劉廣輝 葉 超 于雁云

(1． 海洋石油工程(青島)有限公司 山東青島 266500； 2． 大連理工大學船舶工程學院 遼寧大連 116024)

為了完成管子的裝卸、堆放及管子從堆場轉移到鋪管作業(yè)線輸送滾輪的工序，鋪管船甲板上需要設置數(shù)根導軌，其長度往往達到鋪管船或鋪管平臺型寬的1/3～1/2，往往采取分段焊接的方法。雖然分段焊接能減小建造的難度，但焊接變形的逐段累加會嚴重影響導軌完工尺寸的精度，甚至會造成導軌的報廢[1-2]。

為了解決以上問題，胡衛(wèi)國 等[2]提出了幾種焊接工藝優(yōu)化方案，并給出了一些依據(jù)，但并未進行基于數(shù)值或實驗的對比或驗證；Teng等[3]為了定量評估焊接殘余變形和殘余應力，首次使用有限元方法對T型焊接接口進行了分析和研究，但并未加入對不同工藝方案的考慮；楊磊 等[4-5]將焊縫的幾何參數(shù)作為變量加入了有限元分析中，并計算了焊縫的焊接殘余應力；廖強[6]對焊后熱處理的工藝方法進行了深入探討。整體而言，目前大多數(shù)學者對于導軌焊接工藝方案的模擬和考慮較少。本文根據(jù)3種工程上常用的控制焊接變形和殘余應力的方法，提出了4種針對導軌T型材的焊接工藝方案，采用有限元結合生死單元法模擬了焊接過程，并對最大等效應力、溫度極差和最大變形進行了對比分析，最終通過不同方案下疲勞壽命的計算得到了實際焊接過程中最優(yōu)的推薦方案。

1 導軌焊接基本數(shù)學模型

焊接殘余應力和變形的產(chǎn)生是復雜熱彈塑性過程作用后的結果，若利用非線性熱彈塑性過程來分析焊接，將隨溫度改變的材料非線性考慮進去，可使得復雜的動態(tài)焊接應力、應變過程的分析計算成為可能。為了得到不同時刻焊縫及鋼板的材料屬性，須分析焊縫及鋼板的溫度場隨時間變化的規(guī)律，并估算焊縫和鋼板的熱流密度。結合傅立葉熱傳導微分方程，可將固體的能量守恒方程寫成微分方程的形式，即

(1)

式(1)中：ρ為材料的密度；c為材料的比熱容；t為時間；T為溫度場的溫度；k為材料的熱傳導系數(shù)；Q為材料內部熱源的熱流密度。通過式(1)可以在一定的條件下得到鋼板和焊縫整體的溫度場分布。

考慮導軌的焊接過程包含某種移動熱源的輸入，本文取較為常用的高斯熱源[7]，其在一定范圍內移動的熱流密度關系式為

(2)

式(2)中：Qmax為熱源中心的最大熱流密度；r為計算點到熱源中心的距離；R為電弧的有效加熱半徑；q為熱源瞬時輸入熱量；η為焊接熱效率；I為焊接電流；U為電弧電壓。

對式(1)進行求解，其初始條件為在初始時刻鋼板和焊縫溫度近似等于室溫，邊界條件為鋼板與焊縫和空氣接觸的部分構成熱對流邊界條件，即

Tt=0=T空氣

(3)

-T材料表面)

(4)

式(4)中：H為空氣流動對材料表面造成的熱對流的強度系數(shù)，和空氣流速相關。

將式(2)～(4)代入式(1)求出焊接及冷卻過程中的溫度場分布后，可進一步考慮焊接區(qū)組織轉變對應力σ、應變ε帶來的影響，將材料的應力、應變關系表示為

{dσ}=[D]{dε}-{C}dT

(5)

式(5)中：D為彈性或塑彈性模量矩陣;C為與溫度有關的向量。本文通過有限元方法將焊接熱應力場看作材料非線性瞬態(tài)問題并加以求解。

為了有效模擬焊接過程中熱源的移動，應用ANSYS軟件的生死單元法求解導軌的焊接過程。在ANSYS程序中，生死單元通過將其剛度及熱傳導系數(shù)矩陣乘以一個極小的數(shù)，使其不具備傳遞載荷向量的能力。通過這種辦法，可以在焊接熱源移動到指定單元附近時將該單元激活并參與后續(xù)的傳熱和力學計算。

