基于有限元的双金属复合管焊接残余应力预测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于有限元的双金属复合管焊接残余应力预测方法，包括如下步骤：S1、明确管道规格、基层材料、衬层材料及焊接填充材料；S2、结合现场实际焊接工艺参数，明确所采用的焊接工艺，焊接参数包括焊接电流、电弧电压、焊接速度、焊接热输入；S3、基于FEM方法对实际双金属复合管对接接头进行一比一建模，数值模拟焊接过程；数值模拟时，焊接工艺参数与实际焊接一致；S4、根据模拟结果，判断焊接接头的残余应力大小及分布规律。本发明专利技术可以预测在焊接双金属复合管时产生的残余应力的分布和大小，通过在焊接前预测的残余应力的分布和大小，从而减小因残余应力过大而导致的应力腐蚀开裂的事故发生。开裂的事故发生。开裂的事故发生。

【技术实现步骤摘要】
基于有限元的双金属复合管焊接残余应力预测方法


[0001]本专利技术涉及焊接
，特别是一种基于有限元的双金属复合管焊接残余应力预测方法。

技术介绍

[0002]双金属复合钢管是将镀锌钢管或焊管、无缝钢管和壁厚更薄的耐蚀合金管，强力嵌合在一起的新型复合管材，也是更理想更先进的管道升级换代产品。双金属复合钢管兼有内层优良的耐蚀性能，外层钢管较高的刚度和强度，性价比优良。因此，双金属复合管在石油石化领域具有广阔的使用前景。但在硫化氢等腐蚀环境下，应力的存在会导致应力腐蚀开裂，导致应力腐蚀开裂的应力主要来自生产、焊接及装配过程，且一般为拉应力，而拉应力又以焊接等过程产生的残余应力为主，约占应力腐蚀事故的80％。焊接是双金属复合管应用的重要环节，为减少应力腐蚀开裂事故的发生，减小焊接残余应力已成为双金属复合管安全应用的迫切需求。

