海洋钻井平台桩腿齿条焊接应力分布及控制-.pdf

海 洋钻 井 平 台桩 腿 齿 条 焊 接 应 力分 布 及 控 制 上海振华重工 集团 股份有限公 司 2 0 0 1 2 5 沈大明 张华军 陆汉忠黄巍 摘要针对海洋 自升式平台桩腿采用大厚板高强钢结构， 该结构的焊接易产生冷裂纹， 其中焊接应力的预测 和控制对减少裂纹的发生具有重要意义。通过采用 MA R C有限元分析， 获得 了半弧板与齿条焊接 的应力场的分 布， 并研究了分段焊的顺序和人次对应力场的影响规律， 通过采用 2人和 3人进行同时分段焊可减小应力， 为实际 生产提供指导作用 。 关键词 钻井平台桩腿焊接应力数值模拟 中图分类号 T G 4 0 4 0引 言 海洋 自升式平 台桩腿一般采用厚板高强钢结构 ， 由于长期在海上作业 ， 对焊接裂纹 的控制尤为重要 ， 其中焊接应力是引起焊接裂纹的一个重要 因素 J 。 目 前， 针对海洋 自升式平台桩腿的焊接应力 的控制完全 依靠工人的经验 ， 焊后 的质量很难保证。国内外针对 桩腿应力变形采用数值模拟结合试验 的预测 和控制应 力变形的咸有报道 。采用数值模拟技术可提前预测 出 桩腿整个焊接拼装的应力变形 的演变规律 ， 通过对 比 不同的焊接人次、 焊接顺序和焊接方向， 获得最低的应 力， 结合实际生产选择 出最佳 的实施方案。该方法大 大节约了试验 的次数、 试验的材料和试验时间 J ， 为实 际焊接生产提供指导作用。 1 数值建模 1 ． 1 三维模型 海洋 自升式平台桩腿是采用齿条进 行传动的， 齿 条板厚度为 1 5 0 mm， 两半 弧板与齿条板 T形 接头连 接 ， 开 单 V形坡 口， 留有 根部 间隙 ， 采用多层 多道 焊。 采用大型商用有 限元分析软件 MA R C进行数值分析 ， 其三维模型如图 1所示 ， 沿 向是焊缝 宽度方 向， Y向 是焊接速度方向， 。向是厚度方 向， 考虑到焊缝 区温度 和应力梯度大， 在焊缝及热影响区的网格密集 ， 远离热 源的网格稀疏 ， 总节点数 7 2 5 2 0个 ， 总单元数 5 3 1 8 4 个 。初始条件 初始温度 2 0℃ ， 环境温度是 2 0℃。 a 三维 模 型 b 横截 面模 型 图 1 桩腿齿条的三维数值模 型 1 ． 2 热源模型 采用 C O 气体保护焊方法进行焊接 ， 针对厚板多 道填充焊， 文 中采用双椭球 热源模 型 j ， x y z是焊件宏 观坐标系， ’ Y ’ z ’ 是体热源坐标系。 则前半球热源时间密度函数 ab c 唧 ㈠ 止 1 每 I．I 1 竹 L “ 后半球热源时间密度函数 6 4 Q f , ． 唧卜 3 【 址 业 式 中 ， a， b， C ， C 为热 源 形状 参数 ， mm； 为 焊接 速 收稿 日期 2 0 0 91 11 9 6 4 2 0 1 0年第 7期 2 度 ， m m ／ s ； 为滞后因子； Q为热输入功率 ， W； Q r l U l ； 为焊接电压 ， V； ， 为焊接电流 ， A； 7 为热效率系数 ， 这 里 c O 焊条 电弧焊热效率 叼 。 为 0 ． 8 ； 0 ． 8 ， f r 1 ． 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 为前后部分 的能量分配参数 。 1 ． 3 边界条件 在热分析中， 靠近焊缝熔 池 区域主要 表现为热辐 射 ， 而远离焊缝区域主要表现为表面热交换 ， 考虑到辐 射和表面热交换共同影响 ， 复合热传系数 的公式 3 广 c 。n L j 式 中， h为复合导热 系数 ； 为辐射系数 ； h⋯为对流 导热系数； o 为斯忒藩波耳兹曼 S t e f a nB o l t z m a n n 常数 ； T为温度变量 ； T 为环境温度。 1 ． 4 材料特性 试验采用 Q 6 9 0高强钢， 在室温下， 泊松 比O ． 2 8 5 ， 密度P 7 ． 8 k g ／ m ， 熔点 1 4 5 0℃。该材料热力学特性 由图 2所示 ， 图中 A为比热 ； R 乩为屈服强度 ； 为热导 率 ； K为热膨胀系数 ； E为扬氏模量 。 球 剐 褰 鼗 堪 蠹 温度 ℃ a 热特性 温度 ℃ b 机 械特性 图 2 物理特性 随温度变化 曲线 1 ． 5 施焊工艺 采用 C O 焊条电弧焊进行桩腿 的焊接 ， 采用超低 氢焊丝 ， 焊丝直径 1 ． 2 m m， 保护气采用 1 0 0 ％C O ， 流量 为 1 9～ 2 1 L ／ mi n ， 焊接电流为 2 7 5 2 8 0 A， 电压为 3 0 ． 