管接頭局部焊后熱處理的加熱帶布置方案優(yōu)化分析

(大連交通大學(xué) 機(jī)車車輛工程學(xué)院，遼寧大連 116028)

0 引言

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求[1-2]，對(duì)于一些工程結(jié)構(gòu)，在建造時(shí)需要進(jìn)行焊后熱處理來降低接頭殘余應(yīng)力，改善焊接接頭組織和性能。對(duì)于尺寸較小的結(jié)構(gòu)或部件，可以整體置于爐中均勻加熱，結(jié)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)顯著的熱應(yīng)力[3]；但對(duì)于大型壓力容器或現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)焊結(jié)構(gòu)，則需要進(jìn)行局部焊后熱處理，即只在接頭附近加熱。局部焊后熱處理的不均勻加熱過程會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，甚至有時(shí)會(huì)因熱應(yīng)力超過材料屈服強(qiáng)度而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生永久變形和損傷[4-6]。因此，控制局部焊后熱處理時(shí)的熱應(yīng)力具有重要的工程意義。

常見規(guī)范(如AWS D10.10)中一般認(rèn)為熱應(yīng)力由局部溫度梯度引起，常通過規(guī)定焊縫附近溫度梯度的方式來控制熱處理時(shí)的熱應(yīng)力。有關(guān)文獻(xiàn)也重點(diǎn)研究了熱處理期間的溫度場(chǎng)問題[7-8]；而為了控制溫度梯度，則往往需要使用足夠大的加熱區(qū)域[9-10]。這種方式，其一，會(huì)造成能源的浪費(fèi)；其二，各個(gè)規(guī)范的要求不盡相同，也為熱處理的具體實(shí)施帶來一定困難[11]；其三，對(duì)于一些幾何復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，還會(huì)因?yàn)殡y以找到合適的加熱帶布置方案而放棄熱處理環(huán)節(jié)[12]。

本文通過分析管接頭局部加熱時(shí)軸向熱應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)理和分布特點(diǎn)，提出利用第二加熱帶的反彎矩緩解熱應(yīng)力的方法，通過對(duì)幾種典型管接頭加熱帶布置方案的優(yōu)化結(jié)果，以證明這一方法的有效性以及加熱區(qū)域小、節(jié)約資源的優(yōu)點(diǎn)。

1 局部焊后熱處理的熱應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理

1.1 管接頭局部加熱的熱應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理分析

圖1示出環(huán)焊縫鋼管接頭的幾何形狀，假設(shè)局部焊后熱處理時(shí)，在焊縫位置環(huán)向加熱的加熱帶半寬為HB。結(jié)構(gòu)材料為1.25Cr-0.5Mo鋼，其力學(xué)性能見表1。

(a)管接頭

(b)管接頭幾何尺寸

項(xiàng)目彈性模量/GPa泊松比屈服強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa伸長(zhǎng)率(%)數(shù)值212.70.2931060518

利用順序熱機(jī)耦合方法進(jìn)行有限元計(jì)算。首先建立軸對(duì)稱平面有限元模型，在HB=200 mm范圍施加熱流邊界條件，進(jìn)行熱傳導(dǎo)分析；然后利用獲得的溫度場(chǎng)進(jìn)行應(yīng)力分析，得到的熱應(yīng)力結(jié)果如圖2所示。其中，本文所有模型使用相同材料，熱處理時(shí)焊縫位置的最高溫度均設(shè)定為600 ℃。

(a)軸向熱應(yīng)力與結(jié)構(gòu)變形

(b)截面熱應(yīng)力分布

(c)外表面熱應(yīng)力分布

根據(jù)圖2可以得到以下規(guī)律。

(1)加熱帶及其附近材料(溫度最高的部分)受熱徑向向外膨脹，而溫度較低區(qū)域的材料則阻礙其膨脹，焊縫附近會(huì)受到較大的彎曲作用。圖2(a),(b)中均顯示軸向應(yīng)力在外表面為拉，內(nèi)表面為壓，表明截面1存在圖示逆時(shí)針方向的彎矩M。然而，距焊縫中心450 mm的截面2的軸向應(yīng)力卻顯示為相反的分布特征(外表面為壓，內(nèi)表面為拉)，說明截面2存在反方向的彎矩。另外，圖2(a),(c)均顯示，軸向應(yīng)力在焊縫位置最大。

