层间温度对X80钢管多道环焊接头残余应力的影响_白咚咚.pdf

试验与研究第46卷 第1期2023年1月Vol.46 No.1Jan.2023HAN GUAN 焊管WELDED PIPE AND TUBE层间温度对X80钢管多道环焊接头残余应力的影响*白咚咚1，2，李霄1，2，朱丽霞3，牛辉4，5，贾海东6，席敏敏4，5（1.西安石油大学 材料科学与工程学院，西安 710065；2.西安市高性能油气田材料重点实验室，西安 710065；3.中国石油集团工程材料研究院有限公司，西安 710077；4.中油国家石油天然气管材工程技术研究中心有限公司，西安 710018；5.宝鸡石油钢管有限责任公司，陕西 宝鸡 721008；6.管网集团（新疆）联合管道有限责任公司，乌鲁木齐 830013）摘 要：采用热电偶测量了X80钢管多道环焊接头焊接过程中的热循环，焊后采用盲孔法测量了焊接残余应力，建立了残余应力数值分析模型，并通过试验数据进行了校验，分析了层间温度偏离对残余应力的影响。研究结果表明：不同层间温度下，接头焊缝及热影响区拉应力较高，母材拉应力较低，在母材位置呈现拉-压应力转变。层间温度的改变对接头轴向应力的影响不明显，但对周向应力、等效应力的影响较大。当层间温度为248 时峰值残余应力最低，考虑到经济和时间成本，生产实践中层间温度达到220 时即可。关键词：X80钢管；环焊缝接头；残余应力；层间温度；多道焊中图分类号：TG407 文献标识码：A DOI:10.19291/ki.1001-3938.2023.01.002Effect of Interpass Temperature on Residual Stress of Multipass Girth Welding Joint of X80 Steel Pipe BAI Dongdong1,2,LI Xiao1,2,ZHU Lixia3,NIU Hui4,5,JIA Haidong6,XI Minmin4,5(1.School of Material Science and Engineering,Xian Shiyou University,Xian 710065,China;2.Xian Key Laboratory of High Performance Oil and Gas Field Materials,Xian 710065,China;3.CNPC Tubular Goods Research Institute,Xian 710077,China;4.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods Co.,Ltd.,Xian 710018,China;5.Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China;6.Pipe Network Group(Xinjiang)United Pipeline Co.,Ltd.,Urumqi 830013,China)Abstract:Thermocouple is used to measure the thermal cycle in the welding process of multipass girth welding joint of X80 steel pipe.After welding,residual stress is measured by blind hole method.The numerical analysis model of residual stress is established,and the effect of temperature deviation between layers on residual stress is verified by experimental data.The results show that at different interpass temperatures,the tensile stress in the weld and heataffected zone is higher,while the tensile stress in base meta is lower,showing a pullcompression stress transition at the base metal position.The change of interpass temperature has no significant effect on the axial stress of the joints,but has a greater influence on the circumferential stress and the equivalent stress.Peak residual stress is lowest when the interlayer temperature is 248.Considering economic and time costs,the interpass temperature reaches 220 in production practice.Key words:X80 steel pipe;girth welding joints;residual stress;interpass temperature;multipass welding*基金项目：中国石油天然气集团公司科技项目“油气田站场完整性管理技术研究”（项目编号CNPC2021DJ2804）。72023年 第 46 卷焊 管0引 言X80厚壁大直径钢管主要用于石油和天然气管道输送，在工程中一般采用多道环焊接头，这类接头焊道数量多，层间温度过高或过低都会致使接头性能下降，层间温度过低时接头残余应力较高可能导致开裂1，层间温度过高，可能会引起热影响区组织性能下降，因此较优的层间温度偏离程度可以降低接头应力水平，提高管道服役安全性能。