纸质出版日期： 2024-06-25
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为探讨焊趾工艺优化方案对压力管道对接接头残余应力分布的影响，以提高管道的疲劳寿命和整体性能。通过设计三种不同的焊趾工艺优化方案，利用有限元分析模拟了三种方案对X70管线钢对接接头周向和轴向残余应力的影响，并采用盲孔法对仿真结果进行了验证。仿真和试验结果表明，三种优化方案的周向和轴向残余应力变化趋势基本一致；焊趾位置凹形过渡（方案2）在减少应力峰值和平均应力方面表现最佳，其周向残余应力峰值为539.22 MPa，轴向应力峰值为204.57 MPa；盲孔法测量结果显示，残余应力仿真与试验结果趋势一致，误差控制在8.5%以内，该结果验证了仿真模型的可靠性。焊趾位置的凹形过渡设计能有效降低残余应力，提高压力管道的安全性和耐用性。
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To explore the impact of welding toe process optimization schemes on the distribution of residual stress in pressure pipeline butt joint, with the aim of enhancing the pipeline's fatigue life and overall performance. Three different welding toe process optimization schemes were designed, and the effects of these schemes on circumferential and axial residual stress were simulated using finite element analysis, with blind hole testing employed to validate the simulation results. The simulation and experimental results indicate that the circumferential and axial residual stress trends of the three optimization schemes are essentially consistent; the concave transition at the welding toe (Scheme 2) performed best in reducing stress peak and average stress, with a peak circumferential residual stress of 539.22 MPa and a peak axial stress of 204.57 MPa; blind hole testing results show that the residual stress simulation is consistent with the experimental results, with an error controlled within 8.5%, verifying the reliability of the simulation model; the concave transition design at the welding toe can effectively reduce residual stress and improve the safety and durability of pressure pipelines.
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长输管道作为能源运输的关键基础设施，其安全性和可靠性对于保障能源供应至关重要。然而，在长期运行过程中，管道的焊趾部位由于长期受到不同地质环境腐蚀、焊接缺陷等因素的影响，容易出现疲劳裂纹，这对管道的安全构成了严重威胁。焊趾部位是焊缝与母材之间的过渡区域。由于焊接过程中的热影响和冷却速度的不同，焊趾部位可能会产生较高的残余应力。此外，焊趾的几何形状也可能导致应力集中，使得该区域对疲劳载荷更为敏感。腐蚀环境会进一步加速疲劳裂纹的形成和扩展，因为腐蚀会削弱材料的截面，增加局部应力，并可能导致表面缺陷，这些缺陷成为裂纹的起始点。因此，优化焊趾工艺，降低残余应力，提高管道的疲劳寿命和整体性能，成为管道工程领域亟待解决的问题［
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传统的焊趾工艺优化主要依靠经验进行试验研究，不仅耗费大量人力物力，且难以保证生产周期。随着有限元分析技术的发展，仿真技术在焊接工艺设计中的应用越来越广泛。李俐莹等［
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本文以压力管道X70对接接头为研究对象，利用有限元分析技术，设计并对比分析了三种不同的焊趾工艺优化方案，并采用盲孔法对仿真结果进行验证，旨在为压力管道焊趾工艺优化提供理论依据和工程指导。
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为了最大化提升压力管道对接接头的疲劳寿命，本文以残余应力作为评价指标，设计了三种不同的焊趾工艺优化方案，并利用有限元分析软件模拟其对周向和轴向残余应力的影响。这三种方案分别为：（1）方案1，盖面焊。在焊趾熔合线位置进行两道盖面焊，增强焊接强度；（2）方案2：凹形过渡。在焊趾位置附近采用凹形圆弧过渡，进一步降低应力集中，使应力分布更加均匀；（3）方案3：凸形过渡。在焊趾位置附近，采用凸形圆弧过渡。对比三种方案的残余应力峰值和平均应力，选择最优的工艺方案。
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残余应力影响平均应力，当外载荷作用下，局部应力为拉伸应力，增加平均应力对疲劳寿命不利；局部应力为压缩应力，对疲劳寿命更有利。因而，设计焊趾工艺优化方案来控制残余应力，以满足接头焊接工艺评定要求［
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压力管道接头的残余应力检测主要采用X射线衍射法和盲孔法两种技术。X射线衍射法通过分析材料晶格间距的变化来计算残余应力，可以获得更精确的应力分布信息。盲孔法通过钻孔破坏应力场平衡，测量孔附近的弹性应变增量，并结合弹性力学原理推算残余应力。X射线检测精度高，对测量点敏感性高，但需要一定的操作经验，且受表面打磨程度、操作人员等影响。盲孔法不依赖操作者的经验，但对测量点局部位置的平面度有要求。综合考虑试验人员经验、试验场所等因素，本文选用盲孔法进行残余应力检测。
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管线材质为X70管线钢，壁厚为24 mm。母材化学成分见
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图1 对接接头坡口形式
Fig.1 Butt joint groove form
