复合管道周向焊缝残余应力的预测数值模拟外文翻译资料

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第九届材料加工物理和数值模拟国际会议(ICPNSrsquo;2019)

复合管道周向焊缝残余应力的预测数值模拟

约瑟夫·特伊奇 克赛尼亚·特罗扬诺娃 洛伦佐·奥里奥 乔治·史蒂芬诺 大卫·罗辛

摘要：

众所周知，不同的焊接工艺会在焊接接头中产生残余应力，焊接残余应力可能对疲劳和耐用性或在役性能的其他方面产生负面影响。这种负面影响在海上管道环缝焊中尤为明显，因为海上管道环缝焊通常无法进行PWHT（焊后热处理）。尽管可以使用其他不同的残余应力测量实验方法，但出于各种原因，它们在实际环境中的应用都具有一定的挑战性或者不方便实施，例如：通常由于焊接位置的原因使得焊接表面与测量设备会产生难以接触的问题，以至于用常规的非破坏性方式进行测量并不可行，当然若是使用非常昂贵的设备检验焊接样品便可以简单完成测量，但是用于海上管道的测量显然不够经济。除此之外，焊缝内部或焊缝附近的应力场具有非常复杂可变的特征，并且表现出很高的可塑性，这使得对局部实验测量值的分析十分困难。基于这些原因，使用焊接过程的数值模拟来预测残余应力是如今焊接测量中非常有效且具有经济效益的选择。笔者介绍了使用基于FEM的求解器SYSWELD对焊接过程的热影响进行冶金和热力学分析的工作，以确定API 5LD X65级碳钢，内部辅以625合金覆层制成的管道在环焊后的残余应力场。模拟过程涉及在熔化极气体保护焊技术中执行多个外部焊接道次，以及利用等离子弧焊过程进行根部重熔。为了研究改变所选工艺参数（即焊接顺序）对残余应力场的影响，对工艺进行了进一步的变形模拟。最终，通过数值模拟，可以更深入地了解特定且相当复杂的焊接工艺条件下的残余应力场生成状况。

copy;2019作者。 由Elsevier B.V.发布

这是CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）

第九届国际物理与数值会议科学委员会负责的同行评审

材料加工模拟

*作者通讯地址 电子邮件地址：lorenzo.iorio@esi-group.com

2351-9789copy;2019作者。 由Elsevier B.V.发布

这是CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）

第九届国际物理与数值模拟会议科学委员会负责的同行评审

材料加工论

10.1016 / j.promfg.2019.12.095

关键词：残余应力 管道围焊； 电弧焊； 等离子弧焊； 数值模拟 复合管道； SYSWELD

1. 引言

管道环缝中总是不可避免地会出现残余应力，对于海上管道的环焊缝尤其如此，且海上管道的环焊缝通常不进行应力消除热处理。人们也普遍认为拉伸残余应力可能会对焊接零件脆性断裂，腐蚀性能和疲劳性能产生不利影响[1]。

设计标准中提供了圆周对接焊缝中残余应力分布的解析公式，例如BS 7910 [2]中就提供了对可用残余应力曲线的综述[3]。但是，这些残留应力曲线主要是可以测得或被预测的残余应力数据的上限，这意味着它们在假定用于缺陷的断裂力学评估计算中的焊缝时显得高度保守。

目前通过有限元分析（FEA），并针对特定的管接接头几何形状并考虑了所有使得可能会影响残余应力场形成的制造变量因素从而得出更准确具体的估计值。众所周知，不同焊接工艺的应用涉及不同的热量输入，焊接道次和几何约束的数量，从而导致焊缝上的残余应力不同，所以目前只有极少数研究对海上管道行业典型的焊接接头进行了数值模拟；参见[1]，[3]和[4]。而对包层管环缝焊缝的研究和数值模拟，包括焊接顺序对最终残余应力场的影响的研究更加稀少。

这项工作的目的是对海上管道在安装过程中环焊过程引起的残余应力进行预测，并可能进行优化。更具体地说，研究的对象主要是通过GMAW工艺连接的焊接包层管（CS 3毫米625合金包层），但也包括PAW重熔根处理。焊接材料为镍基合金丝，在被广泛提供的焊接材料中，其化学物质的成分和力学性能被认为与625合金相当。因此，焊接接头是异质的组合态。

建模工作基于FEM的求解器SYSWELD完成。本方案致力于解决一些问题，例如：预测和控制残余应力，变形以及与工业应用相关的其他影响焊接，热处理或类似制造技术中，在高温发生的过程中和可能的固态相变影响材料性能，因而强烈影响产品的最终质量和性能的现象等等问题。

