熱處理對核壓力容器焊接殘余應(yīng)力的影響

張美麗

（商洛學(xué)院 化學(xué)與化學(xué)工程系，陜西商洛 726000）

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和對能源需求的與日俱增，國家把核能擺在了能源發(fā)展戰(zhàn)略的顯著位置，并形成了國內(nèi)有巨大潛力的核電裝備市場[1-2]。核壓力容器長期處在高溫、高壓、腐蝕介質(zhì)和中子輻照的環(huán)境下工作，所以對其制造過程中結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制是非常重要的。焊接是制備核壓力容器必不可少的工序，由于材料在焊接過程中受到高度集中的瞬時(shí)熱輸入，在焊接后將產(chǎn)生相當(dāng)大的殘余應(yīng)力和變形[3]，而熱處理是消除焊接殘余應(yīng)力和變形的有效方法之一。伴隨著生產(chǎn)力的提高，核壓力容器正向著大型化發(fā)展，這對其焊后的熱處理提出了新的挑戰(zhàn)。

目前對大厚度核壓力容器的現(xiàn)場焊后熱處理研究較多，方法主要有局部熱處理和整體熱處理等。而這些只是局限在加工現(xiàn)場的實(shí)踐性研究[4-5]，對壓力容器焊接結(jié)構(gòu)的焊后熱處理工藝進(jìn)行有限元模擬分析的較少。本文主要針對高溫氣冷堆厚壁核壓力容器的馬鞍型焊縫在焊后具有一定的殘余應(yīng)力，通過有限元法模擬計(jì)算在相同的熱處理溫度，不同的熱處理時(shí)間下焊縫處最大等效應(yīng)力的變化，以此來分析不同的熱處理工藝對厚壁核壓力容器焊接殘余應(yīng)力的消除情況。

1 有限元計(jì)算模型的建立

1.1 幾何模型

在ANSYS中建立如圖1所示的高溫氣冷堆核壓力容器大接管段的幾何模型，計(jì)算時(shí)主要采用I型坡口（30 mm寬）的馬鞍形焊縫，其具體尺寸見圖1所示（單位：mm）。

圖1 高溫氣冷堆核壓力容器大接管段的幾何模型

1.2 網(wǎng)格劃分

由于模型的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以在焊縫與熱影響區(qū)部分網(wǎng)格劃分的較密，遠(yuǎn)離焊縫的地方網(wǎng)格劃分較為稀疏。溫度場計(jì)算采用六面體八節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體熱單元（solid70），應(yīng)力場計(jì)算采用六面體八節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體結(jié)構(gòu)單元(solid45)[6]。整體結(jié)構(gòu)劃分完網(wǎng)格后，30 mm寬的Ⅰ型坡口的單元數(shù)為43144，節(jié)點(diǎn)數(shù)為15027；整體網(wǎng)格的劃分如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分

1.3 材料參數(shù)

材料的非線性熱物理參量在焊接殘余應(yīng)力的計(jì)算過程中是有著重要影響的[7-8]，本文假設(shè)焊材和母材的材料相同，均為SA508Gr.3Cl.1。具體材料參數(shù)如圖3所示，圖中 CP為比熱（100 J·㎏-1·℃），K為導(dǎo)熱系數(shù)（10 W·m-1·K），α為線膨脹系數(shù)（10-5℃-1），σs為屈服強(qiáng)度（100 MPa），E為彈性模量（104MPa），G為切變模量（105MPa），另外在材料參數(shù)中假設(shè)不隨溫度變化[9]的有密度：7800 kg·m-3，對流系數(shù)：17 W·m-2·K，泊松比：0.3。

圖3 材料性能參數(shù)

1.4 工藝參數(shù)

焊接采用窄坡口直流埋弧自動焊，具體的焊接工藝參數(shù)和焊后熱處理參數(shù)分別如表1和表2所示。

表1 焊接工藝參數(shù)

表2 焊后熱處理工藝參數(shù)

1.5 熱源模型

本文的焊接計(jì)算采用在焊縫單元上加載均勻熱流的熱源模式[10]，使單位體積上的熱流或者熱生成率恒定，所采用的熱源計(jì)算公式為

其中，U:電壓，I:電流，η:電弧熱效率，V:熱源作用體積。

熱處理的計(jì)算熱源采用對流的方式施加，具體方法為：設(shè)定環(huán)境溫度為610℃，整個模型的基體溫度為20℃。

2 結(jié)果及分析

2.1 焊后殘余應(yīng)力

為了更準(zhǔn)確的了解焊后接頭處的軸向、環(huán)向、厚度方向以及等效殘余應(yīng)力在整個焊接接頭區(qū)域的應(yīng)力分布特點(diǎn)，故在同一坐標(biāo)系下對其各向應(yīng)力分布以曲線的形式進(jìn)行比較，30 mm寬I型坡口的焊接結(jié)構(gòu)在焊接后各向應(yīng)力分布曲線如圖4所示。

