熱依汗古麗·木沙

（新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830047）

油田運(yùn)輸管道中的彎管法蘭焊接仿真及優(yōu)化分析

熱依汗古麗·木沙

（新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830047）

基于Sysweld軟件平臺，采用雙橢球體熱源分布模型，實(shí)現(xiàn)對油田運(yùn)輸管道中的彎管法蘭焊接過程的數(shù)值模擬仿真。使用UG建立彎管法蘭的三維焊接模型，利用Hypermesh、Visual-Weld和Sysweld等進(jìn)行網(wǎng)格劃分、分組和模擬仿真，獲取了溫度場及應(yīng)力應(yīng)變場的分布情況。通過分析焊接溫度場分布和焊件形變得出溫度場對焊件殘余應(yīng)力的影響，優(yōu)化焊接裝卡條件后，改善焊件殘余應(yīng)力情況。

彎管法蘭；數(shù)值模擬仿真；溫度場；應(yīng)力應(yīng)變場；焊件殘余應(yīng)力

在利用管道運(yùn)輸液、氣體時(shí)常有改變運(yùn)輸方向的情況，管道與管道的連接一般采用法蘭盤連接，還可以通過螺栓預(yù)緊力來確保管道在額定壓強(qiáng)下運(yùn)輸液、氣體的穩(wěn)定性。絕大多數(shù)管道運(yùn)輸?shù)氖且?、氣體，而且管道一般都埋在環(huán)境比較惡劣的地方，因此，對彎管法蘭焊接質(zhì)量有較為嚴(yán)格的要求，為確保焊接質(zhì)量，采用有限元或有限差分的方法對焊接應(yīng)力進(jìn)行預(yù)測，這樣可以縮短實(shí)驗(yàn)周期和節(jié)約生產(chǎn)成本[1-2]。也就是說，采用計(jì)算機(jī)模擬仿真的方法來模擬焊接應(yīng)力，能夠帶來較大的經(jīng)濟(jì)效益。

本文對彎管法蘭焊接過程進(jìn)行了模擬仿真，利用UG、Hypermesh、Visual-Weld、Sysweld等進(jìn)行建模、劃分網(wǎng)格、對焊接組件及裝夾條件等進(jìn)行分組，并設(shè)置載入材料屬性函數(shù)、熱源參數(shù)及網(wǎng)格等影響因素，進(jìn)行求解觀察結(jié)果[3-5]。同時(shí)結(jié)合模擬仿真分析結(jié)果，改變焊接過程中加載約束，優(yōu)化彎管法蘭裝卡狀態(tài)，以獲得更高的焊接質(zhì)量。

1 彎管法蘭焊接的數(shù)值仿真

1.1 有限元模型的建立、建模、網(wǎng)格劃分、分組

焊接模型選用國標(biāo)90°彎頭鋼管，材料Q235-A；用牌號為J422型號為E4303的焊條；選用與彎頭相對應(yīng)的型號為DN50平面法蘭盤，單面焊接，雙面螺母連接，對應(yīng)的工作壓力PN=1.8 MPa.選取焊腳尺寸為7 mm，彎管法蘭焊接中彎管壁厚為8 mm，焊腳厚度為7 mm.

此次焊接過程用雙焊槍對稱焊接，其焊接路徑如圖1所示。為了更好地保證結(jié)合點(diǎn)的焊接工藝，采用過八度焊接。

圖1 焊接路徑

UG建模后，導(dǎo)出的IGES格式模型裝入Hypermesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分：此次研究對象為簡化模型留下1/4體；并劃分密網(wǎng)格和疏網(wǎng)格區(qū)域，對模型進(jìn)一步切割分塊，為保證網(wǎng)格的連續(xù)性，需在切割完后的各體之間采用過度連接的方法[6-7]。

在試驗(yàn)中采用Visual Weld軟件對焊接件進(jìn)行分組處理，在數(shù)控焊接機(jī)床上用兩只焊槍進(jìn)行焊接，用Visual Weld軟件完成整個焊接過程中的各點(diǎn)、軌跡線、參考線及機(jī)械邊界定義等條件[8]。

1.2 焊接向?qū)?/p>

焊接向?qū)椋翰牧希ǖ秃辖鸶邚?qiáng)度結(jié)鋼）函數(shù)（w_s355j2g3.mat）；熱源函數(shù)（hsf.fct），采用雙橢球型熱源模型；散熱函數(shù)（CONVECTIVE AND RADIATIVELOSSES mm），采用自然冷卻，邊界溫度30℃；導(dǎo)入網(wǎng)格（T_shapeDATA100.TIT）；用焊接起始點(diǎn)，焊接線，參考線等焊接路徑進(jìn)行焊接操作；Ux、Uy、Uz三個方向的約束為邊界。

2 焊接溫度場分布

焊接時(shí)刻溫度云圖如圖2（a）、（b）所示，焊接速度為6 cm/min，總焊接時(shí)間16 s，空中自然冷卻300 s.從圖中可以看出最高溫度為1 500℃，熔融區(qū)在熱源中心靠近外部的區(qū)域，溫度約為950℃左右，靠內(nèi)區(qū)域?yàn)闊嵊绊憛^(qū)域；熱源的最高溫度基本保持在1 600℃左右，從圖中還可以看出，隨冷卻過程的推移溫度會急劇降低，在300 s時(shí)，溫度基本降低到30℃左右。

