半管夾套焊接及焊后熱處理的殘余應(yīng)力分析

張學(xué)恒，常 浩

(青島煉油化工有限責(zé)任公司，山東 青島 266500)

半管夾套焊接及焊后熱處理的殘余應(yīng)力分析

張學(xué)恒，常 浩

(青島煉油化工有限責(zé)任公司，山東 青島 266500)

半管夾套作為一種應(yīng)用廣泛的加熱冷卻設(shè)備，在焊接時產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，是導(dǎo)致開裂引起泄漏的重要影響因素之一。本文通過有限元軟件ABAQUS，編寫了移動熱源子程序，并采用順次耦合方法對半管夾套設(shè)備焊接溫度場及殘余應(yīng)力場進行了數(shù)值模擬，并分析了焊后熱處理對半管夾套殘余應(yīng)力的影響。結(jié)果表明，半管夾套焊縫根部殘余應(yīng)力較大，成為應(yīng)力腐蝕開裂的薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)引起重視；進行熱處理后，殘余應(yīng)力明顯降低，焊縫根部降低了73%，且焊縫及附近區(qū)域應(yīng)力變得均勻；熱處理后期，殘余應(yīng)力有所升高。

半管夾套；殘余應(yīng)力；熱處理；數(shù)值模擬

半管夾套作為一種加熱冷卻設(shè)備，與普通夾套容器相比，具有筒體受力好、傳熱效率高、節(jié)約鋼材等優(yōu)點，被廣泛運用在化工、醫(yī)藥等領(lǐng)域[1]。目前，工程上使用該設(shè)備出現(xiàn)的普遍問題是半管與筒體焊接部位出現(xiàn)開裂，并引起泄漏[2]。在焊接過程中，由于涉及相變、溫度場不均勻分布及約束等因素，使得半管夾套中存在較大的殘余應(yīng)力，甚至超過了屈服強度[3]，且應(yīng)力狀態(tài)較為復(fù)雜，在內(nèi)壓作用下，加劇了應(yīng)力腐蝕開裂的敏感性，此類問題應(yīng)引起足夠的重視。

熱處理在改善金屬性能和焊接殘余應(yīng)力消除上具有不可替代的作用。通過焊后熱處理以降低焊接殘余應(yīng)力是防止應(yīng)力腐蝕開裂的有效措施之一，雖然奧氏體不銹鋼制壓力容器一般不進行熱處理，但當(dāng)壓力容器要在較高腐蝕環(huán)境或較高溫度下工作時，必須進行合適的熱處理，以保證壓力容器的安全系數(shù)[4]。對大型化工設(shè)備或壓力容器，由于尺寸的限制，可采用組裝式電阻爐進行整體熱處理[5]，也可采用局部熱處理、分段熱處理等方式[6]。

目前，對于焊有半管夾套的壓力容器進行熱處理后的殘余應(yīng)力分析，可參考的實驗和模擬數(shù)據(jù)較少。本文利用大型有限元軟件ABAQUS，對半管夾套焊接過程進行了三維有限元分析，得到接頭部位焊接溫度場和殘余應(yīng)力場的分布規(guī)律；另外基于壓力容器及半管夾套尺寸，使用工況以及焊后殘余應(yīng)力等因素，初步制定的合適的熱處理方法，并得到該熱處理工藝下接頭部位殘余應(yīng)力場的演變規(guī)律，為焊有半管夾套的壓力容器焊后熱處理工藝的評定提供參考。

1 有限元模擬

1.1 幾何模型

建立半管夾套有限元模型，某半管夾套發(fā)酵罐，筒體內(nèi)徑2000mm，筒體壁厚10mm，半管外徑57mm，壁厚3mm，相鄰半管間距為30mm。由于筒體和半管均為薄壁結(jié)構(gòu)，而且相對于半管來說，筒體的圓度很小，因此將其簡化成平板(如圖1所示)，尺寸為200mm×80mm×10mm，焊縫部位開45°坡口。由于半管厚度較薄，僅為3mm，因此每條焊縫采用單道焊焊接完成。

圖1 幾何模型

1.2 網(wǎng)格劃分

圖2給出了半管夾套整體和局部網(wǎng)格劃分情況，在焊縫及熱影響區(qū),殘余應(yīng)力比較大，網(wǎng)格劃分較密集，在遠離焊縫的區(qū)域，網(wǎng)格較為稀疏。節(jié)點和單元個數(shù)分別為145152和127440。

圖2 網(wǎng)格劃分

1.3 材料參數(shù)

焊縫材料和母材均為不銹鋼304，其熱力學(xué)性能隨溫度變化而變化，計算焊接溫度場和殘余應(yīng)力場所需要的物理性能和力學(xué)性能參數(shù)[3]如表1所示。

