本文是一篇工程论文，本文基于有限元模拟方法，分析了含六层环焊缝X80管道的焊接残余应力及氢浓度的分布规律，探究了焊接热输入和焊后热处理对缓解残余应力和氢富集效果。
第一章绪论
1.1研究背景及意义
随着我国社会工业的迅猛发展，对油气能源的需求越来越高，加之我国地广人多，管道输送成为了油气能源长距离运输的最有效方式。长输管道有运输量大、埋于地下占地少、可长期稳定运行、受恶劣气候影响小、运输成本低、便于管理等众多优点，已成为我国能源输送的重要方式。近年来大口径、高压、高强度、高韧性管道发展越来越快，X80管线钢由于其优良的强度、韧性以及耐腐蚀、断裂等特性，已被广泛应用于中俄东线管道、中缅管道、西气东输二线管道等。
我国承诺2030年实现“碳达峰”、2060年实现“碳中和”，这两项计划是我国基于推动人类命运共同体的责任担当和可持续发展的内在要求而做出的战略决策。发展氢能既能缓解我国能源对外依存度高的问题，也能助力我国早日实现“双碳”战略目标，氢能被认为是最清洁的潜在能源，大力发展氢能也成为我国能源转型的迫切需求[1-2]。长输管道输氢时，H2会通过吸附、解离等过程，分解为氢原子进入管道金属材料内部，当金属材料中氢浓度过高时会引起氢脆，使管道材料发生塑性损伤甚至开裂，金属材料内部氢浓度过高的一个主要因素是管道焊接产生的残余应力。X80管道环焊缝的焊接过程不可避免的会引入残余应力，焊接残余应力可能会导致管道今后运行时发生应力腐蚀开裂或氢致开裂。由此可见，准确把握管道焊接产生的残余应力和应力诱导氢浓度大小及分布规律对输氢管道的安全服役具有重要意义。
综上所述，笔者拟采用有限元软件ABAQUS，建立含六层环焊缝管道模型，并进行模型验证。通过顺序耦合方法，进行温度场、应力场和氢扩散的三场耦合分析，得到管道的温度场、焊接残余应力场及氢浓度的分布规律，分析了热输入、焊后热处理和二维夹杂对管道氢扩散的影响。
1.2国内外研究现状
1.2.1焊接残余应力研究现状
焊接普遍存在于工程中的各个地方，与人们日常生活息息相关，对于焊接构件而言，往往最不利位置都存在于焊缝附近，焊接残余应力对结构的安全性造成巨大影响。为了减小焊接应力对结构整体的威胁，提高结构安全运行寿命，国内外学者都致力于研究焊接残余应力的分布规律和如何减小残余应力，使得焊接结构更加稳定安全。近些年，试验和数值模拟法都得到了发展，但由于试验受外在因素的影响，即使相同的焊接工艺和焊接试件，重复试验得到的焊接应力都会不同，且焊件内部的应力应变并不易测量，所以数值模拟成为一个有效的手段。随着计算机科技的发展，越来越多的学者采用数值模拟的方法进行焊接的研究与分析，这极大的降低了科研成本，节约了试验经费，缩短了科研周期。
上世纪30年代，国外就已经有关于焊接应力应变的研究，但开始的工作基本是实测或者定性类。到了50年代奥凯尔布洛母等考虑了钢材的非线性，加入了材料属性与温度的关系，用图解形式分析了焊接的动态过程，并得出了一维条件下的应力应变。60年代随着计算机兴起，数值模拟也得到了发展，Tall[3]编制了一维运算程序用来计算焊接热应力。70年代上田幸雄等[4]以有限元法推导出了焊接残余应力所需的各个表达式，后续美国学者在应力应变的预测上也取得了诸多成果。Lu等[5]建立了电弧和熔池的统一模型，对焊接熔池形状和电弧能量分布进行了模拟计算。Bergheau等[6]建立了黏塑性模型，模拟了材料在高温条件下的黏性行为，并分析了其对残余应力和应变的影响。Vincent等[7]基于实验，测定了材料在连续热循环条件下的黏性行为，并将研究结果应用于多道焊模拟中。
第二章管道焊接温度场模拟
2.1焊接温度场的理论基础
2.1.1焊接热源的分类
随着计算机的迅猛发展，目前可用于模拟焊接的通用型软件主要有ANSYS、ABAQUS、MARC等，以及焊接相关领域专用软件SYSWELD、Simufact.welding、QuickerWelder等。通用型软件的适用范围更广，使用人数也更多，其前、后处理功能都较为强大，但是使用者必须具备一定的计算机编程能力，以及对有限元软件的二次开发能力，焊接专用软件相对而言更加容易操作，模拟起来更为方便，其焊接方面的专业性也较强。本文综合考虑后，选用ABAQUS软件，主要是因为该软件在计算复杂的非线性问题上较为强大[53]，且后续还要进行管道氢扩散的分析，因此选用有限元ABAQUS软件进行管道温度、应力、氢扩散的模拟研究。焊接温度场模拟是导致焊接残余应力的基础，本章参考了文献[54]的管道焊接试验，管道尺寸大小和焊接工艺与试验一致，采用有限元软件ABAQUS进行管道含六层环焊缝的焊接模拟，并加以热循环曲线的验证，分析了焊接热输入对管道焊接的影响。
