X80钢曲面对接焊缝残余应力尺寸效应_白林越.pdf
《X80钢曲面对接焊缝残余应力尺寸效应_白林越.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《X80钢曲面对接焊缝残余应力尺寸效应_白林越.pdf(6页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、 第2卷 第2期V o l.2 N o.2 2 0 2 3年4月 J o u r n a l o f A r m y E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y o f P L A A p r.2 0 2 3X 8 0钢曲面对接焊缝残余应力尺寸效应白林越1,高 磊1,邵 飞1,谢兴坤1,刘 义2,张 龙3(1.陆军工程大学 野战工程学院,江苏 南京 2 1 0 0 0 7;2.陆军工程大学 训练基地,江苏 徐州 2 2 0 0 1 4;3.3 1 6 5 0部队,云南 曲靖 6 5 5 0 0 0)摘要:以试验测得的X 8 0钢高温性能参数为基础建立了曲
2、面对焊结构仿真模型,并进行了试验验证,研究了曲面外径、曲面壁厚和焊缝宽度等尺寸效应对曲面对接焊缝残余应力分布的影响规律。结果表明:曲面外径、曲面壁厚和焊缝宽度的变化均会对曲面对接焊缝残余应力的分布规律产生影响;随着曲面径向截面面积的增大,焊趾处径向残余拉应力逐渐增大,残余压应力峰值逐渐减小;曲面径向截面面积和焊缝宽度的增加,均会引起焊趾处残余拉应力峰值的增大并导致曲面对焊结构中焊接残余应力水平的升高,降低结构整体的耐腐蚀性能和疲劳性能;在选用曲面壁厚小于4 mm的曲面结构进行工程设计时,焊接残余应力分布对壁厚的变化十分敏感,极易导致结构内部残余拉应力的增大并产生应力集中区域。关键词:曲面对焊结
3、构;焊接残余应力;曲面外径;曲面壁厚;焊缝宽度 中图分类号:T G 4 5 7D O I:1 0.1 2 0 1 8/j.i s s n.2 0 9 7-0 7 3 0.2 0 2 2 0 5 2 6 0 0 1D i m e n s i o n a l E f f e c t s o n W e l d i n g R e s i d u a l S t r e s s o f C u r v e d B u t t W e l d o f X 8 0 S t e e l B A I L i n y u e1,GAO L e i1,S HAO F e i1,X I E X i n g k u
4、 n1,L I U Y i2,Z HANG L o n g3(1.C o l l e g e o f F i e l d E n g i n e e r i n g,A r m y E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y o f P L A,N a n j i n g 2 1 0 0 0 7,C h i n a;2.T r a i n i n g B a s e,A r m y E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y o f P L A,X u z h o u 2 2 0 0 1 4,C h i n a;3
5、.U n i t 3 1 6 5 0 o f P L A,Q u j i n g 6 5 5 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:B a s e d o n t h e h i g h t e m p e r a t u r e p e r f o r m a n c e p a r a m e t e r s o f X 8 0 s t e e l m e a s u r e d i n t h e e x p e r i-m e n t,a s i m u l a t i o n m o d e l o f t h e c u r v e d b u t t-w
6、 e l d e d s t r u c t u r e w a s e s t a b l i s h e d a n d v e r i f i e d b y t h e t e s t.T h e e f f e c t s o f c u r v e d o u t e r d i a m e t e r,c u r v e d w a l l t h i c k n e s s,a n d w e l d w i d t h o n t h e r e s i d u a l s t r e s s d i s t r i b u t i o n o f t h e c u r v
7、 e d b u t t-w e l d e d j o i n t w e r e s t u d i e d.T h e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e v a r i a t i o n o f c u r v e d o u t e r d i-a m e t e r,c u r v e d w a l l t h i c k n e s s a n d w e l d w i d t h w i l l a f f e c t t h e r e s i d u a l s t r e s s d i s t r i b u t