0 3 1 ． 0 V， 焊接 速度 为 2 7 0～3 0 0 mm ／ m i n ， 预热 温度 1 4 01 5 0 o C， 层 间温度为 1 4 0～1 5 0℃ ， 根部采用钢衬 垫 ， 开 V形坡 口， 根部 间隙 6 mm， 坡 口角度为 3 0 。 。为 了减小应力 ， 文中采用分段 焊工艺 ， 表 1为不 同的焊接 人次和焊接顺 序及方 向， 每个人采 用同样 的焊接规范 参数 ， 每段长度相 同。对表 1的各 种情况进行热力耦 合分析 ， 通过对比获得最佳 的分段焊工艺。 表 1 分段焊工艺参数 2 试验结果及分析 2 ． 1 单人直通焊应力分析 单人直通焊后的残余应力分布云图如图 3所示， 图 3 a为三维横向应力分布云图， 可看出沿着焊缝方 向 纵 向 的横向应力呈波浪变化 ， 这是 由于在每个齿根 处横向应力 较小 ， 此处 的板 宽较小 ， 横 向收缩相 对容 易， 所以此处产生的横 向应力较小 。图 3 b为 中截面 的 横 向应力分布， 可看 出在齿条板焊缝 热影响区的横 向 应力存在应力集中。图 3 c为中截面的纵向应力分布 ， 最大达到 8 5 2 MP a ， 在根部应力集 中严重 ， 易产生横 向 裂纹和层状裂纹。纵 向应 力峰值在熔合 区根部附近 ， 此处易产生横 向裂纹和层状裂纹 ； 横 向残余 应力峰值 在齿条与半 圆弧板热影响 区， 此处 易产生纵 向裂纹和 层状裂纹。 单人分段焊与直通焊的应力对比结果如图 4所示 ， 从一个方向焊到另外一个方 向， 先焊端先凝 固， 对后焊 端造成约束 ， 不易 自由收缩 ， 从而产生较 大的应力。分 段焊的终焊给前焊 道的终焊一个后热处理作用 ， 降低 前焊道终焊处的应力 ， 因此 ， 分段焊前后接头处获得应 力波谷 ， 此处可减缓裂纹 的扩展 ， 降低裂纹倾向。 2 0 1 0年第 7期 65 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m b 中截面横 向应力 l e a s e 8 C o mb 2 2 o f S t r e s s c 中截面纵向应力 图3 单人直通焊的应力场分析 2 ． 2 多人分段焊应力场对 比分析 分段焊的纵 向应力对 比如 图 5所示 ， 多人分段 焊 大大降低应力 ， 6人同时焊 的应力最低 ， 但人数越多 ， 其分段数 也增 多， 起熄 弧接头增 多 ， 再加上 多人 的同 步性控制困难 ， 因此 ， 为了满足施工现场 ， 采用 2～3人 同时分段焊 ， 从 中间 向两边焊接 ， 可大大 降低纵 向应 力。 66 2 0 1 0年第 7期 皇 呈 匠 皇 誊 宅 _ R -叵 喜 2 匠 档 向距离／ ra m a 纵 向应力 Y向距 离／ ram b 横向应力 图4 单人分段焊与直通焊的应力对比 Y向距 离／ n u n 图 5 分段 焊的纵向应力 的对 比 3结 论 1 直通焊 的横 向应力在齿条根部的应力较小 ， 横向应力峰值在焊缝热影响区， 易产生纵向裂纹和层 状裂纹 ； 纵 向应力的峰值在半弧板 与齿条焊缝根部 ， 此 处易产生横 向裂纹。 [ 下转第 6 8页] 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m C r q 1 9 ． 5 6 ， N i q 1 3 ． 2 4 ， H O C r 1 9 N i 1 2 Mo 2焊丝 C r 。 q 2 1 ． 1 8 ， N i 1 6 ． 3 4 ， 查不锈钢焊缝金属铁素体含量预测 图 ， 可预测焊缝金属中铁素体含量在 1 ． 5 ％ ～3 ． 0 ％范 围内， c u含量高增大了产生焊接热裂纹的倾向。 表 4母材和焊丝化学成分光谱分 析值 ％ 3实施情况 根据以上分析 ， 在焊接过程 中笔者采取了相应 的 工艺措施[ 3 ] ， 以防止焊接热裂纹的再次产生 1 对多炉批号 的焊丝进行 光谱分析 ， 根 据焊接 冶金原理 ， 选择有利于提高焊缝金属 中铁素体 含量 的 焊接材料 ； 2 改用 H J 1 5 1 焊剂 ， 提高焊剂的碱度， 减少铬和 其他元素 的氧化 ， 焊缝纯净度 高， 其抗裂性 也相应提 高 ； 3 减小焊接热输入 ， 缩短焊缝在高温区的停 留 时间， 取焊接电流 5 3 0 5 6 0 A， 电弧电压 3 4～ 3 6 V， 焊 接速度 4 0～ 4 5 c m ／ m i n 。 