Исследование послесварочного напряженно-деформируемого состояния кольцевого шва магистрального трубопровода из стали Х70

Вследствие интенсивного развития трубопроводной системы в нашей стране нашлось широкое применение внедрения трубопроводов нового поколения из высокопрочных сталей. Это является закономерным процессом повышения надежности и эффективности капитальных сооружений высокого уровня безопасности, достигаемых снижением собственного энергопотребления и использованием высокого давления.

Во время сварки основной металл претерпевает структурно-фазовые превращения, которые, в свою очередь, влияют на напряженно-деформируемое состояние после сварки, что создаёт определённые технологические сложности при проектировании технологического оснащения. Одним из способов прогнозирования структурно-фазовых превращений при сварке и влияния их на напряженно-деформируемое состояние сварных конструкция является их численное моделирование на основе решения термической задачи, например при сварке магистрального трубопровода из стали Х70 (класс прочности К60).

Численное моделирование распределения структурно-фазовых превращений в материале - сложная алгоритмическая задача. Так как фазовое превращение изменяет тепловые свойства материалов, в то время как изменение температуры приводит к фазовым превращениям ряда элементов. В механико-металлургическом анализе фазовые превращения влияют на механический анализ (то есть на остаточное напряжение), однако результаты механического анализа слабо влияют на металлургический анализ

В соответствии с представленной схемой взаимного влияния, для нахождения распределения аустенита брались во внимание только сильные и средние связи влияния.

Для реализации температурной задачи использовалась математическая модель двойного полуэллипсоида Голдака [1], где тепловой поток, проходящий через точку с координатами (x, y, z) внутри двойного полуэллипсоида вычисляется по формуле:

(   .  №ffQ q (x, y, z) = —----— exp abCf^y n

3x2 3y2 3z2 a2     b2    Cf2

),             (1)

где f f - часть теплового потока в передней части ванны (Вт), Q - вводимая мощность (Вт).

Для проведения численного моделирования тепловой задачи были введены тепловые свойства материала Х70 с учетом фаз феррита, аустенита и мартенсита.

а)

б)

в)

Рисунок 1 – Зависимости теплопроводности (а) и плотности (б), (в) зависимость

объемной теплоемкости от температуры.

Были заданы зависимости теплопроводности (рис. 1, а) и плотности (рис. 2, б) от температуры. Из данных зависимостей видно, что для феррита и мартенсита в диапазоне температур от 0 до 456 °C значения теплопроводности и плотности совпадают.

По результатам проведенного моделирования был проведен анализ эквивалентных напряжений по Мизесу по ширине обечайки с учетом структурно-фазовых превращений (СФП), без учета СФП и по данным исследования авторов [3] (рис. 2).

Асимметричность полученных зависимостей обуславливается несимметричной заделкой обечайки – по одному из торцов.

По результатам численного моделирования величина эквивалентных напряжений с учетом СФП составила порядка 2500 МПа, что на 17% ниже для аналогичных режимов наплавке, выбранного материала, и типоразмера изделия по результатам статьи [4]; эквивалентные напряжения по Мизису без учета СФП по зоне сплавления составили порядка 3200 МПа.

Величина эквивалентных напряжений с учетом СФП меньше на 28% чем без учета, следовательно при однопроходной сварке структурнофазовые превращения оказывают существенное влияние на магнитуду эквивалентных напряжений, и как следствие необходимость в дальнейшем учитывать подобные превращения в многопроходной сварке.

Рисунок 2 – Зависимость эквивалентного напряжения от координаты по ширине обечайки. b’ – ширина сварного шва для анализа, учитывающего СФП, b – ширина сварного для анализа без учета СФП