焊接工藝對(duì)鋪管船甲板導(dǎo)軌熱力學(xué)性能的影響分析*

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(xué)船舶工程學(xué)院 遼寧大連 116024)

為了完成管子的裝卸、堆放及管子從堆場(chǎng)轉(zhuǎn)移到鋪管作業(yè)線輸送滾輪的工序，鋪管船甲板上需要設(shè)置數(shù)根導(dǎo)軌，其長(zhǎng)度往往達(dá)到鋪管船或鋪管平臺(tái)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(huì)嚴(yán)重影響導(dǎo)軌完工尺寸的精度，甚至?xí)斐蓪?dǎo)軌的報(bào)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(jìn)行基于數(shù)值或?qū)嶒?yàn)的對(duì)比或驗(yàn)證；Teng等[3]為了定量評(píng)估焊接殘余變形和殘余應(yīng)力，首次使用有限元方法對(duì)T型焊接接口進(jìn)行了分析和研究，但并未加入對(duì)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(jì)算了焊縫的焊接殘余應(yīng)力；廖強(qiáng)[6]對(duì)焊后熱處理的工藝方法進(jìn)行了深入探討。整體而言，目前大多數(shù)學(xué)者對(duì)于導(dǎo)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(yīng)力的方法，提出了4種針對(duì)導(dǎo)軌T型材的焊接工藝方案，采用有限元結(jié)合生死單元法模擬了焊接過程，并對(duì)最大等效應(yīng)力、溫度極差和最大變形進(jìn)行了對(duì)比分析，最終通過不同方案下疲勞壽命的計(jì)算得到了實(shí)際焊接過程中最優(yōu)的推薦方案。

1 導(dǎo)軌焊接基本數(shù)學(xué)模型

焊接殘余應(yīng)力和變形的產(chǎn)生是復(fù)雜熱彈塑性過程作用后的結(jié)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(jìn)去，可使得復(fù)雜的動(dòng)態(tài)焊接應(yīng)力、應(yīng)變過程的分析計(jì)算成為可能。為了得到不同時(shí)刻焊縫及鋼板的材料屬性，須分析焊縫及鋼板的溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化的規(guī)律，并估算焊縫和鋼板的熱流密度。結(jié)合傅立葉熱傳導(dǎo)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(shí)間；T為溫度場(chǎng)的溫度；k為材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)；Q為材料內(nèi)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(chǎng)分布。

考慮導(dǎo)軌的焊接過程包含某種移動(dòng)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(nèi)移動(dòng)的熱流密度關(guān)系式為

(2)

式(2)中：Qmax為熱源中心的最大熱流密度；r為計(jì)算點(diǎn)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(shí)輸入熱量；η為焊接熱效率；I為焊接電流；U為電弧電壓。

對(duì)式(1)進(jìn)行求解，其初始條件為在初始時(shí)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(gòu)成熱對(duì)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(dòng)對(duì)材料表面造成的熱對(duì)流的強(qiáng)度系數(shù)，和空氣流速相關(guān)。

將式(2)～(4)代入式(1)求出焊接及冷卻過程中的溫度場(chǎng)分布后，可進(jìn)一步考慮焊接區(qū)組織轉(zhuǎn)變對(duì)應(yīng)力σ、應(yīng)變?chǔ)艓淼挠绊?，將材料的?yīng)力、應(yīng)變關(guān)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(guān)的向量。本文通過有限元方法將焊接熱應(yīng)力場(chǎng)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(dòng)，應(yīng)用ANSYS軟件的生死單元法求解導(dǎo)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(dǎo)系數(shù)矩陣乘以一個(gè)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(dòng)到指定單元附近時(shí)將該單元激活并參與后續(xù)的傳熱和力學(xué)計(jì)算。

