白鶴灘蝸殼與壓力鋼管封閉焊縫殘余應(yīng)力研究

賈瑞燕 段偉贊

摘要： 為了有效控制白鶴灘水電站蝸殼與壓力鋼管封閉焊縫殘余應(yīng)力，采用基于熱-力耦合分析的有限元軟件MSC.Marc對(duì)封閉焊縫建立模型進(jìn)行模擬。通過(guò)模擬兩種不同焊接路徑方案進(jìn)行殘余應(yīng)力對(duì)比分析，給出優(yōu)化建議。對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，結(jié)果表明優(yōu)化方案效果明顯，有效控制了白鶴灘蝸殼與壓力鋼管封閉焊縫的殘余應(yīng)力。

關(guān)鍵詞： 蝸殼與壓力鋼管封閉焊縫; 有限元分析; 殘余應(yīng)力

中圖分類號(hào)： TG 442

Abstract： The model of closured weld was established by using the finite element software MSC. Marc based on the thermosmechanical coupling analysis in order to control the residual stress between the spiral case and penstock in Baihetan Power Station. The optimization suggestions are put forward by the comparative analysis of two different schemes. The verification onsite of prioritization scheme is significantly effective in controlling the residual stress of closured weld between the spiral case and penstock in Baihetan power station.

Key words： closured weld between the spiral case and penstock; finite element analysis; residual stress

0 前言

白鶴灘右岸蝸殼與引水壓力鋼管材料均為SX780CF鋼，其封閉焊縫直徑8 600 mm，厚度70 mm，為非對(duì)稱X 形坡口。蝸殼與壓力鋼管封閉焊縫焊接時(shí)，蝸殼側(cè)與座環(huán)裝焊完畢并通過(guò)基礎(chǔ)螺栓與機(jī)坑混凝土固定，壓力鋼管側(cè)混凝土澆筑完畢[1]，即該焊縫為兩側(cè)絕對(duì)拘束狀態(tài)下焊接的最后一道合攏縫，焊接接頭內(nèi)形成較大熱應(yīng)力及殘余應(yīng)力，產(chǎn)生焊接裂紋風(fēng)險(xiǎn)大[2];且該焊縫無(wú)法進(jìn)行焊后消應(yīng)熱處理，較大的焊接殘余應(yīng)力將降低構(gòu)件的剛度、穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，對(duì)后續(xù)機(jī)組運(yùn)行存在質(zhì)量隱患[3-6]。

文中利用有限元分析軟件MSC.Marc對(duì)蝸殼與壓力鋼管的封閉焊縫焊接工藝方案進(jìn)行模擬研究，對(duì)無(wú)法進(jìn)行試驗(yàn)的重大部件焊接進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)分析，預(yù)估不同焊接路徑方案所得到的殘余應(yīng)力，通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比，優(yōu)選工藝方案，減小焊接殘余應(yīng)力值，節(jié)約制造成本，降低焊接質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)和損失。該研究對(duì)實(shí)現(xiàn)白鶴灘蝸殼精品質(zhì)量有十分重要意義。

1 有限元模型的建立

1.1 有限元建模及計(jì)算參數(shù)

壓力鋼管與蝸殼屬大型板殼類圓柱體結(jié)構(gòu)，由于工件尺寸超大，為簡(jiǎn)化計(jì)算，結(jié)合熱源作用區(qū)域和拘束條件，模型范圍選為橫向取蝸殼與壓力鋼管封閉環(huán)焊縫及兩側(cè)共520 mm ， 如圖1所示。

焊接熱源產(chǎn)生的熱影響只存在于局部有限區(qū)域，不受遠(yuǎn)處的熱源和拘束影響，故將環(huán)焊縫圓周均分8段，取l/8 圓周焊縫長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算分析，得出L為3 375.5 mm。

x軸、y軸代表相互垂直的兩個(gè)徑向方向，z 軸代表軸向方向。焊接過(guò)程溫度場(chǎng)分布非常不均勻，焊縫及熱影響區(qū)溫度梯度變化大，遠(yuǎn)離焊縫處溫度梯度變化相對(duì)較小，劃分網(wǎng)格時(shí)采用焊縫及熱影響區(qū)共用網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，由于工件尺寸超大，焊縫及熱影響區(qū)采用相同尺寸的網(wǎng)格尺寸，單元寬度取10 mm，減少了整體網(wǎng)格數(shù)量，節(jié)省了計(jì)算成本，網(wǎng)格類型采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元進(jìn)行劃分。有限元模型網(wǎng)格單元數(shù)為41 065，采用生死單元[7]，隨熱源移動(dòng)逐步激活焊縫單元。

選取雙橢球熱源模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，焊接過(guò)程的熱效率設(shè)定為80%，熱源的分布參數(shù)根據(jù)熔池的尺寸選定。

