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在石油化工與油氣儲運行業(yè)，在役的壓力容器和管道在檢修過程中焊接接頭處經(jīng)常發(fā)現(xiàn)裂紋。如果發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷后進行簡單的整體報廢，只會造成浪費，因此采用局部補焊的手段對失效部位進行焊接修復，可以有效地節(jié)省材料，延長使用壽命，提高經(jīng)濟效益。但在同一焊接接頭部位進行補焊，材料多次受熱，在補焊處會形成復雜的焊接殘余應力分布狀態(tài)。眾所周知，焊接殘余應力是影響焊接接頭強度的重要因素之一，因此，對設備或管道的焊接修復結構進行焊接殘余應力有限元分析，對制定正確的焊接修復工藝，提高補焊接頭的可靠性具有重要的意義。
燃氣管道最顯著的特點是管線長，焊接接頭多。其主要的失效形式就是焊縫處腐蝕或者斷裂，這些失效的主要原因就是焊縫處的殘余應力集中所造成的。目前，Dong等人對管道焊接接頭的修復長度對焊接殘余應力分布的影響進行過數(shù)值模擬。國內(nèi)的研究人員對管道焊接數(shù)值模擬與焊接缺陷的成因做了大量的研究工作。文中以20鋼的燃氣管道為研究對象，運用大型有限元軟件ABAQUS，對燃氣管道兩種不同形式的修復焊接接頭進行有限元分析，獲得了其焊接修復后的殘余應力分布情況。為優(yōu)化燃氣管道焊接修復工藝提供了理論基礎。
某燃氣管道，設計壓力1.6MPa，材料為20鋼，管道尺寸為529 mmX 8 mm。為了確保該管道強度，對其進行焊接修復，將裂紋處進行打磨，然后施加補焊。
由于燃氣管道與環(huán)向裂紋都具有軸對稱性，文中有限元分析采用軸對稱模型，計算焊接溫度場采用DCAX4單元，計算殘余應力場采用CAX4單元，其中節(jié)點4706個，單元4500個。利用ABAQUS網(wǎng)格自適應處理的特點進行網(wǎng)格局部細化。在遠離焊縫處加大網(wǎng)格。
在數(shù)值模擬過程中，了解材料的熱力學性能參數(shù)是必要的。文中的燃氣管道材料為20鋼，假設焊材與母材的材料相同，熱物理性能在1 500 ~ 3 000 狀態(tài)下保持不變，這種假設的依據(jù)見參考文獻。固相線溫度為1399固液相線為1421℃在焊接加熱的過程中，要考慮相變的影響，由于材料的熔化需要吸收大量的熱，而當焊后凝固時則需要放熱，因此要考慮焊接熔池相變潛熱對焊接溫度場的影響。由文獻可知，取20鋼的潛熱為300 kJ/kg，常溫屈服強度為245 MPa，抗拉強度為410 MPa。
熱源模型為內(nèi)生熱源，焊接熱源模型采用熱振幅曲線方法加載到焊縫，通過時間步的增加來模擬焊接熱源的移動。
在溫度場分析中，焊件的初始溫度取室溫，文中取20燃氣管道的內(nèi)外表面均考慮為對流和輻射的邊界條件，對流系數(shù)取10 W/m2K，輻射發(fā)射率為0.85。在應力場分析中，只在距離焊縫最遠程取兩點約束其所有自由度，以防止焊件發(fā)生剛性移動。在進行內(nèi)壓與焊接殘余應力共同作用下的應力場分析時，考慮到該燃氣管道是埋地管道，故將管道外表面環(huán)向位移約束，而且該管道不沿軸向滑動，再限制其軸向位移。
路徑1分別采用全補焊與局部補焊兩種方法獲得的軸向應力�？梢钥闯�，采用全補焊對燃氣管道焊縫裂紋進行修復，在焊縫處的最大軸向拉應力為109 MPa，最大軸向壓應力為-63 MPa。采用局部焊接修復時，在焊縫處的最大軸向拉應力為125 MPa，最大軸向壓應力為-115 MPa。在補焊區(qū)域的焊縫處，局部補焊的焊接殘余應力明顯大于全補焊的殘余應力。
沿著路徑1分別采用這兩種焊接修復方法所獲得的環(huán)向應力分布�？芍�，采用全補焊修復時，焊縫處的環(huán)向應力均表現(xiàn)為拉應力，最大拉應力為294 MPa，最小拉應力為144 MPa；采用局部補焊修復時，最大環(huán)向拉應力為315 MPa，最大環(huán)向壓應力為-79 MPa。也可以看出，采用局部補焊所得到的最大殘余拉應力也是大于全補焊所產(chǎn)生的拉應力。
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