機械式雙金屬復合管焊接過程數值模擬

江勝飛，王 燾，王 偉，袁 泉

(中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司蜀南氣礦，四川 威遠 641000)

對于輸送高溫高壓、高含CO2、高含Cl-等腐蝕介質的天然氣管道，碳鋼材質的管道往往不能較好地滿足油氣集輸管道的安全要求，而純不銹鋼管由于其一次性投入較大，也未能被廣泛應用，在綜合考慮經濟性及安全性的基礎上，雙金屬復合管在國內外油氣田的使用率就越來越高，也取得了良好的防腐蝕及經濟性效果。

雙金屬復合管分為冶金式復合管和機械式復合管兩種類型，由于冶金式復合管制造難度大，目前國內的制造技術并不十分成熟，而機械式雙金屬復合管以其制造成本低、工藝簡單等優勢，成為使用最為廣泛的雙金屬復合管。機械式復合管是將一種管材嵌套在另一種管材內，通過各種技術使管層之間緊密結合在一起，當受外力作用時，兩種管材同時變形，但界面不會分離［1］。雙金屬復合管的基管一般選用碳鋼管，而襯管的選擇一般以耐蝕合金材料為主［2-5］。

雙金屬復合管的連接多采用焊接方式完成，但由于雙金屬復合管的內襯與基管采用的材質差異較大，不同材質的熱膨脹系數等物理性能差異也較大，在受熱過程中材料的變形量就不同，這就導致了雙金屬復合管在焊縫位置會有較大的應力集中，為焊縫的腐蝕營造了條件。國內外有關雙金屬復合管失效的研究也證明，其失效位置多集中于焊縫周圍。下面通過有限元技術對復合管對接焊接時的應力分布進行了數值仿真分析。其結果對雙金屬復合管對接焊縫的工藝設計有一定的幫助。

1 焊接模擬過程分析

1.1 模型的簡化

運用ANSYS 軟件進行模擬?？紤]到三維模型的對稱性，為加快運算速度，避免出現由于材料物理參數的嚴重非線性導致的收斂困難，對模型進行了適當的簡化，針對研究內容，提出以下假設:

(1)焊件初始溫度為環境溫度25 ℃;

(2)忽略熔池內部的化學反應和攪拌、對流等現象;

(1)沿路徑1 應力分布(見圖6 至圖9)

熱循環曲線的變化，即隨著熱源的移動焊件上各點的溫度隨時間的變化曲線。沿復合管內襯與基管的結合面按一定距離取點，取點位置如圖3 所示。

雙金屬復合管的焊接多采用多層多道焊，研究中將分3 層焊接來完成模擬過程，選用的焊接參數如表1 所示。

1.2 前處理

由于模型的對稱性，取模型的二分之一即180 度模型進行分析，模型如圖1 所示。通過插值法和外推法來確定模擬所需的材料的物理性能，采用單元內部生熱作為焊接熱源，模擬過程中使用單元生死技術來完成焊料的逐步填充。

(4)忽略焊條與母材在材料上的差異，其高溫物理性能采用統一的參數。

2011-2015年，臺灣對大陸農耕產品的貿易總量中，其中貿易量較大的產品包括谷類及其制品、水果、堅果及其制品、花卉及其種苗、酒類、咖啡、植物油、農-飼料用副產品和其他農耕產品；大部分農耕產品的貿易量逐年增加，尤其是谷類及其制品、水果、堅果及其制品、砂糖及其制品、農-飼料用副產品和其他農耕產品(見圖5)。

圖1 幾何模型

表1 焊接參數

2 模擬結果分析

2.1 溫度場分析

(1)溫度云圖(見圖2)

圖2 第三層焊縫溫度云圖

本基坑支護工程項目采用鋼管樁+高壓旋噴樁施工較好地解決了在淺基坑中沒有放坡條件的情況下的施工問題，支護效果明顯，達到了預期支護目的，可以作為基坑支護實例來借鑒參考。

(2)熱循環曲線

(3)假定焊接的所有邊界僅與空氣發生對流換熱;

