学术研究报告：旋转钻机管道焊接变形研究
作者及发表信息
本研究的通讯作者为Wei Song，合作者包括Xiaolei Xia、Feng Yang、Duanhu Shi和Meijuan Song，均来自中国徐州工程学院机械与电气工程学院。研究成果发表于《International Journal of Pressure Vessels and Piping》2022年第199卷，论文标题为《Welding distortion investigation of rotary drill rig pipe with radial loading transition bars》。
学术背景
旋转钻机管道是石油、天然气和深井钻探的核心部件，其制造精度直接影响设备性能和服务可靠性。焊接过程中因材料非均匀性（material heterogeneity）和管道直径差异导致的变形问题长期存在，可能引发结构失效或成本增加。本研究旨在通过热弹塑性（Thermal Elastic-Plastic, TEP）理论和固有应变法（inherent strain method），揭示焊接变形机制，并提出优化焊接序列（welding sequence）以控制变形。
研究流程与方法
简化模型分析与固有应变确定
- 研究对象：选取四种不同直径（203 mm、325 mm、426 mm、580 mm）的简化单长条焊接管道模型，材料为27SiMn（管道）和20CrMnTi（过渡条），焊材为ER50-6。
- 方法：通过TEP有限元分析（使用MSC.MARC软件）模拟多道焊接过程，耦合热-力学场，计算残余塑性应变。采用双椭球热源模型（double-ellipsoid heat source model）模拟焊接温度场，并考虑辐射和对流的热损失（Stefan-Boltzmann和Newton定律）。
- 关键参数：通过积分塑性应变得到固有应变（δ*ₓ、δ*ᵧ、θ*ₓ、θ*ᵧ），并推导热膨胀系数（expansion coefficient，α）。
复杂结构焊接变形预测
- 模型构建：建立含6根径向过渡条的完整管道三维模型（长度1440 mm，直径580 mm），采用非均匀网格划分以提高计算效率。
- 焊接策略：对比两种焊接序列——旋转策略（rotate strategy）和对称策略（symmetry strategy），分析双焊枪距离和管道滚动角度对变形的影响。
- 验证：通过实测数据（如X射线衍射和轮廓法）验证TEP与固有应变法的吻合度。
焊接序列优化
- 案例设计：基于实际焊接设备约束，设计9种焊接序列案例（如案例1-4为旋转策略，案例5-8为对称策略），提取环向（hoop direction）和径向变形数据。
- 变形演化分析：逐道次跟踪焊接变形累积过程，评估最终变形量。
主要结果
简化模型结果
- 管道直径增大（203 mm→580 mm）导致最大环向变形从1.33 mm增至3.55 mm，热膨胀系数α从0.085降至0.042。
- TEP与固有应变法的预测误差在合理范围内（如325 mm管道实测与模拟偏差<10%），验证了方法的可靠性。
复杂结构变形特征
- 旋转策略：案例1（焊枪距离最小）变形最大（8.21 mm），案例4（距离最大）最小（3.54 mm）。
- 对称策略：案例5变形为6.36 mm，案例6为3.885 mm，表明对称焊接可部分抵消变形，但效果弱于旋转策略。
- 优化方案：结合旋转策略与大焊枪距离（案例4）可实现最小变形（3.54 mm）。
变形演化机制
- 旋转策略下，变形随焊接道次递增，最终焊道对前期变形无显著修正；而对称策略的末道焊接可轻微抵消前期变形（图19-20）。
结论与价值
科学价值
- 提出基于TEP和固有应变法的焊接变形预测框架，为大型焊接结构（如钻机管道）的精度控制提供理论支持。
- 揭示了焊接序列与变形量的非线性关系，证明焊枪距离和滚动策略的协同优化可降低变形。
应用价值
- 优化焊接序列（旋转策略+大焊枪距离）可减少后续火焰矫正（flame correction）工序，降低制造成本。
- 方法可推广至船舶、压力容器等大型焊接结构制造。
研究亮点
1. 方法创新：首次将固有应变法应用于旋转钻机管道焊接变形预测，结合TEP模拟验证其精度。
2. 工程指导性：通过多案例对比明确焊接序列的优化路径，可直接指导生产实践。
3. 跨学科融合：整合材料科学（相变行为）、热力学（双椭球热源）和力学（大变形理论）的多场耦合分析。
其他发现
- 材料非均匀性（27SiMn与20CrMnTi的强度差异）对焊接残余应力的影响需进一步研究（如SSPT效应）。
- 研究受国家自然科学基金（52105403）和江苏省博士后基金（2021K479C）支持。