2 導軌焊接工藝方案數(shù)值模擬

2.1 焊接材料基本型式

對于鋪管船上用于滾裝管子的導軌，其基本型式為工字鋼，如圖1a所示，一根導軌具有4道焊縫。B1和B2分別為工字鋼下面板和上面板的寬度，t1和t2分別為工字鋼下面板和上面板的厚度，h和t3分別為腹板的高度和厚度。在施工過程中，首先須對本文T型材形式的鋼材進行焊接(圖1b)，具有2道焊縫?？紤]到后續(xù)2道焊縫的焊接工藝是參照前2道焊縫的重復過程，假設B2=B1，t2=t1，且焊接后續(xù)焊縫時鋼材溫度回到初始的環(huán)境溫度，故為了節(jié)省計算時間，模擬時只考慮圖1b形式的T型材焊接。

圖1 甲板導軌焊接材料的基本型式

2.2 焊接工況及材料特性

本文算例中焊接的T型材導軌尺寸和焊接基本參數(shù)見表1?？紤]到焊接是一個熱學和力學的雙重瞬態(tài)時域分析，在僅對比各工藝方式最終影響的前提下，取較短的鋼軌長度進行簡化計算。焊接使用的材料Q235B的熱力學特性見表2，并認為焊縫材料和鋼板材料具有相同的特征。

表1 本文算例中T型材導軌的尺寸及焊接參數(shù)

表2 本文研究中焊接所用材料的熱力學特性

2.3 焊接工藝方案

參考業(yè)內焊接研究成果[2]，針對T型材的焊接，總結了以下5種焊接工藝方案。

常規(guī)方案：按照順序焊，從T型材的一端焊至另一端，且先焊接圖1b中右側的焊縫,再焊接左側的焊縫；

方案Ⅰ：按照順序焊，從T型材的一端焊至另一端，使用雙數(shù)焊工同時對稱焊接圖1b中左右兩側的焊縫；

方案Ⅱ：從構件的中部往兩端進行焊接，且先焊接圖1b中右側的焊縫,再焊接左側的焊縫；

方案Ⅲ：焊接前進行適當預熱，焊接后進行適當保溫，即初始溫度改為預熱溫度100 ℃，冷卻時先用保溫溫度100 ℃冷卻3 600 s，再用室溫20 ℃冷卻3 600 s，其他操作與常規(guī)方案相同；

方案Ⅳ：焊接前的預熱及焊接后的保溫同方案Ⅲ，其他操作同方案Ⅱ。

為了減少計算成本同時不喪失適用性，本文計算過程假設焊道合并，并通過組合多道焊道來減少焊道數(shù)，進而簡化焊接過程[8]。

2.4 數(shù)值模型建立與結果分析

采用ANSYS軟件建立T型材導軌的有限元模型，網(wǎng)格劃分整體采用實體映射網(wǎng)格(圖2)，網(wǎng)格在導軌縱向的分布根據(jù)焊接速度而定，在ANSYS中設置每秒激活每道焊縫的一排網(wǎng)格。實際模擬過程中，假設室溫為20 ℃，在t=0.01 s時將該溫度賦予鋼板及焊縫，并在t=0.02 s時將焊縫單元殺死。焊接結束后，每道焊縫給予3 600 s的冷卻時間。最后將5個焊接工藝方案所得的溫度場結果進行力學處理，其約束方式參考文獻[9-10]，最后逐個計算相應方案焊接件典型時間點的溫度場、應力、應變。

圖2 T型材導軌的有限元模型

通過對具體焊接工藝方案的力學分析，對比不同方案冷卻后鋼板的溫度極差、最大等效應力和最大變形等3個指標(表3)，以此評判各工藝方案的優(yōu)劣。同時，為了更好地對比各方案對焊接結果的影響程度，各方案指標相對于常規(guī)方案指標的變化率也一并列于表3。