圖4 焊后各向殘余應(yīng)力分布曲線

從圖4可以看出，在焊接完成之后，等效殘余應(yīng)力在焊縫中心的應(yīng)力值最大，最大值為413.97 MPa，隨著遠(yuǎn)離焊縫中心，應(yīng)力逐漸減小。其次為厚度方向的殘余應(yīng)力，其應(yīng)力在焊縫中心的小于焊縫右側(cè)熔合線上的應(yīng)力，熔合線上最大應(yīng)力值為381.69 MPa，焊縫中心的最大應(yīng)力值為329.77 MPa，且應(yīng)力沿焊縫右側(cè)熔合線向兩端逐漸減小。軸向殘余應(yīng)力在焊縫右側(cè)熔合線上的應(yīng)力值最大，而焊縫中心的應(yīng)力值較小，焊縫中心的最大應(yīng)力值為112.56 MPa，其應(yīng)力沿焊縫兩側(cè)熔合線向兩端逐漸減小。環(huán)向殘余應(yīng)力在焊縫中心表現(xiàn)為壓應(yīng)力，最大應(yīng)力值為-116.11 MPa，同樣隨著遠(yuǎn)離焊縫中心，應(yīng)力值逐漸減小。

2.2 不同熱處理后殘余應(yīng)力

為了分析熱處理后壓力容器上焊接接頭處的應(yīng)力變化情況，以圖5-圖9為610℃高溫回火，分別保溫1-5 h熱處理后的焊縫附近的各向應(yīng)力分布曲線。

圖5 610℃熱處理1 h后各向殘余應(yīng)力分布曲線

圖6 610℃熱處理2 h后各向殘余應(yīng)力分布曲線

圖7 610℃熱處理3 h后各向殘余應(yīng)力分布曲線

圖8 610℃熱處理4 h后各向殘余應(yīng)力分布曲線

圖9 610℃熱處理5 h后各向殘余應(yīng)力分布曲線

從圖5-圖9的各向殘余應(yīng)力分布曲線上可以看出，經(jīng)過610℃熱處理1-5 h之后，各向殘余應(yīng)力的分布趨勢基本一致。焊縫中心處的等效殘余應(yīng)力最大，并隨著遠(yuǎn)離焊縫中心，應(yīng)力逐漸減小。其次為厚度方向的殘余應(yīng)力，應(yīng)力最大值位于焊縫右側(cè)的熔合線上，而在焊縫中心的應(yīng)力稍小，同樣隨著遠(yuǎn)離焊縫區(qū)，應(yīng)力逐漸減小。軸向殘余應(yīng)力在左右兩側(cè)的熔合線上的應(yīng)力值要高于在焊縫中心的應(yīng)力，在右側(cè)熔合線上的應(yīng)力值最大；在焊縫右側(cè)，沿熔合線向右應(yīng)力逐漸減小，在焊縫的左側(cè)，應(yīng)力沿熔合線向左至遠(yuǎn)離焊縫中心200 mm處應(yīng)力稍有增大，遠(yuǎn)離200 mm后應(yīng)力又開始逐漸減小。環(huán)向殘余應(yīng)力在焊縫中心應(yīng)力最大，且表現(xiàn)為壓應(yīng)力，隨著遠(yuǎn)離焊縫中心，應(yīng)力逐漸減小且向拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變。

2.3 熱處理前后殘余應(yīng)力的對比分析

為了分析比較熱處理對焊接殘余應(yīng)力的消除情況，故對熱處理前后的等效應(yīng)力分布以曲線的形式進(jìn)行對比，應(yīng)力分布曲線如圖10所示,并對焊縫中心的最大等效應(yīng)力值進(jìn)行比較，最大應(yīng)力值的變化如圖11所示。

圖10 不同熱處理后的等效應(yīng)力分布曲線

從圖10可以看出，熱處理前后焊縫處的等效應(yīng)力均較高，隨著遠(yuǎn)離焊縫中心，應(yīng)力值呈逐漸減小的趨勢。未進(jìn)行熱處理的焊縫中心等效應(yīng)力值最大，而經(jīng)過不同時(shí)間的熱處理后焊縫處的等效應(yīng)力值均呈相對減小。

圖11 不同熱處理后焊縫中心最大等效應(yīng)力值比較

從圖11可以看出，未進(jìn)行熱處理的焊縫中心等效應(yīng)力峰值為413.97 MPa，熱處理保溫1，2，3，4，5 h 后的焊縫中心等效應(yīng)力峰值分別為344.72，263.10，267.66，265.17，336.51 MPa。由此可以看出，熱處理可以降低焊接接頭的殘余應(yīng)力，致使焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力重新分布。如果熱處理時(shí)間過短，焊接接頭處殘余應(yīng)力消除不完全；熱處理時(shí)間過長，使得整體壓力容器的熱膨脹過大，整個結(jié)構(gòu)會受到拘束的影響，導(dǎo)致在冷卻過程中，整體變形的收縮受到阻礙。這種變形的作用在焊接結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生二次應(yīng)力的分布，使得焊縫處的應(yīng)力反而再次升高。因此，保溫時(shí)間過長會導(dǎo)致焊縫處的等效應(yīng)力反而增大。所以對厚壁核壓力容器采用的2 h熱處理保溫時(shí)間最為合理。

3 結(jié)論

研究發(fā)現(xiàn)，厚壁核壓力容器上的馬鞍形焊縫在焊接之后整體進(jìn)行610℃高溫回火，保溫2 h的熱處理方法使得應(yīng)力消除的最多。說明采用焊后熱處理方法能使焊接接頭的殘余應(yīng)力有很大程度的降低，并且殘余應(yīng)力有向母材擴(kuò)展的趨勢。同時(shí)證明了焊后熱處理過程使殘余應(yīng)力重新分布，對降低應(yīng)力強(qiáng)度和變形，減輕應(yīng)力集中有很好的作用。

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