2. 中国石油大学(北京)油气管道输送安全国家工程实验室/城市油气输配技术北京市重点实验室
2. National Engineering Laboratory for Pipeline Safety/Beijing Key Laborarory of Urban Oil and Gas Distribution Technology, China University of Petroleum(Beijing)
0 引言
连续管技术广泛应用于钻井、完井和测井等作业中，在油气开采过程中发挥着重要作用[1]。连续管环焊不仅能够延长管段长度，还可以移除局部椭圆化管段并更换新管段，实现连续管的现场修复[2]。由于焊接过程存在局部强热流输入，管段在焊接完成后会产生一定宽度范围的热影响区。热影响区的存在使得连续管出现局部软化，严重影响了管体结构和性能的一致性。
连续管的环焊缝多采用钨极惰性气体保护焊(TIG)完成，该焊接过程是一个多因素耦合作用的复杂过程，涉及到电弧物理、传热、冶金和力学等多个学科领域[3]。目前对焊接过程的研究以数值模拟居多，王文武等[4]采用ABAQUS软件模拟计算了单一参数下连续管环焊的温度场及残余应力场分布。张锦洲等[5]借助SYSWELD软件模拟研究了连续管环焊接残余应力沿管体的分布情况。武岳[6]在文献[5]的基础上，采用有限元模拟计算了不同焊接线能量下连续管环焊热影响区宽度和深度的分布，进一步阐述了焊接工况参数变化对连续管焊接温度场分布的影响。O.OBEID等[7]采用试验与有限元模拟研究了内衬管组合焊接温度场随材料性能、几何参数和热输入等因素的变化。DENG D.等[8]研究了不锈钢管多道焊管体温度场的变化规律。基于焊接温度场的研究基础，国内外对焊接过程残余应力的影响因素开展了大量研究。WU C.等[9]模拟分析了管道TIG环焊焊接残余应力的形成过程，对焊接残余应力的形成机理进行了细致研究。庹鑫等[10]利用控制变量法研究了立管半径、壁厚、焊接速度和焊接线能量等对深水钢悬链线立管焊接残余应力的影响。I.SATTARI-FAR等[11]利用有限元建模方法，研究了不同焊槽形状(V形、X形和U形)及焊道数量对于对接焊管残余应力的影响。
目前，对连续管焊接温度场分布的研究多围绕单一管体参数展开，而连续管壁厚、管径及焊接工况参数的变化都会对焊接温度场及热影响区宽度产生显著影响。因此，本文将通过非线性有限元方法对连续管环焊缝热影响区宽度的影响因素展开深入研究，同时探讨热影响区宽度随多种参数的变化规律。
1 模型建立 1.1 热源模型焊接热源模型的确定需要综合考虑焊接方式及焊接熔池形状等多方面因素。双椭球热源模型前半部分的温度梯度较大，后半部分的温度分布较平缓，与连续管实际焊接热源的热流分布比较接近[12-13]。因此，本模拟过程选用双椭球热源模型。模型示意图如图 1所示。
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| 图 1 双椭球热源模型示意图 Fig.1 Schematic diagram of the double ellipsoid heat source model |
图 1中a1为热源前半部分的长度；a2为热源后半部分的长度；b为热源宽度；c为热源深度。热源前、后两部分的能量分配系数分别设定为f1、f2。本文参考相关文献来确定热源模型的几何参数[6]，拟定a1=1 mm，a2=2 mm，b=3 mm，c=0.3 mm，f1=0.5，f2=1.5。
1.2 数值计算模型连续管环焊过程中，焊缝两侧的管体具有对称性，为了减小计算规模，选取环焊缝的一侧建立模型。管长为25 mm，管段外径和壁厚根据不同模拟工况具体设定。焊缝坡口采用60°的V形坡口，钝边厚为1.5 mm，槽口宽度为0.5 mm。管段的数值计算模型如图 2所示。
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| 图 2 连续管½模型 Fig.2 Model of the ½ coiled tubing |
结合焊接温度场的分布特点，即焊缝和热影响区的温度梯度较大，管段其他部位的温度变化较平缓，为了保证模拟结果的准确性，对焊缝区及热影响区采取局部网格加密。本文分别模拟了3种不同管径和壁厚的连续管焊接过程。具体焊接流程如图 3所示。从图 3可以看出，连续管环焊的焊接流程主要包括打底焊接过程、中间冷却过程、盖面焊接过程及最终冷却过程。
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| 图 3 连续管焊接流程图 Fig.3 Flow chart of coiled tubing welding |
2 焊接过程仿真和结果分析 2.1 焊接过程仿真
