卓金管件有限公司双金属衬里复合管堆焊及对接焊有限元力学分析学习体会
文献概况与工程背景
本文由西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室练章华等与中国石油工程建设有限公司西南分公司陈俊文合作完成，发表于《中国安全生产科学技术》2020年第16卷第11期。研究针对Φ89(8+2)mm尺寸的双金属衬里复合管，基于热-力耦合理论建立了瞬态热-固耦合管端堆焊与对接焊V型槽环焊缝轴对称力学模型，系统分析了堆焊及对接焊过程中焊肉及热影响区的应力变化。双金属衬里复合管是油气开采中常用的耐腐蚀管材，其结构为碳钢基管加不锈钢衬里层，兼具基管的力学强度和衬里层的耐蚀性。在管道安装过程中，复合管的堆焊修复和对接焊接是关键的施工环节，焊接残余应力直接影响管道的服役安全性。
有限元模型建立与仿真方法
模型构建要素
| 模型要素 | 具体设置 |
|---|---|
| 几何模型 | Φ89(8+2)mm轴对称模型 |
| 焊接形式 | 管端堆焊 + V型槽对接焊 |
| 耦合类型 | 瞬态热-固耦合 |
| 分析类型 | 轴对称力学分析 |
| 材料模型 | 温度相关弹塑性 |
采用轴对称模型可以大幅简化计算，同时对于环焊缝的应力分析具有代表性。瞬态热-固耦合分析能够准确模拟焊接过程中温度场的动态变化和由此产生的残余应力分布。V型槽是对接焊中最常用的坡口形式，其几何参数（坡口角度、根部间隙、钝边）直接影响焊接应力分布。
仿真分析的关键环节
- 焊接热源模型：焊接热源的空间分布和时间历程是热分析的基础。常用的热源模型包括高斯热源、双椭球热源等。
- 材料温度相关性能：焊接过程中材料经历从室温到熔化温度再到冷却的过程，弹性模量、屈服强度、热膨胀系数等均随温度变化。
- 相变效应：焊接热循环可能导致热影响区的组织相变，影响残余应力分布。
- 边界条件设置：轴对称模型的边界条件需要合理设置，以反映实际焊接约束条件。
残余应力分析结果
焊接后残余应力分布
| 位置 | 最大残余应力 | 应力性质 | 风险等级 |
|---|---|---|---|
| 对接焊焊肉内 | 最高区域 | 拉应力 | 高 |
| 过渡区靠近对接焊焊肉的基管 | 较高 | 拉应力 | 中 |
| 2次堆焊起始点 | 46.63 MPa（热处理后） | 拉应力 | 中 |
焊接完成后，焊区产生较高的残余应力，最高达463.47 MPa。这一数值相当显著，接近甚至超过了某些碳钢材料的屈服强度。高残余拉应力是焊接结构疲劳失效和应力腐蚀开裂的重要诱因。
热处理后的应力消除效果
热处理工艺消除了90%的残余应力，但仍有三个高应力区存在：
| 高应力区 | 位置描述 | 残余应力（MPa） | 原因分析 |
|---|---|---|---|
| 区域1 | 对接焊焊肉内 | 较高 | 焊肉凝固收缩受约束 |
| 区域2 | 过渡区靠近对接焊焊肉的基管 | 中等 | 基管与焊肉热膨胀差异 |
| 区域3 | 2次堆焊起始点 | 46.63 | 堆焊起始处热循环特殊 |
应力分布的工程解读
对接焊焊肉内残余应力最高，这是焊接残余应力的典型分布特征。焊肉在凝固过程中体积收缩，受到周围已凝固金属的约束，产生残余拉应力。过渡区靠近对接焊焊肉的基管上的残余应力，则来源于基管与焊肉之间的热膨胀系数差异和热循环历史差异。2次堆焊起始点残余应力最高（46.63 MPa），这一现象值得深入分析。
堆焊起始点的应力集中可能与以下因素有关：堆焊起始处熔池的初始形成过程与后续稳态熔池不同，起始点的温度梯度、凝固方向和约束条件均与后续区域不同；两次堆焊之间的热循环叠加效应，第一次堆焊的残余应力对第二次堆焊的应力分布产生影响；堆焊起始点的几何不连续性（如焊道起点与终点的搭接区域）可能引起应力集中。
工程应用与质量控制
热处理工艺的选择与优化
热处理是消除焊接残余应力的主要手段。90%的残余应力消除率表明热处理效果良好，但仍有三个高应力区未被完全消除。在实际工程中，可以考虑以下优化措施：
- 提高热处理温度：适当提高去应力退火温度可以增强应力松弛效果，但需要注意温度过高可能导致组织粗化。
- 延长保温时间：延长保温时间可以促进应力松弛，但会增加生产周期和成本。
- 分段热处理：对高应力区进行局部热处理，针对性消除残余应力。
- 振动时效：作为热处理的补充手段，振动时效可以进一步降低残余应力。
焊接工艺改进措施
| 改进措施 | 预期效果 | 实施难度 |
|---|---|---|
| 优化坡口几何参数 | 减少焊肉体积，降低收缩应力 | 低 |
| 采用多层多道焊 | 均匀热输入，减少应力集中 | 中 |
| 控制焊接热输入 | 减少热影响区，降低残余应力 | 中 |
| 焊后锤击 | 引入压应力，抵消拉应力 | 低 |
| 预热与层间温度控制 | 减缓冷却速率，减少应力 | 中 |
服役安全评估
双金属衬里复合管在服役过程中承受内压、外载和腐蚀介质的联合作用。残余应力与服役载荷的叠加可能超过材料的屈服强度，导致塑性变形甚至开裂。特别是在含Cl⁻、H₂S等腐蚀介质环境中，残余拉应力会显著加速应力腐蚀开裂（SCC）和氢致开裂（HIC）的萌生与扩展。
对于Φ89(8+2)mm尺寸的复合管，壁厚较薄（基管8mm，衬里2mm），焊接残余应力的影响更为显著。薄壁管的刚度较低，焊接变形较大，变形与应力的耦合效应需要特别关注。
学习心得与启示
该研究通过有限元仿真方法，系统揭示了双金属衬里复合管堆焊及对接焊过程中的残余应力分布规律，为工程焊接质量控制提供了重要的理论依据。焊接完成后最高463.47 MPa的残余应力水平，以及热处理后仍存在的三个高应力区，都是工程实践中需要重点关注的问题。特别是2次堆焊起始点残余应力最高（46.63 MPa）这一发现，为堆焊工艺的优化提供了新的思路——可能需要重新审视堆焊起始点的工艺参数，如起始电流、预热方式等。
从工程应用角度看，双金属衬里复合管的焊接质量控制是一个系统工程，需要从坡口设计、焊接工艺参数、热处理制度、无损检测等多个环节进行综合控制。有限元仿真方法为焊接工艺优化提供了高效、经济的分析手段，可以替代部分昂贵的实物试验，缩短工艺开发周期。但仿真结果的可靠性依赖于材料性能数据的准确性和模型假设的合理性，在实际应用中需要将仿真结果与试验数据进行对比验证。未来研究可进一步关注三维模型的建立、实际焊接约束条件的模拟、以及残余应力与服役载荷耦合下的管道寿命评估，为双金属衬里复合管的安全服役提供更全面的技术支撑。