2 導(dǎo)軌焊接工藝方案數(shù)值模擬

2.1 焊接材料基本型式

對(duì)于鋪管船上用于滾裝管子的導(dǎo)軌，其基本型式為工字鋼，如圖1a所示，一根導(dǎo)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(duì)本文T型材形式的鋼材進(jìn)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(fù)過程，假設(shè)B2=B1，t2=t1，且焊接后續(xù)焊縫時(shí)鋼材溫度回到初始的環(huán)境溫度，故為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，模擬時(shí)只考慮圖1b形式的T型材焊接。

圖1 甲板導(dǎo)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(dǎo)軌尺寸和焊接基本參數(shù)見表1?？紤]到焊接是一個(gè)熱學(xué)和力學(xué)的雙重瞬態(tài)時(shí)域分析，在僅對(duì)比各工藝方式最終影響的前提下，取較短的鋼軌長(zhǎng)度進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算。焊接使用的材料Q235B的熱力學(xué)特性見表2，并認(rèn)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(dǎo)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(xué)特性

2.3 焊接工藝方案

參考業(yè)內(nèi)焊接研究成果[2]，針對(duì)T型材的焊接，總結(jié)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(cè)的焊縫,再焊接左側(cè)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(shí)對(duì)稱焊接圖1b中左右兩側(cè)的焊縫；

方案Ⅱ：從構(gòu)件的中部往兩端進(jìn)行焊接，且先焊接圖1b中右側(cè)的焊縫,再焊接左側(cè)的焊縫；

方案Ⅲ：焊接前進(jìn)行適當(dāng)預(yù)熱，焊接后進(jìn)行適當(dāng)保溫，即初始溫度改為預(yù)熱溫度100 ℃，冷卻時(shí)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(yù)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(jì)算成本同時(shí)不喪失適用性，本文計(jì)算過程假設(shè)焊道合并，并通過組合多道焊道來減少焊道數(shù)，進(jìn)而簡(jiǎn)化焊接過程[8]。

2.4 數(shù)值模型建立與結(jié)果分析

采用ANSYS軟件建立T型材導(dǎo)軌的有限元模型，網(wǎng)格劃分整體采用實(shí)體映射網(wǎng)格(圖2)，網(wǎng)格在導(dǎo)軌縱向的分布根據(jù)焊接速度而定，在ANSYS中設(shè)置每秒激活每道焊縫的一排網(wǎng)格。實(shí)際模擬過程中，假設(shè)室溫為20 ℃，在t=0.01 s時(shí)將該溫度賦予鋼板及焊縫，并在t=0.02 s時(shí)將焊縫單元?dú)⑺?。焊接結(jié)束后，每道焊縫給予3 600 s的冷卻時(shí)間。最后將5個(gè)焊接工藝方案所得的溫度場(chǎng)結(jié)果進(jìn)行力學(xué)處理，其約束方式參考文獻(xiàn)[9-10]，最后逐個(gè)計(jì)算相應(yīng)方案焊接件典型時(shí)間點(diǎn)的溫度場(chǎng)、應(yīng)力、應(yīng)變。

圖2 T型材導(dǎo)軌的有限元模型

通過對(duì)具體焊接工藝方案的力學(xué)分析，對(duì)比不同方案冷卻后鋼板的溫度極差、最大等效應(yīng)力和最大變形等3個(gè)指標(biāo)(表3)，以此評(píng)判各工藝方案的優(yōu)劣。同時(shí)，為了更好地對(duì)比各方案對(duì)焊接結(jié)果的影響程度，各方案指標(biāo)相對(duì)于常規(guī)方案指標(biāo)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(yīng)力和最大變形結(jié)果