利用ABAQUS有限元软件对连续管的打底焊接过程和盖面焊接过程分别进行了数值模拟。假设母材和焊缝材料相同，具体材料特性参数按王文武等[4]的研究选取。焊接过程中，管体与周围环境之间存在对流和辐射换热。当管段表面温度较低时，对流换热占主导；当管段表面温度较高时，辐射换热占主导[14]。为了计算方便，本文选取一个总的表面换热系数来综合考虑两种换热形式的影响，环境温度设置为25 ℃。连续管对称面采用绝热边界条件。打底焊接热源移动速度取1 mm/s，连续管外径取38.1 mm，壁厚取3.18 mm。打底焊接过程中管体和焊料填充区的温度场分布分别如图 4和图 5所示。由图 4和图 5可知，随着焊接热源的移动，焊料填充区各点依次达到焊接温度最大值，热源中心附近的温度明显高于管体其他部位。
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| 图 4 打底焊接过程中管体温度场分布 Fig.4 Temperature field distribution of the coiled tubing during the backing welding process |
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| 图 5 打底焊接过程中焊料填充区温度场分布 Fig.5 Temperature field distribution in the solder fill area during the backing welding process |
打底焊接完成后，应该保证层间温度低于150 ℃。本模拟将层间温度降低至最高温度为105 ℃后，进行后续的盖面焊接过程模拟[15]。管体及焊料填充区的温度变化规律与打底焊接过程类似。计算得到的管体和焊料填充区的温度场分布分别如图 6和图 7所示。从图 6和图 7可以看出，高温区主要分布在热源中心附近，管体其他部位的温度较低且温度梯度较小。
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| 图 6 盖面焊接过程中管体温度场分布 Fig.6 Temperature field distribution of the coiled tubing during the cover welding process |
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| 图 7 盖面焊接过程中焊料填充区温度场分布 Fig.7 Temperature field distribution in the solder fill area during the cover welding process |
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| 图 8 焊接完成后管体轴向温度场分布 Fig.8 Distribution of axial temperature field of the coiled tubing after welding |
2.2 结果分析
盖面焊接完成后，以焊接结束位置为起始点，管体轴向各点的温度分布情况如图 8所示。从图 8可以看出：轴向各点与焊接中心的距离越远，温度越低；轴向温度关于焊接中心位置呈对称分布。根据管体轴向温度分布情况，选取730~1 500 ℃温度范围内的区域为焊接热影响区[16]。在盖面焊接过程结束并冷却完毕后，对焊料填充区的环向温度值进行提取。定义焊接起始点的位置为0°(12点钟方向)，距离焊接起始点60°(2点钟方向)、150°(5点钟方向)及330°(11点钟方向)的3个测试点的热循环曲线如图 9所示。从图 9可以看出：随着焊接热源中心的移动，填充区环向各点的温度变化趋势相近；距离焊接起始点越远，温度达到峰值所需的时间越长；由于焊接过程中热量不断积累，各点的峰值温度依次升高。
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| 图 9 焊接完成后距离起始点60°、150°及330°点的热循环曲线 Fig.9 Thermal cycle curve from the starting point of 60°、150° and 330° after welding |
3 影响因素研究 3.1 焊接线能量对热影响区宽度的影响
焊接线能量是描述焊接过程热输入量的重要参数，对焊接热影响区宽度具有一定影响。本节假设连续管的外径为38.1 mm，壁厚为4.44 mm，焊接速度为1 mm/s。通过改变焊接电流的大小来实现焊接线能量的变化，参考连续管现场焊接线能量的取值范围，模拟研究了焊接线能量分别为0.25、0.30、0.35和0.40 kJ/mm时的温度场及焊接热影响区宽度的变化规律。
图 10表示不同焊接线能量下距离焊接起始点330°处的热循环曲线。
