Cr25Ni35N b合金爐管焊接殘余應(yīng)力模擬分析

張 巍

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院江陰分院 江陰 214174）

乙烯是石油化工行業(yè)最基本的原料之一，其主要通過乙烯裂解爐獲得。裂解爐的特點(diǎn)是在較短的停留時(shí)間內(nèi)使裂解原料升高到很高的溫度，從而提高其裂解深度。這就要求裂解爐管必須具有良好的高溫強(qiáng)度和韌性、抗高溫滲碳性、抗高溫蠕變性能、抗高溫氧化性能以及良好的焊接性能[1]。

Cr25Ni35Nb合金具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、抗蠕變性能和抗?jié)B碳性能，因此常用來作為制造乙烯裂解爐管的主要材料之一。實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，焊接接頭部位經(jīng)常出現(xiàn)裂紋。近年來，針對(duì)裂解爐投入生產(chǎn)不久便發(fā)生爐管開裂的情況，許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究[2-9]。研究方法主要是取樣分析爐管開裂后的宏觀裂紋形貌和微觀金相組織，結(jié)論主要是由于裂解爐管的工作環(huán)境如高溫、疲勞、滲碳、氧化、腐蝕等。但焊接殘余應(yīng)力也是導(dǎo)致爐管出現(xiàn)裂紋的主要影響因素之一，因此對(duì)爐管材質(zhì)進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力的模擬，對(duì)降低焊接殘余應(yīng)力和提高爐管焊接質(zhì)量，保證裂解爐長(zhǎng)周期正常運(yùn)行具有十分重要的意義。

1 有限元模型的建立

1.1 幾何模型和劃分網(wǎng)格

本模擬采用平面二維模型，根據(jù)實(shí)際裂解爐管尺寸φ63×6.4mm選取模型，尺寸為100mm×6.4mm，焊縫采用60°V型坡口，繪出幾何模型如圖1所示，有限元模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。焊接模擬中所采用的溫度場(chǎng)的單元類型為4節(jié)點(diǎn)實(shí)體二維連續(xù)擴(kuò)散單元（DC2D4），焊接應(yīng)力場(chǎng)的單元為二維4節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元（CPE4）。為便于研究，應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)采用的節(jié)點(diǎn)和單元數(shù)一致。

圖1 HP40Nb焊接幾何模型

圖2 有限元模型網(wǎng)格劃分

1.2 有限元分析

利用有限元軟件ABAQUS建立分析模型，采用單元生死技術(shù)，進(jìn)行了焊接殘余應(yīng)力的分析?；陂_發(fā)的順次耦合的熱應(yīng)力計(jì)算程序，首先進(jìn)行溫度場(chǎng)的模擬，然后將各個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果輸出到結(jié)果文件作為應(yīng)力場(chǎng)的預(yù)定義場(chǎng)，在熱應(yīng)力分析中從預(yù)定義場(chǎng)中讀取各個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度進(jìn)行插值計(jì)算，得到了焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)的分布。

1.3 材料參數(shù)

在本文中，為便于研究，設(shè)定焊條的材質(zhì)與母材相同。由于焊接過程溫度變化劇烈，因此假定材料在高溫狀態(tài)下的物理性能維持不變，材料參數(shù)見圖3。圖中k是導(dǎo)熱率[10W/（m·℃）]，α是熱膨脹系數(shù)（10-5/℃），μ是Poisson比，Rm為抗拉強(qiáng)度（100MPa），Rel是屈服強(qiáng)度（100MPa），E是彈性模量（100GPa），Cp為比熱，×102J/(℃ ·kg)。對(duì)于 Cr25Ni35Nb鋼，密度ρ為 7930kg/m3。

圖3 Cr25Ni35Nb材料參數(shù)

1.4 邊界條件與初始條件

在模擬分析過程中，邊界條件為對(duì)流傳熱和輻射傳熱，對(duì)流系數(shù)為10W/(m2·℃)，輻射發(fā)射率為0.85。溫度場(chǎng)分析過程中，選取初始溫度為常溫（20℃）。應(yīng)力場(chǎng)分析過程中，模型的左側(cè)1、2方向上平面移動(dòng)設(shè)定值為0，右側(cè)約束1方向的位移，防止模型產(chǎn)生剛性移動(dòng)。

1.5 焊接工藝參數(shù)

模擬分析中，焊接方式為手工鎢極氬弧焊，焊接工藝見表1。焊縫分為三層，見圖1。模擬中采用內(nèi)生熱源來模擬焊接加熱，將各個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果文件作為應(yīng)力分析的預(yù)定義場(chǎng)。內(nèi)熱效率等于電弧有效功率除以所作用單元的體積，熱流密度計(jì)算見式（1）：

式中：

η——電弧熱效率，取為0.7；

U——電壓；

I——電流；

V——焊縫體積。

表1 焊接工藝參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 焊接應(yīng)力場(chǎng)