從表3可以看出：①在溫度極差方面(表征最終溫度場(chǎng)的均勻程度)，方案Ⅰ是通過2道焊縫同時(shí)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(duì)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(yīng)力方面，方案Ⅱ的最大等效應(yīng)力值最大，但未超過常規(guī)方案，其原因是同時(shí)對(duì)焊縫施以2個(gè)方向的加熱，溫度場(chǎng)在整個(gè)鋼板上進(jìn)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?yàn)槿匀淮嬖隗E熱后溫度場(chǎng)的疊加效應(yīng)，在冷卻后可能使得焊縫最終的等效應(yīng)力值變得更大；由于同時(shí)采用了“預(yù)熱+保溫”的措施，緩解了焊接驟熱后溫度場(chǎng)的疊加效應(yīng)，方案Ⅳ焊縫的最大等效應(yīng)力最??；整體上看，4個(gè)焊接工藝方案焊縫的最大等效應(yīng)力差距不大，后續(xù)的研究應(yīng)針對(duì)力學(xué)和熱學(xué)的耦合效應(yīng)進(jìn)行更多的敏感性分析，以達(dá)到更優(yōu)的最大應(yīng)力減少效果。③在鋼板最大變形方面，方案Ⅰ—Ⅳ相對(duì)常規(guī)方案都能使變形減小，其中方案Ⅲ、Ⅳ因?yàn)槌跏己附游恢萌≡阡摪逯醒?，?duì)兩端的變形疊加量最少，對(duì)變形結(jié)果的減小效果較好。

3 鋪管船導(dǎo)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(nèi)部的殘余應(yīng)力，會(huì)使結(jié)構(gòu)的疲勞壽命下降，導(dǎo)致構(gòu)件在全生命周期中的有效使用時(shí)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(dǎo)軌的兩邊滾至導(dǎo)軌的中間，此過程中每一次滾動(dòng)都會(huì)對(duì)導(dǎo)軌造成一定的變形壓力，若導(dǎo)軌本身就有較大的殘余應(yīng)力，對(duì)導(dǎo)軌的使用壽命將會(huì)產(chǎn)生非常不利的影響。

對(duì)鋪管船甲板導(dǎo)軌進(jìn)行疲勞校核時(shí)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，認(rèn)為在衡量疲勞極限方面殘余應(yīng)力起到平均應(yīng)力的作用[13]。按照2018年最新出臺(tái)的《船體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度指南》[14]進(jìn)行疲勞壽命評(píng)估，簡(jiǎn)化處理后設(shè)計(jì)應(yīng)力S與最大殘余應(yīng)力Sh的關(guān)系為

S=fmftSh

(6)

式(6)中:Sh為焊接節(jié)點(diǎn)的最大殘余應(yīng)力;fm為平均應(yīng)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(shí)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(diǎn)的基本S-N曲線，對(duì)分段曲線的前半段(N<107)進(jìn)行插值計(jì)算[15]，對(duì)不同方案的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)進(jìn)行估計(jì)，得到各焊接工藝方案的應(yīng)力循環(huán)結(jié)果(表4)。

圖3 D型S-N曲線[14]

方案N相對(duì)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(yīng)力，對(duì)鋪管船甲板導(dǎo)軌的使用壽命會(huì)產(chǎn)生直接影響。根據(jù)式(6)可以看出，最大殘余應(yīng)力對(duì)疲勞壽命的上限可以產(chǎn)生直接影響。在冷卻充分長(zhǎng)時(shí)間后，可以認(rèn)為鋼結(jié)構(gòu)中仍然殘留的應(yīng)力就是殘余應(yīng)力，故通過施以不同的焊接方案對(duì)焊接時(shí)的最大等效應(yīng)力的影響，可以看作是對(duì)疲勞壽命的影響。在表3中，方案Ⅳ對(duì)最大等效應(yīng)力的改善幅度最大，相應(yīng)地對(duì)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(duì)于運(yùn)營壽命達(dá)到10～20 a的海上大型結(jié)構(gòu)物而言，具有較大的實(shí)際工程意義。

4 結(jié)論與建議

1) 對(duì)比不同的焊接工藝方案結(jié)果表明，通過在焊接前預(yù)熱和焊接后保溫的辦法，可使甲板導(dǎo)軌的溫度極差明顯下降，但焊接所需時(shí)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(yīng)力和最大變形均相應(yīng)降低，因此結(jié)合了非常規(guī)焊接順序和預(yù)熱、保溫措施的方案Ⅳ有較小的最大等效應(yīng)力和最大變形量，而且在最后的疲勞壽命計(jì)算中也取得了較常規(guī)方案增幅約60%的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。

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