螺旋焊管通常用于石油和天然气的管路系统。螺旋焊接作为一种具有效率高、设备简单和制造成本低的连接方式,具有很大的应用潜力。但是在焊接过程中由于局部不均匀受热及材料非线性特征会导致产生残余应力,影响焊接结构的完整性。另外残余应力存在引起的静水压力梯度诱导氢向材料内部扩散,氢的聚集导致应力集中区域氢压增加,致使应力梯度进一步增加,两者双重作用下致使管道出现氢致开裂的风险增加。因此,管道中应力和氢的存在会影响螺旋焊管在服役过程中的安全性。针对以上问题,文章对螺旋焊管的焊接过程进行了有限元模拟。结合残余应力测试试验,对比分析数值模拟和实验测量的一致性。同时讨论成型角、管径与板厚比、焊接热输入和预热温度对焊接残余应力的影响。随后又进行了氢扩散过程的数值模拟,探讨残余应力对氢扩散的影响,进而讨论成型角、焊接热输入、预热温度和晶界对氢扩散的影响,为X70钢螺旋焊管的服役安全性提供一定的理论依据。主要研究工作和得到的结论如下:(1)通过数值模拟得到的结果与实验数据吻合性较好,从而证明了有限元数值模拟的可行性。在热影响区和基体金属衔接处具有应力最大值,这是因为在焊接过程中焊接区域温度的迅速增高导致在焊趾处出现较大的温度梯度,此处填充金属的收缩趋势和速率较大,导致较大的应力集中出现。(2)随着成型角的增加,环向应力降低,轴向应力增加,单从残余应力方面考虑,最佳成型角在42°左右。随着管径与板厚比的增加环向应力增加,轴向应力降低。在一定范围内随着预热温度和焊接热输入的增加,残余应力降低。(3)残余应力状态下扩散氢峰值浓度在热影响区比无应力状态下提高了100多倍,可见残余应力的存在显著影响扩散氢浓度及分布状态。而且无应力状态下扩散氢浓度沿厚度方向从内壁到外壁呈现递减规律,而应力状态下,应力集中区域扩散氢浓度最高。(4)随着成型角、预热温度和焊接热输入的增加,扩散氢浓度降低。焊接接头中的残余应力的改变导致扩散氢浓度发生变化,但是分布状态不变。(5)氢在材料微观组织中扩散有两种途径,晶粒和晶界。但是在氢扩散初期,氢原子首先在晶界扩散,在晶界中扩散氢的浓度达到一个较高的水平时,才会向晶粒内扩散。