油气田装置焊接变形计算机分析预测的研究

朴兰花 王晶

摘 要：石油工业目前依然是世界能源的支柱产业，其油气田开发则少不了装置的支持，而目前开采装置主要由钢材焊接而成，所以焊接热变形及其残余应力可能导致成品率降低以及在组装完成后造成相应的应力腐蚀，影响装置的使用寿命，故在生产加工之前预测焊接成品的变形及残余应力并作出相应的措施能够提升工作效率和节约大量成本。

关键词：石油工业；油气田装置；焊接变形；残余应力。

随着现代工业的发展，石油成为了工业发展不可或缺的能源储备，而油气田开采装置多使用轻型钢结构为建筑主体，轻型钢结构有着清洁环保、施工方便快捷、抗自然灾害性能优良、以及综合成本较为低廉的特点。而焊接H型钢作为构成轻型钢结构建筑的主要材料，在其生产过程中若能够有极高的成品合格率，那么将可以提高钢结构建筑的建筑安装效率以及节约人力物力财力等。

焊接是生产焊接H型钢最主要的生产工序之一，其过程是对受焊件加热至高温然后快速冷却，受焊件在受焊的过程中随着时间和空间的变化其温度有着极为剧烈的变化。在焊接时，受焊件受热源导入的热能所构成的焊接温度场分布不均匀，因而可能导致受焊件在焊接的过程中以及焊接后的冷却过程中产生较大的变形以及残余应力，使得H型钢尺寸不合格或者其内部在存在残余应力的情况下，将H型钢组对拼接成为钢结构建筑后易产生较大的应力腐蚀导致单一或者多部件失效，造成疲劳折断以至于整个钢结构建筑体坍塌的事故。

若是可以利用计算机模拟整个H型钢的生产过程，就可以预知H型钢焊接变形的大小以及焊接完成后整个H型钢内部的残余应力，通过校正可以校正外观上的形变，而在知晓了整个H型钢内部残余应力的情况下，则可以在这根H型钢生产完成后，组装成钢结构建筑前，减小以至于消除其内部应力，以达到延长整个轻型钢结构寿命的目的。

利用计算机有限元模拟软件可以很好地模拟H型钢焊接的过程，其主要考虑焊接过程中温度场与应力场双向耦合的情况下进行计算机模拟，通过对H型钢焊接过程实际生产常用数据的研究与分析，利用直接法同时计算焊接应力场和温度场，模拟焊接H型钢生产过程。根据既定焊接速度、焊接电流电压以及焊接热源有效半径对焊接变形的影响。可以成功地模拟出焊接过程中产生的应力，通过本文的模拟方法可以预测焊接过程的热应力以及残余应力。

本文主要使用计算机软件ANSYS对构件进行分析，其分析步骤如下：

1.确定构件规格及焊接基本参数，以焊接H200*200*6*8为例，母材为Q235B钢；长度L=2000mm，材料为Q235B，使用埋弧焊机床进行焊接。在计算机模拟中使用常用的埋弧焊机床调试参数，为电弧电压U=25V，焊接电流I=180A；焊接速度v=10mm/s，焊接效率η =0.75，有效加熱半径R=6mm。

2.选定单元类型及划分网格，在软甲中选择SOLID185单元，划分网格精度为1mm，其网格划分完成后如下图：

3.将热源移动速度、焊接温度、焊接速度等焊接重要参数在ANSYS软件的APDL命令流中输入到软件中，利用计算机进行模拟分析。

4.计算机模拟分析结果输出，然后根据输出的数据进行下一步分析。

在分析结果后，可以准确地预知焊接完成后钢材因受热变形的大小幅度以及其内部残余应力的存在位置和大小。此种方法可以推广到其他焊接件的计算分析中，套用APDL命令流，可以轻易地应用到其他焊接件的焊接分析中。与此同时，上述方法可以反向推导出在焊接过程中合适的电压、电流以及焊接速度等焊接参数以减小焊接变形，提高成品合格率。

利用本文所述方法，在正式的H型钢生产之前，或者在更早的时间段，即钢结构建筑设计阶段，使用计算机软件进行相应的模拟焊接操作，即可预知既有的方法在生产出成品之后是否存在焊接变形或者焊接残余应力，从而可以及时更换生产所用材料或者调整焊接方法，以保证在生产完成后和日后组装组对成为钢结构建筑时，尽可能地减少H型钢部件的应力腐蚀，从而消除安全隐患以及以延长整个钢结构建筑的使用寿命。

在这个计算机软件技术发展日新月异的时代，此类计算机软件必定会飞速地发展，从而大大提高此类计算的精度，且人工智能将会逐渐代替用户完成例如材料物理性能参数录入、APDL命令流编写等，从而提高用户进行分析的效率。

随着人类对于各个方面的探索，各种材料的高温性能探索也将不断地深入，从而能够得到更为精确的材料高温状态下的性能参数，进而使得利用本文方法分析计算焊接H型钢焊接过程温度场及应力场的精度得到提高。

根据本文编写的APDL命令流，可以将其进行整体封装，改进编写成为一个独立运行的能够分析各种型号焊接H型钢焊接过程中的热应力、残余应力以及变形情况的计算机应用程序，利用计算机分析来指导工厂生产，进而使得焊接过程模拟技术在实际生产中得到应用。

作者简介：

朴兰花（1988-）女，籍贯黑龙江省依兰县，学历：大专，黑龙江科技大学；工作单位：大庆油田榆树林油田开发有限责任公司，生产协调员。

王晶（1988-）男，籍贯黑龙江省大庆市，学历：硕士，东北石油大学；工作单位：大庆油田工程建设有限公司，生产办副主任。