X80钢曲面对接焊缝残余应力尺寸效应_白林越.pdf

第2卷 第2期V o l.2 N o.2 2 0 2 3年4月 J o u r n a l o f A r m y E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y o f P L A A p r.2 0 2 3X 8 0钢曲面对接焊缝残余应力尺寸效应白林越1,高 磊1,邵 飞1,谢兴坤1,刘 义2,张 龙3(1.陆军工程大学 野战工程学院,江苏 南京 2 1 0 0 0 7;2.陆军工程大学 训练基地,江苏 徐州 2 2 0 0 1 4;3.3 1 6 5 0部队,云南 曲靖 6 5 5 0 0 0)摘要:以试验测得的X 8 0钢高温性能参数为基础建立了曲面对焊结构仿真模型,并进行了试验验证,研究了曲面外径、曲面壁厚和焊缝宽度等尺寸效应对曲面对接焊缝残余应力分布的影响规律。结果表明:曲面外径、曲面壁厚和焊缝宽度的变化均会对曲面对接焊缝残余应力的分布规律产生影响;随着曲面径向截面面积的增大,焊趾处径向残余拉应力逐渐增大,残余压应力峰值逐渐减小;曲面径向截面面积和焊缝宽度的增加,均会引起焊趾处残余拉应力峰值的增大并导致曲面对焊结构中焊接残余应力水平的升高,降低结构整体的耐腐蚀性能和疲劳性能;在选用曲面壁厚小于4 mm的曲面结构进行工程设计时,焊接残余应力分布对壁厚的变化十分敏感,极易导致结构内部残余拉应力的增大并产生应力集中区域。关键词:曲面对焊结构;焊接残余应力;曲面外径;曲面壁厚;焊缝宽度 中图分类号:T G 4 5 7D O I:1 0.1 2 0 1 8/j.i s s n.2 0 9 7-0 7 3 0.2 0 2 2 0 5 2 6 0 0 1D i m e n s i o n a l E f f e c t s o n W e l d i n g R e s i d u a l S t r e s s o f C u r v e d B u t t W e l d o f X 8 0 S t e e l B A I L i n y u e1,GAO L e i1,S HAO F e i1,X I E X i n g k u n1,L I U Y i2,Z HANG L o n g3(1.C o l l e g e o f F i e l d E n g i n e e r i n g,A r m y E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y o f P L A,N a n j i n g 2 1 0 0 0 7,C h i n a;2.T r a i n i n g B a s e,A r m y E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y o f P L A,X u z h o u 2 2 0 0 1 4,C h i n a;3.U n i t 3 1 6 5 0 o f P L A,Q u j i n g 6 5 5 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:B a s e d o n t h e h i g h t e m p e r a t u r e p e r f o r m a n c e p a r a m e t e r s o f X 8 0 s t e e l m e a s u r e d i n t h e e x p e r i-m e n t,a s i m u l a t i o n m o d e l o f t h e c u r v e d b u t t-w e l d e d s t r u c t u r e w a s e s t a b l i s h e d a n d v e r i f i e d b y t h e t e s t.T h e e f f e c t s o f c u r v e d o u t e r d i a m e t e r,c u r v e d w a l l t h i c k n e s s,a n d w e l d w i d t h o n t h e r e s i d u a l s t r e s s d i s t r i b u t i o n o f t h e c u r v e d b u t t-w e l d e d j o i n t w e r e s t u d i e d.T h e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e v a r i a t i o n o f c u r v e d o u t e r d i-a m e t e r,c u r v e d w a l l t h i c k n e s s a n d w e l d w i d t h w i l l a f f e c t t h e r e s i d u a l s t r e s s d i s t r i b u t i o n o f c u r v e d b u t t-w e l d e d j o i n t.W i t h t h e i n c r e a s e o f t h e c u r v e d r a d i a l s e c t i o n a r e a,t h e r a d i a l r e s i d u a l t e n s i l e s t r e s s i n t h e w e l d t o e r i s e s g r a d u a l l y,a n d t h e p e a k v a l u e o f r e s i d u a l c o m p r e s s i v e s t r e s s d e c r e a s