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| 图 10 不同焊接线能量下距离焊接起始位置330°点的热循环曲线 Fig.10 Thermal cycle curve at 330° from the welding start position under different welding line energies |
从图 10可以看出，相同管体尺寸条件下，焊接线能量越大，管段单位体积的热输入量就越多，热源中心所在位置的温度就越高[17-19]。不同焊接线能量下连续管轴向温度分布如图 11所示。从图 11可以看出，随着焊接线能量的增加，管体轴向各点的温度也同时增加。不同焊接线能量下，连续管环焊热影响区宽度与轴向温度分布云图分别如图 12和图 13所示。从图 12和图 13可以看出，热影响区的宽度随着焊接线能量的增加而近似呈线性增加。
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| 图 11 不同焊接线能量下连续管轴向温度场分布 Fig.11 Axial temperature field distribution of coiled tubing under different welding line energies |
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| 图 12 不同焊接线能量下连续管环焊热影响区宽度 Fig.12 Width of heat affected zone of coiled tubing circumferential welding under different welding line energies |
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| 图 13 不同焊接线能量下连续管轴向温度分布云图 Fig.13 Temperature distribution of coiled tubing under different welding line energies |
3.2 焊接速度对热影响区宽度的影响
焊接速度的变化将直接影响管柱单位体积的受热时间，也对焊接热影响区宽度产生了一定影响。本节假定连续管外径为38.1 mm，壁厚为4.44 mm，并设定打底焊接过程与盖面焊接过程的焊接速度相同，模拟研究了焊接速度分别为1.0、1.5、2.0和2.5 mm/s时的温度场及焊接热影响区宽度的变化规律。由于管段环向各点热循环曲线的变化规律一致，这里选取距离焊接起始点330°的位置进行研究。不同焊接速度下距离焊接起始位置330°点的热循环曲线如图 14所示。
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| 图 14 不同焊接速度下距离焊接起始位置330°点的热循环曲线 Fig.14 Thermal cycle curve at 330° from the welding start position at different welding speeds |
由图 14可知，焊接速度越大, 温度达到峰值的时间越短，峰值温度越高。这是因为当控制焊接线能量不变时，随着焊接速度的增加，相应的焊接电流会同时增加，所以热源中心所在位置的温度会逐步升高。图 15表示不同焊接速度下连续管轴向温度场分布。从图 15可以看出，焊接速度越大，管体轴向温度的下降速率越快。不同线能量下连续管热影响区宽度随焊接速度的变化关系如图 16所示。由图 16可知：焊接热影响区宽度随着焊接速度的增加而减小，两者近似呈线性变化；焊接线能量越大，减小的趋势越明显。
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| 图 15 不同焊接速度下连续管轴向温度场分布 Fig.15 Axial temperature field distribution of coiled tubing at different welding speeds |
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| 图 16 不同线能量下连续管热影响区宽度随焊接速度的变化关系图 Fig.16 Effect of the welding speed on the width of the heat affected zone of the coiled tubing under different line energies |
3.3 管径对热影响区宽度的影响