在管道焊接过程中，热源是沿管道环向移动的，采用的是瞬态分析法，利用有限元进行焊接模拟时，管道温度场的准确性直接影响后续应力应变场的结果，因此，选用合适的热源模型显得至关重要[55]。Goldak等[56]将热源模型发展分为五代，第一代热源模型为Rosonthal等[57]提出的点热源、直线热源和平面热源模型，这些热源都是以集中热源为基础，假设材料的热物理性能不随时间改变，假设焊件尺寸为无限大，不考虑材料结晶潜热和相变，因此计算结果误差很大。第二代热源模型有Pavelic等[58]提出的高斯热源模型、Goldak提出的双椭球热源模型、给定温度热源模型、均匀体热源模型等[59-62]，第二代热源模型也是目前应用最广泛、最成熟的。第三和第四代热源模型则是考虑了熔池内部的流体静力学和流体动力学问题，第五代热源模型将电弧考虑了进去，这些热源模型都还尚未成熟，少有应用。
2.2温度场建模与方法
本文以X80管道环焊缝为例进行管道焊接的模拟研究，管道直径为1219mm，壁厚为18.4mm，管道设计内压为12Mpa，管道焊接采用六层六道焊，每层焊缝金属厚约3mm，焊接试件的坡口形式如图2.3所示。焊接工艺[54]为：根焊采用低氢型焊条KOBE LB52U手工根焊，盖面焊和填充焊采用自保护药芯焊丝HOBART FABSHIELD X80半自动焊，焊接所用设备为LINCOLN DC400焊接电源和LN 23P送丝机，具体的焊接工艺参数见表2-1。
第三章 管道焊接应力场模拟 ....................... 24
3.1 焊接应力场理论基础与建模 ................... 24
3.1.1 焊接应力场理论基础 ......................... 24
3.1.2 管道焊接应力场建模 ....................... 26
第四章 管道焊接应力诱导氢扩散模拟 ..................... 42
4.1 氢扩散理论基础与建模.............................. 42
4.1.1 氢扩散理论基础 ............................ 42
4.1.2 氢扩散建模方法 .......................... 43
第五章 结论与展望 ..................... 67
5.1 结论 ........................... 67
5.2 展望 .......................... 68
第四章管道焊接应力诱导氢扩散模拟
4.1氢扩散理论基础与建模
4.1.2氢扩散建模方法
有限元模拟基于如下假设：（1）本文研究焊接残余应力对管线钢中氢扩散的影响，不考虑焊接接头组织不均匀；（2）氢在管线钢中扩散时只以氢原子的形式进行，当氢原子扩散至管道外表面时会结合成氢分子，故管道外表面氢浓度为0；（3）模拟时忽略管线钢中夹杂、微孔洞等对氢的吸附行为；（4）忽略管线钢在生产冶炼时引入的氢，认为初始状态时管线钢内部的氢浓度为0；（5）氢在管线钢内部的扩散系数为各向同性；（6）本研究为管道焊接并冷却完成后的氢扩散分析，研究时只考虑残余应力对氢扩散的影响，忽略温度的影响。
由于本研究主要考虑焊接残余应力对氢扩散的影响，故假定管道焊缝和母材区的氢扩散参数相同，根据文献[49]，设管道内表面的吸附氢浓度为0.0235×10-6，管材的溶解度和氢扩散系数分别为4.797×10-11Pa-1/2和3.302×10-6cm2/s。需要注意的是，在进行管道氢扩散模拟时，表征边界条件的参数是“归一化氢浓度”，通常称为氢活度φ，其计算公式见式（4.6），ABAQUS模拟时边界施加的氢浓度应为φ。
管道焊接氢扩散模拟是将之前模拟得到的应力场结果作为预定义场，模型尺寸、节点编号、网格划分应与温度场和应力场保持一致，网格单元类型为DC3D8。ABAQUS中氢扩散模拟不支持直接从预定义场引入应力结果，所以在进行氢扩散模拟分析时，通过修改氢扩散inp文件的方式将应力计算结果中各节点的应力值引入。具体方式为，在进行氢扩散计算时，通过修改inp文件的方式引入fil文件中某一增量步各节点的应力值，运行inp文件即可将应力场与氢扩散场耦合计算。
第五章结论与展望
5.1结论
利用有限元软件ABAQUS建立含六层环焊缝X80管道模型，进行三场顺序耦合数值模拟，分析了焊接温度场、残余应力场及氢扩散场的分布规律，研究了焊接热输入和焊后热处理对缓解残余应力和氢富集的效果，提出了降低焊接残余应力和氢富集的建议。
（1）温度场分布
焊缝和热影响区温度较高且温度梯度较大，各点的升温速度明显大于冷却速度，各点温度峰值会逐渐降低。随着焊接热输入的增大，管道峰值温度升高，会加剧晶粒的粗大化，冷却时间和高温停留时间均会延长，有利于缓解焊后金属的脆硬性。建议可以通过优化实际焊接方法与流