1.4 初始條件和邊界條件

在焊接溫度場中，模型外表面為對流和輻射邊界條件，初始溫度取20℃。在殘余應(yīng)力分析中，為限制模型的剛性移動，固定筒體底部四個端點沿X、Y、Z方向的位移。

表1 不銹鋼304的熱力學(xué)參數(shù)[3]

1.5 焊接熱源

焊接方式為焊條電弧焊，焊接電流為120A，焊接電源為30V，焊接速度為6mm/s，焊接熱效率取0.85。焊接模擬時采用高斯熱源模型，首先用FORTRAN語言編寫移動熱源子程序，然后在ABAQUS中采用生死單元技術(shù)，并調(diào)用熱源子程序進行計算，模擬得到焊接溫度場，熱輸入的高斯分布為：

(1)

式中：U，I，v分別為電弧電壓，電流，電弧移動速度；rb是電弧有效加熱半徑；q0為最大功率。通過焊接時間的變化和焊接速度來表示熱源移動。

1.6 應(yīng)力場計算

模擬殘余應(yīng)力時，采用順次耦合方法，將溫度場計算的各節(jié)點處的溫度值作為應(yīng)力場分析的預(yù)定義場。殘余應(yīng)力分析中總應(yīng)變可表示為：

ε=εe+εp+εth

(2)

式中：εe、εp、εth分別表示為彈性應(yīng)變、塑性應(yīng)變和熱應(yīng)變。彈性應(yīng)變可由胡克定律計算得出，塑性應(yīng)變服從Mises屈服準則以及各向同性強化模型，熱應(yīng)變根據(jù)熱膨脹系數(shù)計算得出。溫度場計算采用DC3D8單元,應(yīng)力場計算采用C3D8單元。

1.7 熱處理工藝

在焊后熱處理(PWHT)過程中采用整體加熱的方式，加熱階段以220℃/h的加熱速率升溫至615℃，保溫1h，再以275℃/h的冷卻速率降溫至室溫，在450℃及以上的熱處理階段需考慮蠕變影響[7]。不銹鋼304的蠕變系數(shù)和等效應(yīng)力的冪指數(shù)系數(shù)的值[8]分別為1.56×10-25和9.04，假定該值在450～615℃時保持不變。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度場分析

圖3給出了某時刻焊縫溫度場分布云圖?？梢钥闯?，焊縫中心區(qū)最高溫度達到了2400℃，且整個焊縫區(qū)域溫度已超過熔點(不銹鋼304熔點為1380℃左右)，遠離焊縫中心，溫度逐漸降低，溫度場計算模擬結(jié)果與實際焊接基本一致。

在焊縫中心、焊縫根部和筒體上分別取一點，依次對應(yīng)A點、B點、C點(如圖3所示)，將其焊接時溫度隨時間的變化繪制成熱循環(huán)曲線(如圖4所示)?？梢钥闯?，焊縫中心和焊縫根部峰值溫度分別為2070℃和1460℃，均超過了熔點，焊縫根部可以焊透，說明該焊接工藝參數(shù)下半管夾套成型較好。焊接筒體上C點，峰值溫度為762℃，未發(fā)生熔化。

圖3 焊縫部位溫度場分布云圖

圖4 焊縫截面熱循環(huán)曲線

2.2 殘余應(yīng)力分析

建立兩條路徑P1和P2(如圖1、圖2所示)對半管夾套焊接殘余應(yīng)力以及熱處理后殘余應(yīng)力進行分析研究。定義x，y和z方向的殘余應(yīng)力分別為橫向應(yīng)力S11，厚度應(yīng)力S22和縱向應(yīng)力S33，由于厚度方向應(yīng)力S22較小，所以不對其進行分析。

圖5給出了沿路徑P1的殘余應(yīng)力分布曲線，可以看出，焊后橫向應(yīng)力S11沿焊縫方向呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，應(yīng)力峰值為84MPa；縱向應(yīng)力S33沿焊縫方向呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在4mm處達到應(yīng)力峰值為101MPa。由此可見，焊縫不同位置的殘余應(yīng)力具有高度的不均勻性，且應(yīng)力水平較高，這是由于焊接局部加熱，熱源部位溫度較高，沿著焊縫方向產(chǎn)生了不均勻的溫度分布，進而產(chǎn)生了較大的殘余應(yīng)力。進行熱處理后，橫向應(yīng)力S11和縱向應(yīng)力S33均得到了不同程度的降低，橫向應(yīng)力S11峰值處由拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力(-40MPa)，降低了157%，縱向應(yīng)力S33峰值處由拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力(-18MPa)，降低了117.8%。熱處理后焊縫處橫向應(yīng)力S11和縱向應(yīng)力S33均變?yōu)闅堄鄩簯?yīng)力，可有效控制裂紋的擴展[9]。

