有关海洋钻井平台桩腿齿条焊接应力分布及控制

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1、学兔兔www.xuetutu.com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(200125)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MARC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：TG404采用大型商用有限元分析软件

2、MARC进行数值分析，0引言其三维模型如图1所示，沿向是焊缝宽度方向，Y向海洋自升式平台桩腿一般采用厚板高强钢结构，是焊接速度方向，。向是厚度方向，考虑到焊缝区温度由于长期在海上作业，对焊接裂纹的控制尤为重要¨，和应力梯度大，在焊缝及热影响区的网格密集，远离热其中焊接应力是引起焊接裂纹的一个重要因素J。目源的网格稀疏，总节点数：72520个，总单元数：53184前，针对海洋自升式平台桩腿的焊接应力的控制完全个。初始条件：初始温度20℃，环境温度是20℃。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

3、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(a)三维模型(b)横截面模型际焊接生产提供指导作用。图1桩腿齿条的三维数值模型1数值建模1．2热源模型1．1三维模型采用CO气体保护焊方法进行焊接，针对厚板多海洋自升式平台桩腿是采用齿条进行传动的，齿道填充焊，文中采用双椭球热源模型j，xyz是焊件宏条板厚度为150mm，两半弧板与齿条

4、板T形接头连观坐标系，’Y’z’是体热源坐标系。接，开单V形坡口，留有根部间隙，采用多层多道焊。则前半球热源时间密度函数：=唧㈠止1每+I．Iabc1竹L“后半球热源时间密度函数：)=64~Qf,．(2)唧卜3【址业++式中，a，b，C，C：为热源形状参数，mm；为焊接速度，mm／s；为滞后因子；Q为热输入功率，W；Q=rlUl；为焊接电压，V；，为焊接电流，A；'7为热效率系数，这收稿日期：2009—11—19里cO：焊条电弧焊热效率叼。为0．8；=0．8，fr=1．2642010年第7期学兔兔www.xuetutu.com为前

5、后部分的能量分配参数。1．5施焊工艺1．3边界条件采用CO焊条电弧焊进行桩腿的焊接，采用超低在热分析中，靠近焊缝熔池区域主要表现为热辐氢焊丝，焊丝直径1．2mm，保护气采用100％CO，流量射，而远离焊缝区域主要表现为表面热交换，考虑到辐为19～21L／min，焊接电流为275—280A，电压为30．0射和表面热交换共同影响，复合热传系数的公式：—31．0V，焊接速度为270～300mm／min，预热温度140—150oC，层间温度为140～150℃，根部采用钢衬垫，开V形坡口，根部间隙6mm，坡口角度为30。。为：————：：=

6、=广+c。n(3)Lj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式中，h为复合导热系数；为辐射系数；h⋯为对流参数，每段长度相同。对表1的各种情况进行热力耦导热系数；o为斯忒藩波耳兹曼(Stefan—Boltzmann)合分析，通过对比获得最佳的分段焊工艺。常数；T为温度变量；T为环境温度。表1分段焊工艺参数1．4材料特性试验采用Q690高强钢，在室温下，泊松比O．285，密度P=7．8kg／m，熔点1450℃。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

7、；K为热膨胀系数；E为扬氏模量。球剐褰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3a为三维横向应力分布云图，可看出沿着焊缝方向温度℃(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(a)热特性易，所以此处产生的横向应力较小。图3b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3c为中截面的纵向应力分布，最大达到852MPa，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，鼗堪此处易产生横

8、向裂纹和层状裂纹；横向残余应力峰值蠹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，对后焊温度℃端造成约束，不易自由收缩，从而产生较大的应力。分(b)机械