根據你的描述，分析可能是液力變矩器鎖止不緊，或者變矩器內部摩擦片磨損所致，更換液力變矩器，一般應該能夠排除該故障。但是，為了確保萬無一失，建議對閥體也進行一次解體清洗，消除隱患。

圖3 取點位置

隨著信息通信技術的快速發展和全球化的深入推進，圍繞創新的全球競爭日益激烈。傳統的封閉式創新正在受到挑戰，積極吸收組織外部的知識和技術的開放式創新模式則受到越來越多的關注。在國際上，20世紀80年代以來，封閉式創新模式開始迅速衰落，以大企業為中心的創新開始向以大學和風險企業為中心的創新轉變。從新技術的發明發現到產生經濟價值的過程已經不再是全部在大企業內部完成，新技術的種子在大學和公共研究機構誕生，產業化部分則在風險企業完成，大企業對那些能夠順利實現開發的技術進行生產。企業通過從大學或風險企業吸收技術、與大學開展共同開發、收購風險企業等手段實現創新的模式正在變得越來越廣泛。

如圖4 所示，3 個波峰分別代表所取點在3層焊接時的熱循環曲線。每層焊接對各點的影響趨勢相同，隨著焊接的進行(即熱源的移動)，所取點的溫度迅速升高到最高溫度，之后隨著冷卻過程的進行，溫度開始下降，焊縫區最高溫度在2 000 ℃左右。下一層焊接開始時，溫度又開始上升，如此循環。隨著距焊縫中心距離的增加，所取點的最高溫度逐漸降低，主要原因是隨著距焊縫中心距離的增加，所取點受熱源的影響逐漸減小。

圖4 熱循環曲線

2.2 應力場分析

運用ANSYS 的間接法，即先進行溫度場分析，然后將求得的節點溫度作為體載荷施加在應力分析中［6］，進行計算焊接過程的應力場。通過ANSYS 中的通用后處理器，分別沿模型外表面和內表面垂直焊縫方向建立路徑(見圖5)，以觀察各節點在焊接完成后的殘余應力情況。

人才隊伍的建設是工程質量的人員保障，同時也不應當放棄對先進管理經驗的學習。先進的質量管理經驗不僅能夠提升工作效率，還能提升質量管理的效果。公路工程建設施工的管理非常復雜，其管理主體呈現多元化的趨勢，如果不能進行科學有效的管理，就可能導致整個公路工程建設停滯不前?？梢娍茖W合理的管理工作能夠適應各種環境下的工程施工。對于整個工程質量能夠進行有效管理。企業也應該定期舉辦專業講座，邀請行業內頂尖的工程質量管理人員對員工進行有效培訓，讓員工緊跟新的管理理念的步伐，增強自身對于先進管理經驗的敏感程度，時刻保持對先進管理理念的熱情。

由圖2 可知，隨著熱源的移動，焊縫的熔池也跟隨熱源移動;在焊接開始階段，由于熱源施加的時間不夠長，熔池區域面積比較小，但隨著熱源的移動，熔池溫度場分布逐漸趨于穩定，溫度維持在1 900 ℃左右，第1 層和第2 層焊縫的焊接過程與第3 層相似。

圖5 路徑示意

基于學習產出的教育(Outcome Based Education，簡稱OBE)，也稱為目標導向的教育，核心教育理念是面向行業需求，實時動態的設計培養目標，并及時調整畢業能力要求。圍繞學生畢業知識、能力、素質需達到的指標全面構建課程體系，進行教學設計以及教學資源的配置[1-3]。

在焊接過程中，不同位置的節點溫度變化情況是不同的，所取點位置1 的熱循環曲線見圖4。

圖6 沿路徑1 徑向殘余應力分布

圖7 沿路徑1 環向殘余應力分布

圖8 沿路徑1 軸向殘余應力分布

圖9 沿路徑1 焊縫等效應力分布

由圖6 至圖8 可知，管道焊縫外表面沿3 個方向的最大應力均為拉應力，其中最大徑向應力和最大環向應力均出現在焊縫中心點附近，最大軸向應力出現在熱影響區;3 個方向的應力值在熱影響區均變化較大，最大殘余應力出現在環向，最大值為348.5 MPa，未達到材料的屈服極限。