周维、寇荣魁等人2-3通过有限元模拟分析了预热温度对高强度厚板焊接残余应力的影响，发现焊前预热能有效降低接头残余应力，但随着预热温度的提高，对残余应力的降低作用趋缓。倪川皓等4通过SYSWELD对Q690钢的焊接过程进行了有限元模拟，研究发现层间温度的提高能够降低纵向、横向、板厚方向以及等效应力水平。隋永莉等5通过试验发现，预热温度（层间温度）达到50 后，多道焊接头没有明显缺陷，随着预热温度升高，填充层焊缝金属的组织变得较为细小。Dornelas 等6通过计算和物理模拟，研究了层间温度对API X65钢管焊接接头热影响区的影响，发现层间温度从310 升高到450 的过程中，粗晶区贝氏体的转变温度降低，导致焊接接头热影响区出现脆化。在X80钢的焊接过程中预热、层间温度一般为100150，众多研究已表明预热温度的提高能降低接头的残余应力水平，层间温度对多道焊接头残余应力的影响规律仍需进一步研究确定。因此本研究以X80管道多道焊接头为研究对象，建立不同层间温度下焊接模型，使用热电偶测量盖面焊的热循环，采用盲孔法测量管体表面焊接残余应力7，以此验证数值模拟的准确性，并对不同层间温度条件下管道焊接残余应力的大小和分布进行研究，为管道工程建设提供数据支撑。1试验条件1.1试验参数试验采用 X80 钢级 1 219 mm18.4 mm 管段，焊接方法为熔化极气体保护焊，保护气体为Ar CO2=1 4，焊接材料为ER70S。接头坡口为V形，通过7道次焊接填满，焊接参数见表1，焊接顺序依次为根焊、热焊、填充焊和盖面焊。采用电磁加热进行预热，预热温度为100，一个道次焊接后冷却至室温，再次预热至100 作为层间温度，然后开始下一道次的焊接。1.2热循环及残余应力测试热循环测量过程中使用储能焊机在焊缝位置点焊热电偶，使用K型NiCr-NiSi热电偶测量焊接热循环，并采用日置函数记录仪提取数据，如图1所示。焊后采用盲孔法测定残余应力，测点共3组，每组间隔10 mm，位于管道外壁并垂直于焊缝，如图2所示。测点与焊缝中心距离分别为0 mm（焊缝）、6 mm（焊趾）、11 mm、21 mm、36 mm、51 mm、71 mm、96 mm，测试后取平均值。表1焊接参数焊道名称根焊热焊、填充焊1、2、3盖面焊1、2电流/A150180180230140170电压/V242624272325送丝速度/(in min-1)330350380450280300焊接速度/(in min-1)202216231416气体流量/(L min-1)202530352025图1焊接热循环测试图2管道外壁应力测试点分布 8第1期白咚咚等：层间温度对X80钢管多道环焊接头残余应力的影响HAN GUAN 2有限元模型2.1几何模型1/8管段几何模型如图3（a）所示，管段壁厚为18.4 mm，长度为400 mm，依据焊接接头宏观金相，建立多道焊焊缝并划分层道数，如图3（b）所示。焊接接头热影响区宽度为3 mm。建立6组不同焊接条件模型，层间温度分别为 70、100、140、180、220、270。在设定边界条件前建立柱坐标，对管段周向两端及轴向两端的自由度进行约束8，如图3（c）所示。模型采用六面体网格，焊道及热影响区网格较密，母材位置相对稀疏如图3（d）所示9-10。热物理参数和力学性能参数见表2。2.2热源模型均匀体热源模型的特点是施加到焊缝截面上的热流密度是相同的，其适用范围较广11-12。本研究焊接工艺为气体保护焊，层道数较多且焊道形貌较为复杂，因此采用均匀体热源，生热率为q=UIV（1）式中：q生热率；焊接热效率，取0.813；I焊接电流；U焊接电压；V热源作用的体积。图3几何模型及网格表2X80钢性能参数温度/202004006008001 0001 200比热/(J kg-1 K-1)285378483585702812923热导率/（W m-1 K-1）48566151453523密度/（kg m-3）7 8867 8107 8017 7367 7027 6457 610弹性模量/GPa220200185115955553屈服强度/MPa640605510410100500480 92023年 第 46 卷焊 管3结果分析3.1焊接热循环对比热循环试验得到的结果与数值模拟结果对比如图4所示，从图4中可以看出，升温速率、峰值温度和冷却速率的变化趋势相似。通过计算得出试验结果中的冷却时间 t8/5为 3.4 s，数值模拟中的 t8/5为 3.2 s，t8/5误差约为 6%，因此模拟结果较为准确。3.2熔池形状尺寸对比根据实际宏观接头构建热源形态14，熔合区 温 度 在 1 500 以 上，热 影 响 区 温 度 在600 以上。熔合区与热影响区形貌与宏观接头 17 焊道基本匹配，如图 5（a）图 5（g）所示。3.3残余应力对比外壁残余应力数值模拟结果与试验测量的结果对比如图6所示。从图6可以看出，在焊缝位置周向的拉应力较大，轴向的压应力较大，应力的数值模拟结果与试验测量结果变化规律基本一致，且残余应力峰值的误差百分比在7%以内。图4热循环模拟与试验结果图5不同焊道热源形貌图6残余应力数值模拟与试验测量结果对比（层间温度100）10第1期白咚咚等：层间温度对X80钢管多道环焊接头残余应力的影响HAN GUAN 由此认为该有限元模型较为准确地描述了X80钢的焊接过程。4层间温度对残余应力的影响4.1层间温度对残余应力分布的影响在应力云图的接头截面处设定2条路径进行分析，如图7所示。Path1位于根焊位置，距离内表面0.5 mm；Path2位于盖面焊位置，距离外表面0.5 mm。路径的长度为32 mm，范围覆盖了应力水平较高的焊缝、热影响区及母材。由于环焊接头的残余应力主要是周向应力，