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不锈钢钢管多道焊焊缝残余应力模拟分析

文档作者：李琦康平文档来源：海工英派尔工程有限公司		点击数：	更新时间： 2025年10月21日
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第44卷增刊1
2015年8月
石油化工设备
PETR0一CHEMICAL EQUIPMENT
Vo1．44 Supplement 1
Aug．2015
文章编号：1000-7466(2015)增刊1-0012—04
不锈钢钢管多道焊焊缝残余应力模拟分析
李 琦，康 平
(海工英派尔工程有限公司，山东青岛 266000)
摘要：广泛应用于高强钢管线接头的多层多道焊接中，焊接温度场及残余应力变化相当复杂。利用
有限元方法单元生死技术建立了多道焊模型。采用热一结构顺序耦合方法，对SUS304不锈钢钢管
进行了多道焊焊接模拟，得到了焊接温度及焊后残余应力分布，可为焊接接头的结构设计及其结构
完整性分析提供参考。
关键词：不锈钢钢管；多道焊；残余应力；有限元；模拟分析
中图分类号：TQOSO．406；TG457 文献标志码：B doi：10．3969／j．issn．1000-7466．2015．S1．004
Residual Stress Sim ulation in M ulti—pass W eld of Stainless Steel Pipes
LI Qi，KANG Ping
(COOEC—ENPAL Engineering Co．Ltd．，Qingdao 2 6 6 000，China)
Abstract：Multi—pass welds are used in pipes with stainless stee1．The complicated temperature
field and residual stresses in these welded structures are very important．The finite element meth—
od is used to simulate residual stress in multi—pass butt—welds．Element birth technique is imple—
mented to model multi—pass welded 304 stainless steel pipes．One—way coupled thermo—mechanical
analysis is adopted to calculate the residual stresses，that the structural analysis takes the temper—
ature distributions as thermal input．The results provide reference for the structure integrity as—
sessm ent of welded pipes．
Key words：stainless steel pipe； multi—channel weld； residual stress； finite element； simula—
tion analysis
多层多道焊广泛应用于高强钢管线的焊接中，
焊接过程中引起的复杂温度场及焊后残余应力对焊
接结构的性能将产生重要影响。近30 a来，许多学
者对焊接过程及其残余应力进行了大量研究 J。
Yaghi A H 等概述了焊接过程的数值模拟方法，详
细描述了有限元方法在焊接过程模拟中的应用，结
合有限元方法分析了P91钢管对接接头在轴对称
条件下的焊接残余应力 ]。Josefson B L等利用单
元生死技术，基于热一应力顺序耦合方式模拟了焊接
残余应力场，避免了焊缝单元与母材单元之间的位
移或应变不匹配问题 ]。Mirzaee—Sisana A 等分
析了汽包部件多层补焊时所引起的残余应力场，并
进行了试验验证 8]。
文中基于有限元分析方法，开展了SUS304不
锈钢钢管对接接头多道焊的焊接过程模拟，得到了
焊后残余应力场及温度场。有限元模拟中利用单元
生死技术，采用热一结构顺序耦合方式进行计算，可
为焊接接头的结构设计及其结构完整性分析提供一
定参考。
1 分析方法
非线性材料的热应力计算是比较复杂的，通常
采用热一结构顺序耦合和完全耦合2种方法。焊接
过程本身是以一种完全耦合方式进行，但是在能量
收稿日期：2015—03—2O
作者简介：李琦(1979一)，女，河北阜平人，工程师，学士，一直从事压力容器、储罐等静设备的设计工作。
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增刊1 李琦，等：不锈钢钢管多道焊焊缝残余应力模拟分析 · 13 ·
平衡方程中，应力项对热源的作用非常小，可以忽
略。因此，采用热一结构顺序耦合方式分析焊接过程
也是合理的。
1．1 温度场
对于均匀且各向同性的连续体介质，当其材料
特征值与温度无关时，在能量守恒原理的基础上，有
热传导微分方程 ]：
3T
一一 A V T十 等 (1)
式中，T为温度，℃ ； 为热导率，J／(m ·。C·s)；t为
时间，s；ID为密度，kg／m。；c为比热容，J／(kg·℃)；