為討論方便，定義沿x軸方向的應(yīng)力為橫向應(yīng)力S11，y軸方向的應(yīng)力為縱向應(yīng)力S22。由于焊材焊縫厚度較小，僅為6.4mm，因此沿厚度方向的應(yīng)力不做分析。為便于分析，選取三條路徑如圖1所示。路徑1為沿焊縫表面，路徑2位于熱影響區(qū)，路徑3為位于焊縫中心區(qū)域。

圖4所示為HP40Nb材料橫向焊接殘余應(yīng)力分布云圖。由圖4可知，焊縫表面區(qū)域應(yīng)力為拉應(yīng)力，焊縫根部區(qū)域?yàn)閴簯?yīng)力。最大焊接殘余應(yīng)力值位于焊接接頭熱影響區(qū)表面，達(dá)到140.2MPa。圖5所示為沿路徑1、路徑2及路徑3的殘余應(yīng)力分布曲線。由圖5可知，沿焊縫上表面路徑1的殘余應(yīng)力均為拉應(yīng)力，最大值出現(xiàn)在焊縫熱影響區(qū)，焊縫區(qū)及母材區(qū)殘余應(yīng)力值較??；由沿路徑2、路徑3殘余應(yīng)力圖可以看出，在焊件中部，橫向應(yīng)力從焊縫根部到焊縫表面應(yīng)力由拉應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力再轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，最大拉應(yīng)力值出現(xiàn)在路徑2焊縫上表面，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在路徑3焊縫中心線偏下位置。

圖4 橫向殘余應(yīng)力分布云圖

圖5 不同路徑上的橫向殘余應(yīng)力分布

2.2 線能量對(duì)殘余應(yīng)力的影響

研究線能量輸入對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響時(shí)，考慮到焊接工藝參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的相互影響，所以在其他因素條件不變的情況下，只改變線能量輸入的大小，分析對(duì)殘余應(yīng)力的影響。分別建立線能量值為2.1×e10J、2.25×e10J、2.4×e10J和 2.8×e10J四 個(gè) 情 況 下，HP40Nb焊接殘余應(yīng)力有限元模型，得到橫向殘余應(yīng)力分布云圖，如圖6所示。

圖6 不同線能量輸入的橫向應(yīng)力分布云圖

圖7 為橫向殘余應(yīng)力沿路徑1、路徑2、路徑3的分布曲線。由圖7可知，隨著線能量輸入的變化，最大殘余拉應(yīng)力值變化較小，維持在140MPa左右。而由沿路徑1的應(yīng)力分布曲線可以看出，隨著線能量輸入的增加，在母材區(qū)域殘余應(yīng)力值增大，這是由于線能量輸入的增加會(huì)直接導(dǎo)致溫度場(chǎng)中最高溫度的升高，溫度梯度增大，從而使得焊后的焊接殘余應(yīng)力值增大。

圖7 不同線能量下的橫向應(yīng)力沿路徑分布

2.3 層間溫度對(duì)殘余應(yīng)力的影響

在研究層間溫度對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響時(shí)，考慮參數(shù)之間對(duì)焊接殘余應(yīng)力的相互影響，在其他參數(shù)不變的情況下，只改變焊接的層間溫度，分析其對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響。分別建立層間溫度為28℃、50℃、130℃和173℃的HP40Nb焊接殘余應(yīng)力有限元模型并進(jìn)行分析。圖8所示為各層間溫度對(duì)應(yīng)的焊接殘余應(yīng)力分布云圖。

圖8 不同層間溫度的殘余應(yīng)力分布云圖

由圖8可知，隨著焊接層間溫度的升高，最高殘余應(yīng)力值逐漸減小。當(dāng)層間溫度控制在28℃時(shí)，最大殘余拉應(yīng)力值為140.2MPa；層間溫度為173℃時(shí)，最大殘余拉應(yīng)力值為89MPa；最大殘余壓應(yīng)力值也由70.7MPa減小到54MPa。這是由于隨著層間溫度的升高，相當(dāng)于前一層焊縫對(duì)后一層的焊接起到了預(yù)熱的作用，使得焊接過程中的溫度梯度較小，從而焊接殘余應(yīng)力變小。

由沿路徑的分布曲線圖（如圖9所示）可以看出，不同的層間溫度對(duì)焊縫及熱影響區(qū)的殘余應(yīng)力影響較大，對(duì)母材區(qū)的影響較小。

圖9 不同層間溫度時(shí)的橫向應(yīng)力沿路徑分布

3 結(jié)論

1)焊接殘余應(yīng)力分布規(guī)律：焊件上半部分主要為拉應(yīng)力，下半部分主要為壓應(yīng)力，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在焊縫和熱影響區(qū)，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在焊縫中間偏下部位。母材區(qū)的殘余應(yīng)力值較小。

2)線能量輸入值變化對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響：線能量輸入值增加，最高溫度升高，焊材的溫度梯度加大，焊接殘余應(yīng)力值越大。

3)層間溫度對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響：層間溫度越高，焊接溫度差越小，溫度梯度越小，焊接殘余應(yīng)力越小。

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