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在石油化工與油氣儲運行業(yè)，在役的壓力容器和管道在檢修過程中焊接接頭處經(jīng)常發(fā)現(xiàn)裂紋。如果發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷后進行簡單的整體報廢，只會造成浪費，因此采用局部補焊的手段對失效部位進行焊接修復(fù)，可以有效地節(jié)省材料，延長使用壽命，提高經(jīng)濟效益。但在同一焊接接頭部位進行補焊，材料多次受熱，在補焊處會形成復(fù)雜的焊接殘余應(yīng)力分布狀態(tài)。眾所周知，焊接殘余應(yīng)力是影響焊接接頭強度的重要因素之一，因此，對設(shè)備或管道的焊接修復(fù)結(jié)構(gòu)進行焊接殘余應(yīng)力有限元分析，對制定正確的焊接修復(fù)工藝，提高補焊接頭的可靠性具有重要的意義。
燃氣管道最顯著的特點是管線長，焊接接頭多。其主要的失效形式就是焊縫處腐蝕或者斷裂，這些失效的主要原因就是焊縫處的殘余應(yīng)力集中所造成的。目前，Dong等人對管道焊接接頭的修復(fù)長度對焊接殘余應(yīng)力分布的影響進行過數(shù)值模擬。國內(nèi)的研究人員對管道焊接數(shù)值模擬與焊接缺陷的成因做了大量的研究工作。文中以20鋼的燃氣管道為研究對象，運用大型有限元軟件ABAQUS，對燃氣管道兩種不同形式的修復(fù)焊接接頭進行有限元分析，獲得了其焊接修復(fù)后的殘余應(yīng)力分布情況。為優(yōu)化燃氣管道焊接修復(fù)工藝提供了理論基礎(chǔ)。
某燃氣管道，設(shè)計壓力1.6MPa，材料為20鋼，管道尺寸為529 mmX 8 mm。為了確保該管道強度，對其進行焊接修復(fù)，將裂紋處進行打磨，然后施加補焊。
由于燃氣管道與環(huán)向裂紋都具有軸對稱性，文中有限元分析采用軸對稱模型，計算焊接溫度場采用DCAX4單元，計算殘余應(yīng)力場采用CAX4單元，其中節(jié)點4706個，單元4500個。利用ABAQUS網(wǎng)格自適應(yīng)處理的特點進行網(wǎng)格局部細化。在遠離焊縫處加大網(wǎng)格。
在數(shù)值模擬過程中，了解材料的熱力學性能參數(shù)是必要的。文中的燃氣管道材料為20鋼，假設(shè)焊材與母材的材料相同，熱物理性能在1 500 ~ 3 000 狀態(tài)下保持不變，這種假設(shè)的依據(jù)見參考文獻。固相線溫度為1399固液相線為1421℃在焊接加熱的過程中，要考慮相變的影響，由于材料的熔化需要吸收大量的熱，而當焊后凝固時則需要放熱，因此要考慮焊接熔池相變潛熱對焊接溫度場的影響。由文獻可知，取20鋼的潛熱為300 kJ/kg，常溫屈服強度為245 MPa，抗拉強度為410 MPa。
熱源模型為內(nèi)生熱源，焊接熱源模型采用熱振幅曲線方法加載到焊縫，通過時間步的增加來模擬焊接熱源的移動。
在溫度場分析中，焊件的初始溫度取室溫，文中取20燃氣管道的內(nèi)外表面均考慮為對流和輻射的邊界條件，對流系數(shù)取10 W/m2K，輻射發(fā)射率為0.85。在應(yīng)力場分析中，只在距離焊縫最遠程取兩點約束其所有自由度，以防止焊件發(fā)生剛性移動。在進行內(nèi)壓與焊接殘余應(yīng)力共同作用下的應(yīng)力場分析時，考慮到該燃氣管道是埋地管道，故將管道外表面環(huán)向位移約束，而且該管道不沿軸向滑動，再限制其軸向位移。
路徑1分別采用全補焊與局部補焊兩種方法獲得的軸向應(yīng)力。可以看出，采用全補焊對燃氣管道焊縫裂紋進行修復(fù)，在焊縫處的最大軸向拉應(yīng)力為109 MPa，最大軸向壓應(yīng)力為-63 MPa。采用局部焊接修復(fù)時，在焊縫處的最大軸向拉應(yīng)力為125 MPa，最大軸向壓應(yīng)力為-115 MPa。在補焊區(qū)域的焊縫處，局部補焊的焊接殘余應(yīng)力明顯大于全補焊的殘余應(yīng)力。
沿著路徑1分別采用這兩種焊接修復(fù)方法所獲得的環(huán)向應(yīng)力分布。可知，采用全補焊修復(fù)時，焊縫處的環(huán)向應(yīng)力均表現(xiàn)為拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為294 MPa，最小拉應(yīng)力為144 MPa；采用局部補焊修復(fù)時，最大環(huán)向拉應(yīng)力為315 MPa，最大環(huán)向壓應(yīng)力為-79 MPa。也可以看出，采用局部補焊所得到的最大殘余拉應(yīng)力也是大于全補焊所產(chǎn)生的拉應(yīng)力。
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