Q 为内热源，J。
有限元分析中需要的对流边界条件、表面温度
T ( )以及表面热流密度q ( )分别按式(2)～式(4)
进行：
q 一a (T— T0) (2)
T 一T (z，Y，z，￡) (3)
q = q (z，Y， ，￡) (4)
式中，q 为单位时间通过物体单位表面传走的热
量，J／(m ·s)；T。为附体表面的温度，℃ 为对流
传热系数，J／(m ·S·℃)。
1．2 应力场
不考虑惯性力时，采用应力张量 表示的力平
衡方程为_1。。：
，， 一0 (5)
中已包含热应力项。热应变张量e 为：
￡ =d (丁一 ) (6)
式中，％ 为热膨胀系数，l／℃ ；如为克罗内克符号，
i— 时 一1，i=75j时 —0。
材料的应力一应变行为可以表示为：
如 一D I(dekl—deEl—d￡ —dEj1) (7)
式中，D 为弹性本构系数张量；de 。、dec 、d￡￡-、d￡
分别为总应变、塑性应变、蠕变应变以及热应变。
2 有限元分析模型
2．1 几何及网格模型
分析研究对象为含4道对接接头的厚度为
7．1 mm的SUS304不锈钢钢管，假定焊缝轴对称，
其网格模型见图1。
图1 304不锈钢钢管多道焊有限元网格模型
2．2 焊接热源
焊接过程的模拟主要是通过在焊缝单元上施加
一定的内热源。在有限元分析中，内热源采用分布
热流密度DFLUX施加在焊缝单元上_】 ]。对于
表面热源，DFLUX 单位为w／m ；对于体热源，
DFLUX单位为w／m。，表示单位体积的热生成率，
可表示为：
DFLUX一 (8)
y p
式中，'7为热源效率，0≤ 叩≤1；U为电弧电压，V；，
为电流，A；V。为焊缝体积，m。。V。是一个三维参
数，与施加DFLUX的时间 有关。△ 是指在焊
接速度 下沿环向移动通过焊缝体积 所对应的
时间间隔。
线能量Q为：
Q—UI7 (9)
联立式(8)和式(9)，有：
DFLUX一 (1o)
y P
然而，当采用轴对称模型进行分析时，热源是一
次性施加在焊缝单元整周的。因此，需确定合适的
时间间隔△ 和焊缝体积V 。Brickstad和Josefson
等假定了以1／16～1／2 rad扫掠对应的体积估计焊
缝体积V。[ 。
DFLUX的时间间隔△ 曲线见图2。
30
25
皇
g 20
_
童15
弓10
害
5
O
1 2 3 4 5 6 7
时间／s
图2 DFLUX随时间的变化曲线
采用潜热描述由焊接熔池所导致的金属熔融热
效应。熔融金属的热导率是双倍的，以允许对流激
励效应。热边界条件定义了随温度变化的热对流系
数，同时考虑了热对流及热辐射。有限元分析中的
重要特点是可以利用单元生死计算模拟焊接过程，
避免热结构分析中的不相容。
考虑热损失，在焊缝表面假定了热辐射和热传
导边界[】。 。辐射损失主要发生在焊接高温区，而
热传导损失主要发生在远离焊接区域的低温区。通
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石油化工设备 2015年第44卷
过用户子程序，定义随温度相关的传热系数 。当0
< T< 500℃ 时，h一0．68T×10 w／(mm ·℃ )；
当T≥ 500 。C时，h一(0．231T一82．1)× 10
w ／(ram ·℃)。
所采用的单元为四边形实体单元，并采用了8
节点以提高单元变形精度。
2。3 材料模型
假定母材及焊缝的材料性能一致，均为
SUS304，其热物理性能及力学性能见表1l1 ，选用
ABAQUS随动硬化模型。材料潜热为260 kJ／kg，
假定固相线温度为J 340 ℃ ，液相线温度为
1 390 ℃
表1 SUS304材料热物理及力学性能
3 分析结果与讨论
3．1 温度场
温度场分布是结构应力分析中的输入数据，通
过热分析获得。沿焊接热影响区由内而外对应的峰
值温度见图3，1道焊缝和4道焊缝峰值温度的不同
可能是热流输入不同引起的。4道焊缝焊接时，不
同焊道区域温度随时问的变化见图4。焊接升温时
温度快速上升，而在冷却阶段则缓慢下降。
l 200
越l 000
赠
型80o
磐
600
0 0．2 0．4 0．6 0．8 1．0
焊件厚度当量
图3 沿焊接热影响区熔合线峰值温度曲线
时间／s
图4 沿坡口边缘温度随时间变化曲线
3．2 应力场
沿不同位置钢管的环向和轴向应力分布见图
5。从图5可以看出，无论是轴向应力还是环向应
力，均由内而外逐渐下降。对于周向应力，在近外壁
面将产生压应力。而环向应力的最大值约出现在第
3道焊缝区，这可能是由于所施加的热流所引起的。
凸_
蓦
、
岂
、
目
焊件厚度当量
(a) 沿焊接中心线
焊件厚度当量
(b) 沿焊接热影响区
图5 不同路径钢管应力分布
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4 结语 [92
基于有限元方法，利用单元生死技术建立了多
道焊模型。采用热应力顺序耦合方法对SUS304不
锈钢钢管多道焊进行了焊接模拟，得到了SUS304 一一
不锈钢钢管多道焊缝焊接温度及焊后残余应力分
布，可为焊接接头的结构设计及其结构完整性分析
提供参考。
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(张编)

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