圖2 （a）49 s時(shí)焊接時(shí)刻溫度云圖

圖2 （b）300 s時(shí)焊接時(shí)刻溫度云圖

在14 s左右時(shí)的所有單元溫度曲線如圖3所示，焊接中熱源的最高溫度為1 600℃左右，此時(shí)溫度曲線有兩個峰值（雙焊槍同時(shí)焊接）。焊接件中所有單元體在總焊接時(shí)間300 s時(shí)的溫度變化曲線如圖4所示，從圖中可以看出，在0~16 s左右時(shí)處于焊接狀態(tài)，從16~20 s左右時(shí)溫度突降到220℃左右，焊件因溫差較大其溫度迅速下降；20~300 s時(shí)為緩慢冷卻過程，當(dāng)焊件冷卻至室溫整個焊接過程完成。

圖3 14s時(shí)所有單元溫度曲線

圖4 焊接單元體整個焊接過程的溫度曲線

從圖5、圖6中可以看到焊接過程中溫度變化曲線及各點(diǎn)的位置和溫度變化情況，還可以看出焊縫熱源邊上的點(diǎn)的最高溫度在110℃左右，距離焊縫較近的點(diǎn)的最高溫度約為270℃左右，在16 s時(shí)溫度曲線出現(xiàn)波峰；距離焊縫區(qū)域較遠(yuǎn)處的溫度變化相對較小其差距不大。

圖5 選取點(diǎn)和對應(yīng)的溫度變化曲線情況圖

圖6 選取點(diǎn)和對應(yīng)的溫度變化曲線情況圖

3 應(yīng)力應(yīng)變場分析

焊接中經(jīng)過Mechanical Analysis求解可以得出應(yīng)力分布云圖。圖7為300 s時(shí)期應(yīng)力場分布情況，從圖中可以看出在熔融區(qū)與固態(tài)區(qū)域的過渡處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，選用低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，其抗拉強(qiáng)度為470~680 MPa，屈服強(qiáng)度大于等于350 MPa，結(jié)果在許用應(yīng)力范圍內(nèi)[9]。還可從圖中可知大多數(shù)點(diǎn)的應(yīng)力分布在0 MPa左右，最大應(yīng)力不超過390 MPa.本次對分析結(jié)果中Displacements進(jìn)行了查看，結(jié)果如圖8所示，該圖反映在16 s、300 s兩時(shí)刻焊件的應(yīng)變情況，從圖中可以看出，冷卻后的最大變形位置、變形量的變化過程和在彎管處出現(xiàn)整體偏移的情況，偏移量雖然不大但會影響后續(xù)安裝過程，對彎管法蘭的密封性也有所影響。

圖7 300s時(shí)應(yīng)力場分布情況圖

圖8 單元變形情況圖

4 彎管法蘭焊接的優(yōu)化處理

對彎管法蘭焊接過程采取焊件重新定位、裝卡、法蘭盤底端施加約束，并在彎管端面施加裝卡條件來阻止剛性體運(yùn)動等優(yōu)化處理。

優(yōu)化裝卡條件時(shí)，由于在彎管端面添加載荷，在應(yīng)力減小時(shí)會受軸方向影響，應(yīng)力分布曲線與之前曲線相差不大；經(jīng)過添加裝卡條件后，在彎管端面處應(yīng)變有所改善，降低到0.3 mm左右。

通過Sysweld對管道中彎管法蘭焊接件焊接過程進(jìn)行模擬仿真，可以有效的反應(yīng)焊接過程的溫度場的變化，并由此獲得了熱影響區(qū)的分布[10-12]。分析其溫度場和應(yīng)力應(yīng)變場情況，發(fā)現(xiàn)在使用雙焊槍180°對角焊的方式下，冷卻過程中殘余應(yīng)力最大為389.87 MPa，應(yīng)變最大為0.3 mm，經(jīng)過優(yōu)化裝卡條件后，分析發(fā)現(xiàn)冷卻過程中殘余應(yīng)力減小約20 MPa，應(yīng)變降到最低，此時(shí)保證了彎管處的尺寸和角度要求，為后續(xù)安裝做好了準(zhǔn)備，而且法蘭盤裝卡孔的位置的形變量也在要求的范圍內(nèi)，對法蘭連接過程也沒有影響，初步達(dá)到優(yōu)化效果。

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The Welding Simulation Analysis and Optimization to Pipe Flange in Oil Transportation

Reyihanguli·Musha
（School of Mechanical Engineering，XinJiang University，Urumqi 830047，China）

Based on the sysweld software platform，the double ellipsoid heat source distribution model is adopted to realize the numerical simulation of the welding process of the bend flange in the oil transportation pipeline.The three-dimensional welding model of elbow flange is established by using UG.Meshing，grouping and simulation are carried out by using Hypermesh，Visual-Weld and Sysweld.The distribution of temperature field and stress strain field are obtained.By analyzing the distribution of welding temperature field and the deformation of weldment，the influence of temperature field on residual stress of weldment was obtained，and the residual stress of weldment was optimized after the welding condition was optimized.

pipe flange；numerical simulation；temperature field；stress field；welding residual stress

TP319

A

1672-545X（2017）06-0108-03

2017-03-20

基于數(shù)控加工技術(shù)的螺旋錐齒輪齒面電化學(xué)光整加工工藝基礎(chǔ)研究（項(xiàng)目批準(zhǔn)號：51665055）作者簡介：熱依汗古麗·木沙（1969-），女，新疆烏魯木齊人，學(xué)士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)。