表3 各焊接工藝方案冷卻后的溫度極差、最大等效應力和最大變形結果

從表3可以看出：①在溫度極差方面(表征最終溫度場的均勻程度)，方案Ⅰ是通過2道焊縫同時焊接完成，相比于雙道焊縫順序焊而言，其在焊接過程中焊縫的熱通量產(chǎn)生了疊加，故其最終的溫度極差比較大，甚至超過了常規(guī)方案，而其余方案相對于常規(guī)方案都有所減少，其中方案Ⅳ的溫度極差最小。②在焊縫最大等效應力方面，方案Ⅱ的最大等效應力值最大，但未超過常規(guī)方案，其原因是同時對焊縫施以2個方向的加熱，溫度場在整個鋼板上進行了疊加，從中部開始焊接雖然相比于方案Ⅰ減少了溫度極差，也降低了變形量，但是因為仍然存在驟熱后溫度場的疊加效應，在冷卻后可能使得焊縫最終的等效應力值變得更大；由于同時采用了“預熱+保溫”的措施，緩解了焊接驟熱后溫度場的疊加效應，方案Ⅳ焊縫的最大等效應力最??；整體上看，4個焊接工藝方案焊縫的最大等效應力差距不大，后續(xù)的研究應針對力學和熱學的耦合效應進行更多的敏感性分析，以達到更優(yōu)的最大應力減少效果。③在鋼板最大變形方面，方案Ⅰ—Ⅳ相對常規(guī)方案都能使變形減小，其中方案Ⅲ、Ⅳ因為初始焊接位置取在鋼板中央，對兩端的變形疊加量最少，對變形結果的減小效果較好。

3 鋪管船導軌疲勞壽命影響分析

金屬材料在熱加工過程中，由于局部產(chǎn)生了永久變形，又受到相鄰部分的牽扯，易形成殘留于金屬內部的殘余應力，會使結構的疲勞壽命下降，導致構件在全生命周期中的有效使用時間減少[11-12]。鋪管船在鋪管過程中，柔性管或剛性管須從甲板導軌的兩邊滾至導軌的中間，此過程中每一次滾動都會對導軌造成一定的變形壓力，若導軌本身就有較大的殘余應力，對導軌的使用壽命將會產(chǎn)生非常不利的影響。

對鋪管船甲板導軌進行疲勞校核時，為了簡化計算，認為在衡量疲勞極限方面殘余應力起到平均應力的作用[13]。按照2018年最新出臺的《船體結構疲勞強度指南》[14]進行疲勞壽命評估，簡化處理后設計應力S與最大殘余應力Sh的關系為

S=fmftSh

(6)

式(6)中:Sh為焊接節(jié)點的最大殘余應力;fm為平均應力修正系數(shù),取0.98[14];ft為板厚修正系數(shù)，板厚小于22 mm時取為1.0[14]。

選取指南[14]中的D型S-N曲線(圖3)，該曲線取自英國能源部修正的非管節(jié)點的基本S-N曲線，對分段曲線的前半段(N<107)進行插值計算[15]，對不同方案的應力循環(huán)次數(shù)進行估計，得到各焊接工藝方案的應力循環(huán)結果(表4)。

圖3 D型S-N曲線[14]

方案N相對常規(guī)方案的變化率/%常規(guī)方案2401510方案Ⅰ28371718.14方案Ⅱ26511910.40方案Ⅲ36435351.72方案Ⅳ38550460.53

從表4可以看出，在焊接的過程中通過改變焊接工藝來降低殘余應力，對鋪管船甲板導軌的使用壽命會產(chǎn)生直接影響。根據(jù)式(6)可以看出，最大殘余應力對疲勞壽命的上限可以產(chǎn)生直接影響。在冷卻充分長時間后，可以認為鋼結構中仍然殘留的應力就是殘余應力，故通過施以不同的焊接方案對焊接時的最大等效應力的影響，可以看作是對疲勞壽命的影響。在表3中，方案Ⅳ對最大等效應力的改善幅度最大，相應地對這一小段T型材的使用壽命也可產(chǎn)生約60.53%的增幅。這對于運營壽命達到10～20 a的海上大型結構物而言，具有較大的實際工程意義。

4 結論與建議

1) 對比不同的焊接工藝方案結果表明，通過在焊接前預熱和焊接后保溫的辦法，可使甲板導軌的溫度極差明顯下降，但焊接所需時間增加。

2) 通過降低溫度極差可以使得焊接后的最大等效應力和最大變形均相應降低，因此結合了非常規(guī)焊接順序和預熱、保溫措施的方案Ⅳ有較小的最大等效應力和最大變形量，而且在最后的疲勞壽命計算中也取得了較常規(guī)方案增幅約60%的應力循環(huán)次數(shù)。

3) 本文提出的4種針對鋪管船甲板導軌T型材焊接工藝優(yōu)化方案應在一定條件下根據(jù)需求配合使用，方可使導軌最后的質量和焊接效率得到充分的保證。由于本文中對于導軌分段數(shù)量(分段長度)尚未考慮，建議下一步應針對導軌的分段數(shù)量及導軌橫截面尺寸展開進一步的研究。