技术实现思路

[0003]为解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种基于有限元的双金属复合管焊接残余应力预测方法，可以预测在焊接双金属复合管时产生的残余应力的分布和大小，通过在焊接前预测的残余应力的分布和大小，从而减小因残余应力过大而导致的应力腐蚀开裂的事故发生。
[0004]本专利技术采用的技术方案是：
[0005]一种基于有限元的双金属复合管焊接残余应力预测方法，包括如下步骤：
[0006]S1、明确管道规格、基层材料、衬层材料及焊接填充材料；
[0007]S2、结合现场实际焊接工艺参数，明确所采用的焊接工艺，焊接参数包括焊接电流、电弧电压、焊接速度、焊接热输入；
[0008]S3、基于FEM方法对实际双金属复合管对接接头进行一比一建模，数值模拟焊接过程；数值模拟时，焊接工艺参数与实际焊接一致；
[0009]S4、根据模拟结果，判断焊接接头的残余应力大小及分布规律。
[0010]优选的，所述步骤S2中，焊接热输入采用式(1
‑
1)计算：
[0011]Q＝ηUI/ν
ꢀꢀꢀ
(1
‑
1)
[0012]在式(1
‑
1)中，Q为焊接热输入；η为焊接热效率，取值为0.7；U为电弧电压；I为焊接电流；ν为焊接速度。
[0013]优选的，在步骤S3中，数值模拟时，在预处理设置中添加边界条件和参数，热传导分析的初始条件是构件在焊接前的初始温度分布，在没有预热处理的情况下，初始温度与环境温度相同，然后进行数值计算。
[0014]优选的，在步骤S3中，在计算焊接应力场时，将温度场计算结果以热载荷的形式加载到应力计算模型中，然后采用热弹塑性有限元法进行力学分析，弹性变形遵循Hooke定
律，其大小与弹性模量有关，塑性变形符合Von
‑
Mises定律，当材料等效应力达到固定值时屈服，固定值大小与应力状态无关。
[0015]本专利技术的有益效果是：
[0016]1、预测焊接残余应力对预防应力腐蚀开裂起到了关键性的作用，对工程实践有显著意义。
[0017]2、根据应力值的极限范围，避免因应力值过大而导致焊接发生的局部碱坏和构建断裂。
附图说明
[0018]图1为本专利技术实施例中焊接接头示意图；
[0019]图2为本专利技术实施例中Incoloy 825/L360QS复合管焊接接头有限元模型；
[0020]图3(a)为本专利技术实施例中双椭球热源模型示意图；
[0021]图3(b)为本专利技术实施例中采用磨制双金属复合管的焊缝试样与模拟计算的焊缝形状的对比示意图；
[0022]图4为本专利技术实施例中三点固定约束方法的约束条件示意图；
[0023]图5为本专利技术实施例中中央断面上和焊缝侧的残余应力分布及坐标系转换示意图；
[0024]图6为本专利技术实施例中残余应力取样点路径示意图；
[0025]图7为本专利技术实施例中中央断面上残余应力的计算结果与实测结果示意图；
[0026]图8为本专利技术实施例中焊缝侧残余应力的计算结果与实验测量结果示意图；
[0027]图9为本专利技术实施例中基层和衬层等效残余应力的计算结果示意图。
具体实施方式
[0028]下面结合附图对本专利技术的实施例进行详细说明。
[0029]实施例
[0030]1、实验材料
[0031](1)Incoloy 825/L360QS双金属复合管母材
[0032]研究对象为Incoloy 825/L360QS机械复合管，外基管材料为L360QS碳钢，在双金属复合管应用中主要用于基层承压；内衬管材料为Incoloy 825镍基合金，其Ni、Cr含量较高，具有较强的抗应力腐蚀能力，在工程应用中主要用于内衬层防腐，与腐蚀流体直接接触。
[0033](2)Incoloy 825/L360QS双金属复合管焊材
[0034]采用ERNiCrMo
‑
3焊丝对Incoloy 825/L360QS双金属复合管进行焊接，制备焊接接头，焊丝直径2mm。
[0035](3)焊接接头的制备
[0036]选用Incoloy 825/L360QS复合管制备焊接接头，根据GB/T 985.4
‑
2008《复合钢的推荐坡口》中对于厚度在6
‑
40mm的板材，可采用V形坡口，板材的厚度在7～10mm及12～26mm的偶数时，坡口的角度为60
°
，故采用V形坡口，坡口角度为60
°
，坡口间隙2mm，焊接接头示意图如1。
[0037]2、焊接参数
[0038]采用GTAW对Incoloy 825/L360QS复合管进行焊接，其焊接工艺参数见表1。
[0039]表1 焊接工艺参数
[0040][0041]双金属复合管焊接热输入采用式(1
‑
1)计算。
[0042]Q＝ηUI/ν
ꢀꢀꢀ
(1
‑
1)
[0043]在式(1
‑
1)中，Q为焊接热输入；η为焊接热效率，取值为0.7；U为电弧电压；I为焊接电流；ν为焊接速度。
[0044]焊接时采用打底、过渡、填充和盖面四层焊道进行焊接，制备Incoloy825/L360QS复合管焊接接头，并严格控制多道焊的层间温度，防止双金属复合管接头组织与性能的恶化。焊接过程中，构件的温度分布在焊接热源作用下表现为局部集中而向四周逐渐降低，且材料的热力学性能受温度变化影响，双金属复合管在温度梯度和材料性能差异等综合作用下，形成焊接残余应力。
[0045]3、模型建立
[0046]采用前处理软件Visual Mesh对Incoloy 825/L360QS复合管焊接接头进行建模，并划分网格，Incoloy 825/L360QS复合管焊接有限元模型如图2所示。
[0047]模型尺寸为φ100
×
(7+3)mm，坡口本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于有限元的双金属复合管焊接残余应力预测方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、明确管道规格、基层材料、衬层材料及焊接填充材料；S2、结合现场实际焊接工艺参数，明确所采用的焊接工艺，焊接参数包括焊接电流、电弧电压、焊接速度、焊接热输入；S3、基于FEM方法对实际双金属复合管对接接头进行一比一建模，数值模拟焊接过程；数值模拟时，焊接工艺参数与实际焊接一致；S4、根据模拟结果，判断焊接接头的残余应力大小及分布规律。2.根据权利要求1所述基于有限元的双金属复合管焊接残余应力预测方法，其特征在于，所述步骤S2中，焊接热输入采用式(1
‑
1)计算：Q＝ηUI/ν
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1
‑
1)在式(1
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭星煜，周德志，杨彪，叶丰，张立江，符珉瑜，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：