当连续管管径发生变化时，管柱单位体积的热输入量及管体与周围环境之间的换热量都会发生变化，从而在一定程度上影响了热影响区宽度。本节假设连续管的壁厚为3.18 mm，焊接速度取1 mm/s，分别模拟了25.4、31.8及38.1 mm 3种外径的管段在0.25、0.30、0.35和0.40 kJ/mm 4种不同焊接线能量下的焊接过程，结果如图 17和图 18所示。由图 17和图 18可知：不同管径连续管环焊热影响区宽度均随着焊接线能量的增加而近似呈线性增大；当焊接线能量相同时，随着连续管管径增加，热影响区宽度呈现先减小后增大的趋势；当连续管的外径大于31.8 mm时，热影响区宽度将随着外径的增加而明显增大。这是因为在相同的焊接线能量下，当管径增加时，焊接所需要的时间就会延长，管柱单位体积内的热输入量也会随之增多。同时，由于外径的增加，连续管的表面积增大，导致其与环境之间的换热量增加。这两个方面的因素都会对热影响区宽度产生一定的影响。
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| 图 17 不同外径连续管热影响区宽度随焊接线能量的变化关系图 Fig.17 Effect of the welding line energy on the width of the heat affected zone of coiled tubing with different outer diameters |
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| (焊接线能量0.35 kJ/mm) (welding line energy 0.35 kJ/mm) 图 18 不同外径连续管轴向温度分布云图 Fig.18 Temperature distribution of coiled tubing with different outer diameters |
3.4 壁厚对热影响区宽度的影响
连续管壁厚变化对热影响区宽度的影响机理与管径变化对热影响区宽度的影响机理相似。为了进一步研究壁厚变化与焊接热影响区宽度之间的定量关系，本节假设连续管的外径为38.1 mm，焊接速度取1 mm/s，分别模拟了2.41、3.18及4.44 mm 3种壁厚管段的焊接过程。不同壁厚连续管的焊接热影响区宽度随着焊接线能量的变化规律如图 19所示。
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| 图 19 不同壁厚连续管热影响区宽度随焊接线能量的变化关系 Fig.19 Effect of the welding line energy on the width of the heat affected zone coiled tubing with different wall thicknesses |
由图 19可以看出，不同壁厚管段的焊接热影响区宽度均随着焊接线能量的增加而增大。不同壁厚连续管轴向温度分布如图 20所示。
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| (焊接线能量0.35 kJ/mm) (welding line energy 0.35 kJ/mm) 图 20 不同壁厚连续管轴向温度分布云图 Fig.20 Axial temperature distribution of coiled tubing with different wall thickness |
由图 20可以看出，环焊热影响区宽度随着管段壁厚的增加呈现先增加后减小的趋势。这是因为在相同焊接工况参数下，盖面焊所需要的焊接时间相同，随着连续管的壁厚增大，相同时间内，管段单位体积的热输入量减小。同时，连续管内壁表面积随着壁厚的增加而减小，内壁与周围环境之间的换热量减小。当连续管的壁厚较小时，热影响区宽度受内壁与周围环境之间的换热量的影响较大，所以管柱热影响区宽度随着壁厚的增加而增大；当连续管的壁厚继续增加时，热影响区宽度受管段单位体积热输入量的影响较大，所以管柱热影响区宽度随着壁厚的增加而减小。
4 结论与建议(1) 焊接线能量增加时，管体单位体积热输入量明显增大，不同尺寸连续管的热影响区宽度均随着焊接线能量的增加而近似呈线性增加。相同焊接线能量下，热影响区宽度随着焊接速度的增加近似呈线性减小，焊接线能量越大，热影响区宽度减小的趋势越明显。
(2) 大口径厚壁管的热影响区宽度受单位体积热输入量的影响较大，受管体与周围环境换热量的影响较小。热影响区宽度随着管径的增加而增大，随着壁厚的增加而减小，焊接线能量越大，变化趋势越明显。
(3) 当焊接线能量大于0.35 kJ/mm时，适当增加焊接速度可以有效减小焊接热影响区宽度。壁厚为3.18 mm的连续管，当其管径小于31.8 mm时，建议尽量控制其焊接线能量不超过0.35 kJ/mm，避免小口径连续管在高焊接线能量下出现焊接热影响区宽度迅速增加的现象。
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