e s g r a d u a l l y.T h e a u g-m e n t o f t h e c u r v e d r a d i a l s e c t i o n a r e a a n d t h e w e l d w i d t h w i l l i n c r e a s e t h e p e a k v a l u e o f r e s i d u a l t e n s i l e s t r e s s i n t h e w e l d t o e a n d t h e w e l d i n g r e s i d u a l s t r e s s l e v e l o f t h e c u r v e d b u t t-w e l d e d s t r u c t u r e,a n d r e d u c e t h e c o r r o s i o n r e s i s t a n c e a n d f a t i g u e p e r f o r m a n c e o f t h e w h o l e s t r u c t u r e.T h e w e l d i n g r e s i d u a l s t r e s s d i s t r i-b u t i o n i s v e r y s e n s i t i v e t o t h e c h a n g e o f w a l l t h i c k n e s s w h e n t h e c u r v e d s u r f a c e s t r u c t u r e w i t h t h e c u r v e d w a l l t h i c k n e s s l e s s t h a n 4 mm i s u s e d,w h i c h c a n e a s i l y i n c r e a s e t h e r e s i d u a l t e n s i l e s t r e s s a n d l e a d t o t h e s t r e s s c o n c e n t r a t i o n a r e a i n t h e s t r u c t u r e.收稿日期:2 0 2 2-0 5-2 6基金项目:军内科研项目(L J 2 0 2 1 2 C 0 2 1 1 9 8,KY G Y J Q Z L 2 2 0 4)。第一作者:白林越,博士,讲师,主要研究桥梁与隧道工程,b a i l y 0 1 6s i n a.c n。通信作者:高 磊,博士,副教授,硕士生导师,主要研究桥梁与隧道工程,g l e i a 2 0 2 1s i n a.c o m。K e y w o r d s:c u r v e d b u t t-w e l d e d s t r u c t u r e;w e l d i n g r e s i d u a l s t r e s s;c u r v e d o u t e r d i a m e t e r;c u r v e d w a l l t h i c k n e s s;w e l d w i d t h 长距离油气输送管道以其安全、经济、高效等优点得到世界各国的重视,其长期输送的可靠性成为科研人员关注的焦点,管道工程相关技术的研发与应用也因此得到了飞速发展1-2。为了满足国家油气资源高效输送的需要,大管径、耐高压的管道结构在更多工程中得到应用,该类型结构对管材强度的要求也越来越高3-4。目前,虽然X 1 0 0级管线钢已在国际大型油气输送工程中得到试用,但X 8 0级管线钢仍作为最常用的高等级管线钢应用于内陆和海洋环境下的油气管道工程建设,已有多个国家拥有了成熟的X 8 0钢生产技术和管线加工技术,并得到了大量应用5-6。然而,管线钢等级越高,材料屈服强度越大,焊接产生的残余应力水平越高。X 8 0钢在焊接过程中会产生高水平的焊接残余应力,在内部油气输送介质、外部酸性土壤和海洋卤素环境引起的循环冲击和电化学作用下,直接影响了油气输送管道的耐腐蚀性能和疲劳性能,是导致长距离油气输送管道事故的重要因素7-8。如何减小焊接残余应力对管道结构的影响成为业内人士普遍重视的问题9-1 0。虽然关于焊接结构残余应力的研究已持续多年,但现有研究更多集中在平面焊接接头残余应力的分布规律和对结构性能的影响上1 1-1 3。针对曲面等非平面焊接结构残余应力的研究较少,不足以对高强度管道结构的设计提供指导,仍需对曲面焊接结构的焊接残余应力水平控制方法展开进一步研究。利用试验研究和仿真分析的手段,对X 8 0钢管道结构的曲面对焊过程进行研究,得到了尺寸参数变化对曲面对焊结构残余应力分布的影响规律,为从设计的角度降低管道等曲面结构的残余应力水平、提高管道结构的安全性和使用寿命提供参考。1 仿真分析1.1 有限元模型以X 8 0高强钢为研究对象,其化学成分和力学性能分别如表1、表2所示。表1 X 8 0钢化学成分CS iM nPSV+N b+T i0.2 20.4 01.8 50.0 3 00.0 3 00.1 5 通过试验测得X 8 0钢焊接过程仿真分析所需的高温力学、热物理性能参数,检测项目及试验仪器(型号)如表3所示,测得的试验参数如表4所示。表2 X 8 0钢力学性能屈服强度/MP am i nm a x抗拉强度/MP am i nm a x屈强比m i nm a x5 5 57 0 56 2 58 2 50.9 3表3 检测仪器及型号项目仪器(型号)导热系数散热系数激光导热仪(池耐L F A 4 5 7)比热容差式扫描量热仪(D S C 4 0 4 F 3)线膨胀系数热膨胀仪(池耐D I L 4 0 2 P C)屈服强度弹性模量动态热力学模拟试验机(G l e e b l e 1 5 0 0)密度高精度天平表4 X 8 0钢力学及热物性参数检测结果温度/2 02 5 05