重新施焊的环焊缝经射线检 测和渗透检测 ， 未再 出现层间液化裂纹 。 4结 果 1 通过焊接冶金分析， 尽量保证奥 氏体不锈钢 焊缝 中具有 4 ％以上的铁素体组织 ， 可有效提高焊缝的 抗热裂纹能力 ； 2 光谱分析方法 由于测定元 素的范 围广 ， 可为 焊接问题分析提供更有效的手段 ； 3 提高焊剂碱度 ， 减小焊接热输入， 可有效提高 奥氏体不锈钢埋弧焊焊缝的抗裂性 ； 4 设备成功制造出厂后 ， 已安全运行 2年 。 参考文献 [ 1 ] 曾 乐．现代焊接手册[ M] ．上海 科学技术出版社， 1 9 9 3 ．6 3 96 4 1 ． [ 2 ] 中国机械工程学会．焊接手册一材料的焊接[ M] ．北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 8 ． 4 5 0 4 5 2 ． [ 3 ] 傅积和， 孙玉林．焊接数据资料手册[ M] ．北京 机械工 业出版社 ， 1 9 9 4 ．5 6 5 8 ． 作者简介 仇志晖， 1 9 6 2年出生， 高级工程师， 从事压力容器 设计、 制造和管理工作． 已发表论文1 0余篇。 ● [ 上接第 6 6页] 2 分段焊与直通焊的应力场对 比结果表明 ， 单人分 段焊在纵向上的纵 向应力呈波浪形式 ， 其峰值反而 比 直通焊的要高 ， 但分段焊纵 向上的应力出现多个波谷， 这对防止裂纹扩展有利。 3 多人分段焊的纵 向应力进一步降低 ， 波谷更 低 ， 峰值 比直通焊要小， 可见采用多人分段焊可有效降 低应 力。 参考文献 [ 1 ] 郑庆涛， 范德华， 马陈勇． 自升式海洋钻井平台中连接桩 腿与齿条的座板焊接 [ J ] ． 焊接技术， 2 0 0 8 ， 3 7 6 6 5 6 7． [ 2 ] 张华军， 张广军， 王俊恒， 等．低合金高强钢双面双弧焊热 循环对组织性能影响[ J ] ． 焊接学报， 2 0 0 7 ， 1 0 2 8 8 1 8 4． 68 2 0 1 0年第 7期 [ 3 ] Z h a n g H J ， Z h a n g G J ， Z h a n g x L ， e t a1 ．T h r e e d i m e n s i o n S i mu l a t i o n a n a l y s i s o f t h e i n t e r p a s s s t r e s s a n d d e f o r ma t i o n d u ri n g m u h i p a s s w e l d i n g [ J ] ．C h i n a We l d i n g ， 2 0 0 8 ， 1 7 2 2 73 4． [ 4 ] Z h a n g H J ， Z h a n g G J ， C a i C B， e t a1． N u m e ri c a l s i m u l a t i o n o f t h r e e d i me n s i o n s t r e s s fi e l d i n d o u b l es i d e d d o u b l e a r c mu 1 ． t i p a s s w e l d i n g p r o c e s s [ J ] ．Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g A， 2 0 0 9 ， 4 9 9 1 5 3 0 9 3 1 4 ． [ 5 ] Z h a n g H J ， Z h a n g G J ， C a i C B ， e t a 1 ．T h e r e a l i z a t i o n o f l o w s t r e s s a n d n o n a n g u l a r d i s t o r t i o n b y d o u b l e s i d e d d o u b l e a r c w e l d i n g [ J ] ．J o u rnal o f Ma n u f a c t u r i n g S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 9 ， 1 3 1 4 1 6 ． 作者简介 沈大明， 1 9 5 6年 出生， 高级工程师， 主要从事厚板 高强钢焊接 工艺研 究。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m