材料SX780CF密度為7 880 kg/m3，泊松比為0.3，熱膨脹系數(shù)1.4 × 10-5/℃，其他熱物理性能參數(shù)見(jiàn)表1。

1.2 焊縫路徑規(guī)劃

現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝制定時(shí)，為提高生產(chǎn)效率，通常由6～8名焊工在圓周方向上均布同時(shí)施焊。每人負(fù)責(zé)總長(zhǎng)度約3 000～4 000 mm焊縫的焊接。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工特點(diǎn)，每名焊工焊接時(shí)，規(guī)劃出適于操作的兩種焊接路徑，如圖2所示，其中圖2a為順序焊，由1段至6段逐段順序焊接;圖2b為變序焊，由1段至6段跳躍變序焊接。順序焊操作簡(jiǎn)單方便，生產(chǎn)效率高，但容易造成熱量累計(jì);變序焊需要往復(fù)跳躍，操作較復(fù)雜，生產(chǎn)效率較低，但熱源作用區(qū)域分散，有利于工件散熱。

焊接順序?qū)堄鄳?yīng)力的分布有重要影響[8]，由于應(yīng)力釋放作用的存在，先焊接一側(cè)的殘余應(yīng)力低于后焊接側(cè)的殘余應(yīng)力，且多次熱循環(huán)是導(dǎo)致焊接變形的主要原因。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 不同路徑模擬結(jié)果對(duì)比分析

基于以上建立的蝸殼與壓力鋼管封閉焊縫有限元模型和規(guī)劃的兩種不同路徑方案，通過(guò)后處理得到殘余應(yīng)力云圖，并選擇不同路徑節(jié)點(diǎn)殘余應(yīng)力值，進(jìn)行對(duì)比分析。

圖3所示為不同焊接路徑下壓力鋼管環(huán)縫等效殘余應(yīng)力分布情況，其中圖3a 為順序焊殘余應(yīng)力，圖3b 為變序焊殘余應(yīng)力。不同焊接順序?qū)е聭?yīng)力分布不同，變序焊比順序焊殘余等效應(yīng)力分布低。

圖4所示為焊縫中間處垂直于焊縫分布的殘余等效應(yīng)力路徑曲線，順序焊和變序焊殘余應(yīng)力分布趨勢(shì)基本一致，順序焊應(yīng)力峰值高于變序焊。圖5所示為沿焊縫分布的殘余等效應(yīng)力路徑曲線，順序焊大部分區(qū)域殘余應(yīng)力較高，變序焊在后一半的焊縫長(zhǎng)度上殘余應(yīng)力值相對(duì)順序焊降低。焊接過(guò)程，先焊焊縫對(duì)后焊焊縫造成拘束，順序焊由1段至6段逐段焊接，先形成焊縫拘束大，工件殘余應(yīng)力較高。變序焊跳躍焊接，后焊焊縫受先焊焊縫拘束較小，殘余應(yīng)力較低。

壓力鋼管和蝸殼屬于壓力管道部件，工作中承受循環(huán)交變壓力，降低環(huán)縫的殘余應(yīng)力有利于提高壓力鋼管和蝸殼連接處的疲勞性能。

2.2 焊接方案優(yōu)化

基于以上分析，焊接路徑優(yōu)化為變序焊，即將壓力鋼管與蝸殼封閉環(huán)縫均分為8份，每1/8圓再均分為6段，每段長(zhǎng)563 mm，8名焊工沿圓周均布，對(duì)各自負(fù)責(zé)的1/8圓采取圖2b所示的變序焊同時(shí)施焊。

對(duì)路徑優(yōu)化后的封閉環(huán)焊縫焊接全過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得出殘余應(yīng)力。如圖6所示為封閉環(huán)焊縫整體焊接完畢后冷卻至室溫的殘余應(yīng)力場(chǎng)分布，殘余應(yīng)力在圓周方向分布較為一致，殘余應(yīng)力峰值集中在焊縫中間位置，殘余應(yīng)力最大值為643.8 MPa，小于母材SXB780CF的屈服強(qiáng)度690 MPa。如圖7所示為封閉環(huán)焊縫整體焊接完畢后冷卻至室溫的位移場(chǎng)，即焊縫變形分布情況，可見(jiàn)焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)為變形量集中分布地帶，最大變形量為1.547 mm。該變形量對(duì)于機(jī)組安裝精度未造成不良影響。

3 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

現(xiàn)場(chǎng)焊接選取優(yōu)化后的焊接方案，采用焊條電弧焊方法，焊接材料為E11018-G，焊接速度100 mm/min，具體焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表2。先焊接大坡口側(cè)，背面清根再焊小坡口側(cè)。為保證高強(qiáng)鋼焊接質(zhì)量，避免冷裂紋，通常采取預(yù)熱溫度150 ℃[9-10]，層間溫度200 ℃，后熱溫度230 ～ 280 ℃。