圖5 沿路徑P1殘余應(yīng)力分布曲線

圖6給出了沿路徑P2的殘余應(yīng)力分布曲線，可以看出，焊后橫向應(yīng)力S11保持壓應(yīng)力狀態(tài)；縱向應(yīng)力S33由拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，且呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，在焊縫根部處具有最大值為105MPa，在內(nèi)壓作用下，會進一步加劇應(yīng)力集中，導(dǎo)致半管夾套容易從焊縫根部開裂，與實際開裂位置相吻合，應(yīng)引起足夠的重視。經(jīng)過熱處理后，橫向應(yīng)力S11沿路徑降低程度基本一致，在靠近焊縫根部處縱向應(yīng)力S33降低明顯，應(yīng)力峰值降低至47MPa，降低了55.2%，在靠近焊趾部位處壓縮應(yīng)力峰值由-129MPa降低至-50MPa，降低了61.2%。

圖6 沿路徑P2殘余應(yīng)力分布曲線

圖7 不同部位應(yīng)力隨時間的變化曲線

圖7分別給出了焊縫中心A點、焊縫根部B點、筒體C點進行熱處理時Mises等效應(yīng)力隨時間變化的曲線。首先，可以看出，在進行熱處理前，焊縫根部殘余應(yīng)力水平最高(163MPa)，從而進一步說明焊縫根部成為應(yīng)力腐蝕開裂的薄弱環(huán)節(jié)。進行熱處理后，焊縫根部殘余應(yīng)力逐漸降到44MPa，降低了73%，由此可見該熱處理工藝可有效地抑制半管夾套焊縫根部的殘余應(yīng)力，從而降低應(yīng)力腐蝕開裂的敏感性。焊縫中心處殘余應(yīng)力由77MPa降為42MPa，降低了46%；筒體處殘余應(yīng)力由129MPa降為43MPa，降低了67%。半管夾套經(jīng)過熱處理后，焊縫、焊縫根部和筒體處殘余應(yīng)力均得到了降低，并且趨于均勻，對抑制開裂泄漏起重要作用。另外，在17000s時應(yīng)力陡降，是因為此時進入了蠕變應(yīng)變的溫度區(qū)間(450～615℃)，可見熱處理時蠕變因素影響效果顯著，不可忽略。熱處理后期殘余應(yīng)力有所升高，是因為降溫又導(dǎo)致了部分熱應(yīng)力的產(chǎn)生，這和文獻[9]結(jié)論一致。

3 結(jié)論

(1)焊縫加熱溫度足以使得焊縫根部溫度超過不銹鋼304熔點，可以保證完全焊透，夾套和筒體接觸界面完全熔化連接，成型較好。

(2)焊縫根部殘余應(yīng)力水平最高，成為應(yīng)力腐蝕開裂的薄弱環(huán)節(jié)，與實際的開裂位置相吻合，應(yīng)引起足夠的重視。

(3)經(jīng)過熱處理后，焊縫位置橫向應(yīng)力S11和縱向應(yīng)力S33均得到了很大程度的降低，由原來的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，可有效抑制裂紋的擴展。焊縫、焊縫根部和筒體處Mises等效應(yīng)力降低且趨向于均勻，焊縫根部處Mises等效應(yīng)力降低程度最大，達到了73%。

(4)熱處理時蠕變因素影響效果顯著，不可忽略，熱處理后期殘余應(yīng)力有所升高，是因為降溫時又導(dǎo)致了部分熱應(yīng)力的產(chǎn)生。

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(本文文獻格式：張學(xué)恒，常浩.半管夾套焊接及焊后熱處理的殘余應(yīng)力分析[J].山東化工，2017，46(20)：99-101.)

NumericalStudyofResidualStressforHalf-pipeJacketafterWeldandHeatTreatment

ZhangXueheng，ChangHao

(Sinopec Qingdao oil refining amp; Chemical Co., Ltd. ,Qingdao 266500,China)

Half-pipe jacket is a widely used heating and cooling equipment. Residual stresses are generated inevitably during welding, which has a great effect on crack and leakage. Using finite element software ABAQUS, this paper programed moving heat source subroutine and took the method of sequential coupling, and calculated the temperature field and the weld residual stress. Heat treatment was simulated considering the impact of creep behavior. The results show that the residual stresses in weld root after welding are very large and the weld root becomes a weak area, which could lead to the stress corrosion cracking. We should pay attention to this. After heat treatment, the residual stress level is greatly reduced and becomes uniform in weld section. The residual stresses reduce 73% in weld root. During post-heat treatment the residual stresses become a certain degree of recovery.

half-pipe jacket; residual stress; heat treatment; numerical study

2017-08-18

張學(xué)恒，工程師，2005年畢業(yè)于南京工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)，現(xiàn)從事煉廠乙苯、苯乙烯、S Zorb裝置設(shè)備管理。

TQ053.2

A

1008-021X(2017)20-0099-03