由圖9 可知，沿路徑1 的等效應力為拉應力，最大值位于焊縫中心位置，為323.5 MPa，未達到材料屈服極限;在焊縫區以外，應力值迅速減小，熱影響區溫度波動較大，熱影響區以外區域應力值減小速度變緩，最終應力值穩定于一個很小的值。

(2)沿路徑2 應力分布(見圖10 至圖13)

圖10 沿路徑2 徑向殘余應力分布

圖11 沿路徑2 環向殘余應力分布

圖12 沿路徑2 軸向殘余應力分布

由圖10 至圖12 可知，管道焊縫內表面沿3個方向的最大應力均為拉應力，最大徑向應力和最大環向應力同樣也是出現在焊縫中心點附近，最大軸向應力也位于熱影響區，熱影響區的應力值波動較大，最大殘余應力值出現在環向，最大值為293.7 MPa，未達到材料的屈服極限。

利益視域下遺傳資源權利保護的路徑研究............................................................................................董玉榮 04.78

圖13 沿路徑2 焊縫等效應力分布

由圖13 可知，沿路徑2 的等效應力為拉應力，最大值為279.0 MPa，出現在焊縫區，未達到材料的屈服極限，焊縫中心點應力值稍小;在熱影響區范圍內，隨著距焊縫中心距離的增加，等效應力值迅速減小到14.0 MPa 左右，波動較大;之后應力值在輕微增大之后又逐漸減小，并逐漸穩定于一個很小的值。

通過運用ANSYS 軟件模擬焊接過程得到的結果可知:

(1)最大等效應力值均位于焊縫區，為拉應力，但未超過材料的屈服極限;

(2)沿管道軸向和徑向應力均較小，最大應力值出現在環向;

(3)在焊縫區軸向、徑向和環向應力均為拉應力，焊縫區受力情況較為復雜。

2.1 臨床指標 兩組麻醉前、手術開始時、術中0.5h、手術完成時患者的心率、平均動脈壓比較，差異無統計學意義（P＞0.05）。

3 結論

(1)雙金屬復合管焊縫的殘余應力最大值均為拉應力，均出現在焊縫區，且在熱影響區波動較大，隨著到焊縫距離的增加，應力值逐漸趨于一個很小的值;

(2)焊縫區的殘余應力值沒有達到材料的屈服極限，不是雙金屬復合管焊縫失效的直接原因，但較大的殘余應力是焊縫發生腐蝕的必要條件，對焊縫的失效有很大的影響，尤其對點腐蝕、應力腐蝕等的發生有促進作用。

(3)通過對雙金屬復合管焊接過程的模擬發現，雙金屬復合管由于其結構的特殊性，焊接存在一定的難度，焊接過程導致的焊接殘余應力較大，盡管沒有直接導致焊縫的失效，但對焊縫腐蝕的發生起了誘導作用。盡管目前國內外都采用了多層多道焊的焊接工藝，盡量降低焊接過程導致的殘余應力值，但就目前雙金屬復合管的使用情況來看，其焊接工藝還存在有待改進的方面，主要改進方向就是通過改進焊接工藝進一步降低焊接殘余應力值，改善熱影響區的組織結構。

［1］張寶慶.雙金屬復合管的制造技術淺析［J］.機電工程技術，2009，38(03):106～108.

［2］凌星中.內復合雙金屬管制造技術［J］.焊管，2001，24(2):43-46.

［3］Jonathan D Dobis，Bhaven Chakravarti.Clad pipingcomponents for refinery applications［J］.Materials Performance，1997，26(7):29-35.

［4］顧建忠.國外雙金屬復合管的用途及生產方法［J］.上海金屬，2000，22(4):16-24.

［5］肖桂華.不銹鋼-碳鋼復合管的生產技術［J］.四川冶金，2000，22(1):58.

［6］任學平，王秉林，高耀東，等.渣罐復合應力的有限元分析［J］.包頭鋼鐵學院學報，2006，25(2):175-177.