8、 i o n o f c u r v e d b u t t-w e l d e d j o i n t.W i t h t h e i n c r e a s e o f t h e c u r v e d r a d i a l s e c t i o n a r e a,t h e r a d i a l r e s i d u a l t e n s i l e s t r e s s i n t h e w e l d t o e r i s e s g r a d u a l l y,a n d t h e p e a k v a l u e o f r e s i d u a l
9、 c o m p r e s s i v e s t r e s s d e c r e a s e s g r a d u a l l y.T h e a u g-m e n t o f t h e c u r v e d r a d i a l s e c t i o n a r e a a n d t h e w e l d w i d t h w i l l i n c r e a s e t h e p e a k v a l u e o f r e s i d u a l t e n s i l e s t r e s s i n t h e w e l d t o e a n d
10、 t h e w e l d i n g r e s i d u a l s t r e s s l e v e l o f t h e c u r v e d b u t t-w e l d e d s t r u c t u r e,a n d r e d u c e t h e c o r r o s i o n r e s i s t a n c e a n d f a t i g u e p e r f o r m a n c e o f t h e w h o l e s t r u c t u r e.T h e w e l d i n g r e s i d u a l s t
11、 r e s s d i s t r i-b u t i o n i s v e r y s e n s i t i v e t o t h e c h a n g e o f w a l l t h i c k n e s s w h e n t h e c u r v e d s u r f a c e s t r u c t u r e w i t h t h e c u r v e d w a l l t h i c k n e s s l e s s t h a n 4 mm i s u s e d,w h i c h c a n e a s i l y i n c r e a s
12、e t h e r e s i d u a l t e n s i l e s t r e s s a n d l e a d t o t h e s t r e s s c o n c e n t r a t i o n a r e a i n t h e s t r u c t u r e.收稿日期:2 0 2 2-0 5-2 6基金项目:军内科研项目(L J 2 0 2 1 2 C 0 2 1 1 9 8,KY G Y J Q Z L 2 2 0 4)。第一作者:白林越,博士,讲师,主要研究桥梁与隧道工程,b a i l y 0 1 6s i n a.c n。通信作者:高 磊,博士,副教
13、授,硕士生导师,主要研究桥梁与隧道工程,g l e i a 2 0 2 1s i n a.c o m。K e y w o r d s:c u r v e d b u t t-w e l d e d s t r u c t u r e;w e l d i n g r e s i d u a l s t r e s s;c u r v e d o u t e r d i a m e t e r;c u r v e d w a l l t h i c k n e s s;w e l d w i d t h 长距离油气输送管道以其安全、经济、高效等优点得到世界各国的重视,其长期输送的可靠性成为科研人员
14、关注的焦点,管道工程相关技术的研发与应用也因此得到了飞速发展1-2。为了满足国家油气资源高效输送的需要,大管径、耐高压的管道结构在更多工程中得到应用,该类型结构对管材强度的要求也越来越高3-4。目前,虽然X 1 0 0级管线钢已在国际大型油气输送工程中得到试用,但X 8 0级管线钢仍作为最常用的高等级管线钢应用于内陆和海洋环境下的油气管道工程建设,已有多个国家拥有了成熟的X 8 0钢生产技术和管线加工技术,并得到了大量应用5-6。然而,管线钢等级越高,材料屈服强度越大,焊接产生的残余应力水平越高。X 8 0钢在焊接过程中会产生高水平的焊接残余应力,在内部油气输送介质、外部酸性土壤和海洋卤素环境
15、引起的循环冲击和电化学作用下,直接影响了油气输送管道的耐腐蚀性能和疲劳性能,是导致长距离油气输送管道事故的重要因素7-8。如何减小焊接残余应力对管道结构的影响成为业内人士普遍重视的问题9-1 0。虽然关于焊接结构残余应力的研究已持续多年,但现有研究更多集中在平面焊接接头残余应力的分布规律和对结构性能的影响上1 1-1 3。针对曲面等非平面焊接结构残余应力的研究较少,不足以对高强度管道结构的设计提供指导,仍需对曲面焊接结构的焊接残余应力水平控制方法展开进一步研究。利用试验研究和仿真分析的手段,对X 8 0钢管道结构的曲面对焊过程进行研究,得到了尺寸参数变化对曲面对焊结构残余应力分布的影响规律,为
