范圍內(nèi)，隨著距焊縫中心距離的增加，等效應(yīng)力值迅速減小到14.0 MPa 左右，波動較大;之后應(yīng)力值在輕微增大之后又逐漸減小，并逐漸穩(wěn)定于一個很小的值。

通過運(yùn)用ANSYS 軟件模擬焊接過程得到的結(jié)果可知:

(1)最大等效應(yīng)力值均位于焊縫區(qū)，為拉應(yīng)力，但未超過材料的屈服極限;

(2)沿管道軸向和徑向應(yīng)力均較小，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在環(huán)向;

(3)在焊縫區(qū)軸向、徑向和環(huán)向應(yīng)力均為拉應(yīng)力，焊縫區(qū)受力情況較為復(fù)雜。

2.1 臨床指標(biāo) 兩組麻醉前、手術(shù)開始時、術(shù)中0.5h、手術(shù)完成時患者的心率、平均動脈壓比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。

3 結(jié)論

(1)雙金屬復(fù)合管焊縫的殘余應(yīng)力最大值均為拉應(yīng)力，均出現(xiàn)在焊縫區(qū)，且在熱影響區(qū)波動較大，隨著到焊縫距離的增加，應(yīng)力值逐漸趨于一個很小的值;

(2)焊縫區(qū)的殘余應(yīng)力值沒有達(dá)到材料的屈服極限，不是雙金屬復(fù)合管焊縫失效的直接原因，但較大的殘余應(yīng)力是焊縫發(fā)生腐蝕的必要條件，對焊縫的失效有很大的影響，尤其對點(diǎn)腐蝕、應(yīng)力腐蝕等的發(fā)生有促進(jìn)作用。

(3)通過對雙金屬復(fù)合管焊接過程的模擬發(fā)現(xiàn)，雙金屬復(fù)合管由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，焊接存在一定的難度，焊接過程導(dǎo)致的焊接殘余應(yīng)力較大，盡管沒有直接導(dǎo)致焊縫的失效，但對焊縫腐蝕的發(fā)生起了誘導(dǎo)作用。盡管目前國內(nèi)外都采用了多層多道焊的焊接工藝，盡量降低焊接過程導(dǎo)致的殘余應(yīng)力值，但就目前雙金屬復(fù)合管的使用情況來看，其焊接工藝還存在有待改進(jìn)的方面，主要改進(jìn)方向就是通過改進(jìn)焊接工藝進(jìn)一步降低焊接殘余應(yīng)力值，改善熱影響區(qū)的組織結(jié)構(gòu)。

［1］張寶慶.雙金屬復(fù)合管的制造技術(shù)淺析［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2009，38(03):106～108.

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