對(duì)蝸殼與壓力鋼管封閉焊縫進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力測(cè)試，應(yīng)力測(cè)試方式采用X射線應(yīng)力測(cè)試[11]，檢測(cè)依據(jù)為GB/T 7704—2008《無(wú)損檢測(cè) X射線應(yīng)力測(cè)定方法》標(biāo)準(zhǔn)，殘余應(yīng)力測(cè)區(qū)布置為圓周均布12區(qū)，各區(qū)測(cè)點(diǎn)分布示意圖如圖8所示。殘余應(yīng)力測(cè)試值見(jiàn)表3。測(cè)點(diǎn)編號(hào)沿水流方向?yàn)檎瑴y(cè)點(diǎn)編號(hào)對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)距焊縫中心的距離，如圖8所示。殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果應(yīng)力值為正數(shù)是拉應(yīng)力，為負(fù)數(shù)是壓應(yīng)力。對(duì)比分析白鶴灘工地現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)壓力鋼管蝸殼封閉焊縫殘余應(yīng)力值與數(shù)值模擬值，按實(shí)測(cè)點(diǎn)位置在數(shù)值模型上提取對(duì)應(yīng)點(diǎn)殘余應(yīng)力計(jì)算值。實(shí)測(cè)殘余應(yīng)力最大值648.1 MPa，與模擬值接近。

焊接變形測(cè)量采用焊縫兩側(cè)刻線樣沖點(diǎn)測(cè)量方式完成，測(cè)點(diǎn)圓周均布測(cè)量8點(diǎn)，測(cè)量工具游標(biāo)卡尺。焊接變形測(cè)量值見(jiàn)表4。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)蝸殼和壓力鋼管對(duì)接焊縫變形值的測(cè)量，變形值最大為2.12 mm。該數(shù)值與模擬值接近。

4 結(jié)論

利用有限元分析軟件MARC，對(duì)蝸殼與壓力鋼管對(duì)接封閉焊縫建立焊接熱過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，按照不同的焊接路徑，進(jìn)行模擬研究。通過(guò)比對(duì)分析不同焊接路徑下焊接殘余應(yīng)力分布，優(yōu)選出焊接工藝方案，預(yù)估出焊后殘余應(yīng)力。工地現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了殘余應(yīng)力和變形實(shí)測(cè)，驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果。通過(guò)該研究實(shí)現(xiàn)了白鶴灘蝸殼與壓力鋼管封閉焊縫殘余應(yīng)力的有效控制。參考文獻(xiàn)

[1] 徐家瓊.溪洛渡右岸電站壓力鋼管焊接質(zhì)量的控制[J].云南水力發(fā)電，2014，30（1）：86-87.

[2] 方乃文，王麗萍，李連勝，等.鎂合金圓筒艙體DEGMAW焊接數(shù)值模擬[J].焊接學(xué)報(bào)，2018，39（7）：29-32.

[3] Fang Naiwen，Wang Liping，Li Liansheng，et al.Numerical simulation of DEGMAW of magnesium alloy cylinder [J].China Welding，2018，27（2）：24-30.

[4] 林日東，萬(wàn)虎，胡存銀，等.三峽引水壓力鋼管焊接熱過(guò)程數(shù)值模擬[J].電力建設(shè)，2001（4）：62-65.

[5] 戴會(huì)超，彭澎.三峽工程水電站壓力管道和蝸殼技術(shù)結(jié)構(gòu)型式的選擇及論證[J].中國(guó)工程科學(xué)，2004（2）：33-37.

[6] 趙楠，羅震，單平，等.蝸殼管節(jié)組裝焊接的數(shù)值模擬及工藝優(yōu)化[J].焊接，2010（12）：28-32.

[7] 王成，李萌盛，韓磊.冷凝罐接管與筒節(jié)焊接應(yīng)力的有限元分析[J].機(jī)械制造文摘——焊接分冊(cè)，2013（3）：5-8.

[8] 李雅范，高秀玲，姬書(shū)得，等.焊接數(shù)值模擬技術(shù)在電機(jī)制造應(yīng)力控制上的應(yīng)用[J].機(jī)械制造文摘——焊接分冊(cè)，2012（4）：31-34.

[9] 陳懷寧，劉賀全，林泉洪，等.爆炸法消除三峽工程高強(qiáng)鋼壓力鋼管焊接殘余應(yīng)力[J].焊接，2000（12）：20-22.

[10] 李亞娟，李午申.X80管線鋼環(huán)焊縫接頭殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬[J]. 焊接學(xué)報(bào)，2010，31（6）：97-100.

[11] 萬(wàn)晉，李佳，林少雄.球罐焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬分析[J].焊接學(xué)報(bào)，2016，37（4）：89-94.