简写命名

A 总伸长率

CCT 连续冷却转变曲线

CRA 耐腐蚀合金

CS 碳钢

GMAW 熔化极气体保护焊

FE / FEA / FEM 有限元/有限元分析/有限元方法

HAZ 热影响区

PAW 等离子弧焊

PWHT 焊接后热处理

Rp0.2 屈服强度

Rm 极限抗拉强度

WT 壁厚

1. 输入参数汇总和解决方法

2.1.设计和工艺参数

研究的目的是在复合管上进行成功的异质焊接，该复合管的外径为355.6 mm，总壁厚为20.4 mm（CS为17.4mm WT，再加上3mm厚的CRA层）。

管壁的基础材料是API 5LD X65级碳钢。表1列出了符合API规范的标准化学成分，表4列出了对拉伸机械性能的要求。

在管道内壁表面上添加3 mm厚度的625合金层，以提高在酸性环境中的耐腐蚀性。表2给出了625合金层的典型化学成分，表4再次给出了拉伸机械性能。

为了执行多道次焊接工艺，在管道边缘进行了窄缝焊缝坡口准备（图1a）。斜角中的填充焊道通过GMAW工艺操作进行，焊丝使用 NiCrMo-3焊丝。该焊丝的典型化学成分在表3中列出，拉伸机械性能（在焊接条件下沉积的金属）在表4中列出。

在管子的外侧总共沉积了7条焊道，此外（但不一定要在焊接顺序中最后进行），从内部执行自发的PAW道次，以重熔根部区域并确保根部平滑轮廓。图1b中描绘了联合布局的示意图，图1c中给出了来自该过程的参考实验执行后的宏观图。焊接过程通常在2G焊接位置进行，即，将管道固定在相对于地面的垂直位置，并且焊接设备头部围绕管道旋转。在管道安装过程中，通常不会在实际条件下应用PWHT。用GMAW进行的外部焊接焊道的热量输入在0.4至0.7 kJ / mm的范围内，而PAW重熔焊道的热量输入在0.6至0.9 kJ / mm的范围内。

图1.（a）焊缝坡口的准备； （b）焊道的布置； （三）参考实验宏观图。

2.2.模拟设置

使用3D实体有限元模型完成焊接过程的建模，但是该3D实体有限元模型仅包含真实管道的四分之一（90度扇形），其中将在角扇形末端的截面上添加合适的边界条件（请参见下文中的更多详细信息）。选择此解决方案是为了该建模方法（3D模型）虽然非常直接，但同时会限制总的计算时间要求。FE网格使用占优势的线性六面体实体元素构造而成，并在靠近焊接接头的区域进行了必要的改进（图2）。

图2.（a）模型的整体外观和尺寸； （b）焊接接头区域的网眼截面细节。

从仿真方法的方面来看，SYSWELD解算器涵盖了许多重要的物理功能，可以分析各种制造过程和与之相关的各种状态，如图3的解算器架构框图所示。通过预测残余应力这一特殊任务，可在两个后续步骤中实现解决问题的方案。首先，为了获得内部温度和相部分的历史变化过程，对传热进行了完全瞬态分析，并进行了冶金相变分析。除此之外，对物理问题进行了分析，以确定位移，应变，应力等。

本方案所描述的解决方法实际上并未涵盖电弧或等离子弧的全部物理分析，但这不是研究的主要目标。因此，通过定义等效热源的方式将必要的热输入效应传递到模型中，通过等效热源确定相应的总功率和功率密度分布，并在焊接区域内生成适当的热量和温度分布。根据相应的焊接参数和代表性宏图，为各个焊接操作确定了热源的各种精确参数。

这种模拟方法基本上要求在非常大的温度范围内以及与材料性能相关的不同类型的冶金相中定义材料的热物理和机械性能。因此，还需要确定相应的动力学模型。由于碳钢的多态性和相变过程中材料性能的急剧变化，所以对于基础材料，必须考虑高温下奥氏体相变的影响以及奥氏体分解成铁素体，贝氏体或马氏体等微观结构成分在冷却过程中的影响。如果不能精确表示这种现象，就无法正确预测残差压力。根据[8]中API X70级碳钢的CCT图，确定了这些冶金转变动力学模型的参数，该图的化学成分与实际基材的情况相符。然后根据可从厂商档案中获得的同等钢种的数据确定热物理和机械性能。另一方面，在不表现出多态性的复合和焊接镍基材料的情况下，没有考虑到冶金转变，因此材料行为仅由一组与温度有关的数据表示。由于它们的相似性，所以已经决定用一组相同的输入材料参数来表示包层和熔敷材料。除此之外还有该方案分析时忽略了稀释和扩散对材料界面的任何影响。

为了进行传热问题分析，将自然辐射和与空气对流引起

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