坡口角度对X80管道焊接变形的影响

王佳铭 韩亮

摘 要：X80钢广泛用于石油、化工等领域，在管道焊接过程中局部受到热源影响，产生焊接残余应力进而导致变形，文章就此阐明了焊接变形控制方案，为更好服务工程实践提供参考。

关键词：X80;焊接变形;残余应力

0 引言

X80钢因其良好的焊接性能和耐腐蚀性能，在石油、天然气输送管道中广泛应用。在X80钢管道焊接作业中，焊接接头受热易发生内部组织变化，不可避免有内部应力残余。残余应力过大会导致腐蚀开裂，在实际应用中对管道质量和安全性造成较大影响，缩短管道使用寿命，因此，减小焊接残余应力是焊接工程中的重要研究课题。

1 主要研究内容

以壁厚为18.4mm、直径为1219mm、屈服强度为570MPaX80管道对接焊作为研究对象，使用ANSYS有限元软件利用生死单元技术，并考虑材料在高温时非线性特性的前提下利用热结构间接耦合法对管道多道焊进行仿真模拟计算得出X80材料的焊接温度场、应力场和变形的结果。通过对结果的分析，得出管道多道焊接的优化方案。

2 设计思路

优化方案，通过改变坡口角度（60°、90°、120°等）进一步模拟计算焊接工艺优化后的温度场、应力场和变形，将所得结果与优化前做对比。三坐标测量仪测得变形值，将试验所得结果与模拟计算值进行比较，发现试验与模拟值基本吻合，从而验证数值模拟计算结果的准确性和可靠性，同时也为将来开展管道维护及检修积累经验。

3 模拟过程

由A1的公式可以看出，A1表示半径为4的圆形面积的1/6。所以我们此次选择的两个坡口角度为40°和45°。40°和45°都能被360°整除，可以用于热源计算，通过三个不同的坡口角度对比也能够较好的反映变形分布规律。40°、45°、60°V形坡口焊接变形。

3.1 网格划分

（1）选取面或者体，采用四面体或六面体自由划分，常用的命令有：esize、amesh、vmesh;

（2）设置所有线的剖分细度或者等分数，在对面或者体进行扫掠划分或者自由划分，常见的命令有：vsweep、vemsh;

（3）建立一个面，对面进行网格划分，在拉伸成具有网格的体常见的命令有：vext。

3.2 定义材料属性

金属的物理性能参数比如弹性模量，屈服应力、导热系数、比热容等都随温度的变化而变化。但如今好多金属材料的热物理参数并不全，尤其是在高温区域，比热容和热导率等还随着实际塑性变形的变化而变化，因此必须在ANSYS分析过程中考虑热物理参数。

3.3 生死单元加载

ANSYS程序在工作过程中，并不是将“杀死”的单元从模型中删除，而是将其刚度矩阵乘以一个很小的因子，因子默认值为1.0E-6。死单元的单元载荷为0，从而不对载荷向量生效。如果单元“出生”，并不是将其加入到模型中，而是重新激活它们。在求解器中不能生成新的单元，要“加入”一个单元，先杀死它，然后在合适的载荷步中重新激活它。当一个单元被重新激活时，其刚度、质量、单元载荷等将恢复其原始数值，重新激活的单元也没有应变记录和热量存储等。

3.4 应力场和变形模拟

由图可以知道，V形坡口变形量在40°坡口时为4.66mm，在45°坡口时为3.3mm，在60°坡口时为2.82mm，因此变形量随着角度的增加呈现逐渐变小的趋势，在60°时取得较小值，因此对于管道对接如果开V形坡口尽量开60°坡口。

4 结束语

此次研究主要利用ANSYS软件针对X80管道在焊接过程中的温度场和应力场进行模拟分析，根据模拟结果持续进行优化，给出了优化的方向和具体的方法。证明了数值模拟分析在解决焊接问题中具有可行性，可以较准确地反映残余应力和变形的分布规律。

参考文献：

[1]蔡洪能，唐慕尧.TIG焊焊接温度场的有限元分析[J].海洋工程，1983（04）：34-38.

[2]草俊惠，霍立兴，张玉风.低碳鋼管焊接残余应力有限元分析[J].焊接，2000（12）：11-15.

通讯作者：韩亮