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高精图 |
低精图焊接工艺参数：根焊电压为24~25 V，焊接电流120~130 A，焊接速度9 mm/s。填充、盖面焊焊接电压21~23 V，焊接电流220~230 A，焊接速度20 mm/s。
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根据材料的化学成分，采用JMatPro软件得到X70管线钢材料的高温热物理性能及力学参数，如
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图2 X70热-力参量与温度的关系
Fig.2 Relationship between thermo-mechanical parameters and temperature of X70
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高精图 |
低精图焊接热源选用双椭球热源模型［
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在满足焊接工艺评定的前提下，分析三种接头方案对残余应力分布的影响。焊缝单元采用预置填充处理，母材采用过渡网格划分，网格为六面体网格，网格尺寸不宜过密，否则既增加了计算量，又不能提高计算精度。焊缝填充单元尺寸为0.5 mm，方案1获得单元数为134 169，节点数为141 355；方案2单元数为121 849，节点数为128 508；方案3单元数为121 849，节点数为128 508。选关键位置网格截面模型，如
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图3 有限元模型
Fig.3 FE model
（a）方案1 （b）方案2 （c）方案3
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高精图 |
低精图在构建有限元模型时，选择刚性较大的位置施加约束，以确保模型的刚度。
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拘束位置选择如下：沿焊缝横截面方向，选取圆周方向的节点进行X向拘束，保证模型的横向收缩不影响结果；在对接接头的自由边界位置，对有限元模型在Y向和Z向施加拘束，沿着压力管道的纵向和法平面方向，选择钢管的外表面单元节点进行约束，以保证模型的Y和Z向的纵向收缩不影响计算结果。
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通过仿真计算三种焊趾工艺优化方案，得到了压力管道对接接头的残余应力分布结果。在焊缝的圆周方向，即焊接方向上，从起弧点法向截面开始，距离坡口线8 mm的位置，提取了周向残余应力数据，具体结果如
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图4 三种方案周向残余应力分布
Fig.4 Circumferential residual stress distribution of three schemes
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高精图 |
低精图由
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方案1和方案2的残余应力变化更接近。方案1中，焊趾位置两道盖面焊对母材坡口位置起到一定的平滑过渡作用，有效减少了焊趾处的应力集中；实际生产中，在盖面焊焊趾过渡位置采用打磨工艺，设计平滑过渡的焊缝结构以减小焊趾位置的应力集中，但方案1也增加了焊接工作量。相比之下，方案3的压应力和拉应力峰值均较高，应力波动也比其他两种方案大。残余应力是影响疲劳寿命的一个重要因素，较高的平均应力和残余应力峰值都会增加疲劳开裂的风险。
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同理，沿着对接接头中轴线方向，从对接接头焊缝中截面起始，得到三种方案的轴向残余应力分布结果，如
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图5 三种方案轴向残余应力分布
Fig.5 Axial residual stress distribution of three schemes
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高精图 |
低精图从
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综上所述，对比三种焊趾优化工艺方案，方案2的应力峰值和平均应力均最小，因此，焊趾工艺优化更合理。
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为验证残余应力仿真结果的正确性，采用盲孔法，兼顾实际工程应用关注的应力峰值，选取周向3个点，并与仿真结果进行对比，如
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图6 周向残余应力仿真和试验结果对比
Fig.6 Comparison between simulation and test results of circumferential residual stress
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高精图 |
低精图从
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（1）三种焊趾工艺优化方案对周向和轴向残余应力的影响趋势一致，均呈现起收弧位置为压应力，中间位置为拉应力，且拉应力在中间位置达到峰值后逐渐减小。
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（2）方案2（焊趾位置附近采用凹形圆弧过渡）在降低残余应力峰值和平均应力方面表现最佳，其周向残余应力峰值为539.22 MPa，轴向应力峰值为204.57 MPa，相较于其他方案，应力水平更低，更利于提高压力管道的疲劳寿命和整体性能。
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（3）方案 1（焊趾位置盖面焊两道）也具有一定的降低残余应力的效果，但其焊接工作量较大，且需要额外的打磨工艺来保证焊缝的平滑过渡。
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（4）方案3（焊趾位置附近采用凸形圆弧过渡）的残余应力峰值和平均应力值均较高，且应力波动较大，更容易诱发疲劳裂纹，不建议采用。
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（5）三种焊趾工艺优化模型残余应力仿真结果与盲孔法测量结果趋势一致，误差控制在 8.5% 以内，，验证了仿真模型的可靠性，为实际工程应用提供了参考。
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