16、从设计的角度降低管道等曲面结构的残余应力水平、提高管道结构的安全性和使用寿命提供参考。1 仿真分析1.1 有限元模型以X 8 0高强钢为研究对象,其化学成分和力学性能分别如表1、表2所示。表1 X 8 0钢化学成分CS iM nPSV+N b+T i0.2 20.4 01.8 50.0 3 00.0 3 00.1 5 通过试验测得X 8 0钢焊接过程仿真分析所需的高温力学、热物理性能参数,检测项目及试验仪器(型号)如表3所示,测得的试验参数如表4所示。表2 X 8 0钢力学性能屈服强度/MP am i nm a x抗拉强度/MP am i nm a x屈强比m i nm a x5 5 57 0
17、 56 2 58 2 50.9 3表3 检测仪器及型号项目仪器(型号)导热系数散热系数激光导热仪(池耐L F A 4 5 7)比热容差式扫描量热仪(D S C 4 0 4 F 3)线膨胀系数热膨胀仪(池耐D I L 4 0 2 P C)屈服强度弹性模量动态热力学模拟试验机(G l e e b l e 1 5 0 0)密度高精度天平表4 X 8 0钢力学及热物性参数检测结果温度/2 02 5 05 0 07 5 01 0 0 0 1 2 5 0导热系数/(Wm-1-1)4 8.6 5 3 64 5.2 1 03 6.9 9 42 7.0 6 7 3 0.0 1 0散热系数/(Wm-2-1)1 0
18、 03 5 05 2 01 0 0 01 5 0 0 2 0 9 0比热容/(J k g-1-1)1 5 35 2 65 6 11 1 9 03 6 01 7 8密度/(k gc m-3)7 8 5 07 8 5 07 8 5 07 8 5 07 8 5 0 7 8 5 0线膨胀系数/1 0-6K1 3.1 1 2 5 1 4.3 8 7 9 1 5.1 3 5 3 1 7.0 1 5 7弹性模量/G P a2 2 51 8 7.51 9 51 7 19 93 0切变模量/G P a1 1.2 59.3 7 59.7 58.5 54.9 51.5 0屈服应力/MP a5 7 06 5 04 0
19、 01 1 09 61 5 为简化计算,选取对焊曲面的1/4部分进行建模分析。焊缝宽度1 2 mm,过渡区域宽1 5 mm。建模时焊缝及母材区域采用S O L I D 7 0单元,过渡区域采用S O L I D 9 0单元,以提高计算精度。并在焊缝外表面定义表面效应单元S UR F 1 5 2,用以施加热流密度。建立的有限元模型如图1所示。图1 对焊曲面有限元模型1.2 热源模型焊接仿真分析中选用的热源模型根据焊接工艺确定。本文中的对焊管道采用实际工程中常用的 11第2期 白林越,等:X 8 0钢曲面对接焊缝残余应力尺寸效应S T T 根焊+手工焊填充、盖面技术施焊,具体工艺参数如表5所示。鉴
20、于该焊接工艺为熔化焊,可采用高斯热源模型进行仿真模拟。表5 对焊管道焊接工艺参数焊道焊材牌号直径/mm电流/A电压/V送丝速度/(c mm i n-1)焊接速度/(c mm i n-1)根焊J M-5 81.23 8 04 0 51 82 02 0 02 2 52 02 2填充E 8 1 T 1-N I 22.01 7 52 0 01 92 02 0 62 1 41 82 2盖面E 8 1 T 1-N I 22.02 0 02 3 01 92 02 0 62 1 41 82 2 在对焊接过程进行模拟时,焊接热源以热流密度的形式施加在焊缝表面,其计算公式为qr()=3QR2e-3r2R2(1)式
21、中:Q为输入热量(Q=U I),为效率(=0.7),U为焊接电压,I为焊接电流,R为电弧有效传热半径。施加热流密度后的曲面施焊过程仿真结果见图2。图2 对焊曲面施焊过程2 试验与分析2.1 试验准备试验选用X 8 0无缝管作为对焊加工对象,试件规格如表6所示。测点布置如图3所示。试验时分别在点1位置和点2位置布置两排测点,测点间距依次为5、1 0、1 0和3 5 mm,并在点1位置的焊缝中心设置测点,以测量焊缝处的残余应力值。表6 对焊试件规格项目型号外径/mm厚度/mm长度/mm规格X 8 02 9 91 66 0 0图3 残余应力测点布置2.2 试验方法及结果测量前利用高浓度盐酸和无水乙醇
22、对测量区域表面进行除锈处理,通过X射线检测法对管道曲面焊接区域的残余应力进行测量,试验仪器选用P r o-t o残余应力检测试验机,检测过程如图4所示。图4 X射线残余应力测量过程试验中共制作两个对焊管件用于对比(试件A、试件B)。试件点1位置距焊缝距离由近到远各点编号设为1 01 4(1 0为焊缝中心测点编号),点2位 置 距 焊 缝 距 离 由 近 到 远 各 点 编 号 设 为2 12 4。对焊管件残余应力测量结果分别如表7、表8所示。表7 试件A测点检测结果测点编号1 01 11 21 31 4x/MP a-3 4 0.4 2-3 0 0.0 0-2 6 3.4 0-2 0 3.5 7
23、 5 8.7 9 y/MP a-3 3 4.9 7-3 3 2.3 0-2 6 4.3 5-2 3 2.3 1 1 2.8 5测点编号2 12 22 32 5x/MP a-2 3 8.7 2-2 1 1.3 4-1 9 7.5 9 6 1.6 8 y/MP a-2 7 4.1 9-2 5 7.9 6-2 2 1.7 8-8.5 4表8 试件B测点检测结果测点编号1 01 11 21 31 4x/MP a-3 6 8.2 8-2 5 3.6 9-2 2 3.5 1-1 3 9.2 1-2 9 0.3 4y/MP a-4 1 0.3 6-3 5 4.1 9-2 7 2.2 7-1 1 7.1 4-
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- X80 曲面 对接 焊缝 残余 应力 尺寸 效应 白林越
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。