(2)焊縫附近材料的環(huán)向膨脹也會(huì)受到抑制，因此，截面1附近材料的總體環(huán)向應(yīng)力應(yīng)當(dāng)為負(fù)，這符合圖2(b)中截面1的平均環(huán)向應(yīng)力為負(fù)的特點(diǎn)。當(dāng)然也應(yīng)當(dāng)看到，由于同樣存在彎曲效應(yīng)，環(huán)向應(yīng)力在截面1上并非均勻分布，其中內(nèi)表面的壓應(yīng)力值最大，其值約為同一位置軸向應(yīng)力的60%。

(3)由圖2(c)可以看出，對(duì)于最關(guān)心的焊縫附近，軸向應(yīng)力對(duì)Mises應(yīng)力值有決定性的貢獻(xiàn)。因此，為了緩解外表面熱應(yīng)力，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)降低軸向應(yīng)力。在內(nèi)表面，截面1的軸向應(yīng)力也大于環(huán)向應(yīng)力，同樣應(yīng)重點(diǎn)降低軸向應(yīng)力。

既然降低軸向應(yīng)力是重點(diǎn)，那么首先需要了解管接頭中軸向熱應(yīng)力產(chǎn)生的機(jī)理。為了研究這一問題，這里另外構(gòu)造2個(gè)模型進(jìn)行對(duì)比分析。第一個(gè)新模型是對(duì)圖1管接頭HB=150 mm范圍施加600 ℃的恒溫邊界條件進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析，即人為生成局部的均勻溫度場(chǎng)；另一新模型為平板對(duì)接焊縫，其中焊縫長(zhǎng)度(即板寬)為1 m，另一方向尺寸同圖1的管接頭長(zhǎng)度，為2.6 m。另外，板接頭的板厚、加熱帶寬度和熱流條件也與管接頭相同，并且計(jì)算時(shí)使用相同的網(wǎng)格，但選用平面應(yīng)變單元。3種模型的外表面溫度和應(yīng)力分布如圖3所示。需要注意的是，相對(duì)于焊縫而言，管的軸向應(yīng)力就是垂直于焊縫的橫向應(yīng)力。因此，為了方便，圖3(b)中3種模型統(tǒng)一標(biāo)示為橫向應(yīng)力。

(a)溫度分布 (b)熱應(yīng)力分布

圖3 3種模型的表面溫度及熱應(yīng)力對(duì)比

由圖3(a)可以看出，同樣熱流條件下，平板接頭的溫度分布與管接頭基本一致。而圖3(b)卻顯示平板接頭的橫向熱應(yīng)力基本為0，這與管接頭有顯著差別，說明雖然溫度梯度是熱應(yīng)力產(chǎn)生的必要條件，而結(jié)構(gòu)中材料受到的約束效應(yīng)也是熱應(yīng)力產(chǎn)生的主要原因。另外，恒溫邊界條件管模型的結(jié)果進(jìn)一步證明了這一點(diǎn)。由于材料的約束狀態(tài)相同，雖然加熱帶局部區(qū)域的溫度為常數(shù)(即溫度梯度為0)，而接頭的熱應(yīng)力并沒有顯著降低。這表明材料受到的約束效應(yīng)主導(dǎo)了軸向熱應(yīng)力的產(chǎn)生。因此，只從控制溫度梯度的角度來緩解熱應(yīng)力并不是最優(yōu)的選擇，而且這往往需要過大的加熱區(qū)域。

1.2 接頭中的最大反彎矩位置

圖4 不同管接頭結(jié)構(gòu)的軸向熱應(yīng)力分布

2 管接頭的加熱帶優(yōu)化實(shí)例

2.1 環(huán)向加熱帶的布置方案優(yōu)化

由上述分析可知，在對(duì)管進(jìn)行局部加熱時(shí)，管壁上會(huì)出現(xiàn)正彎矩區(qū)和反彎矩區(qū)。根據(jù)這一特點(diǎn)，可以設(shè)定在進(jìn)行焊后熱處理時(shí)，設(shè)置兩類加熱帶，分別為基本加熱帶和第二加熱帶。其中，基本加熱帶位于焊縫位置，目的是使加熱焊縫區(qū)域達(dá)到熱處理標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的溫度。既然目的僅僅是加熱，那么基本加熱帶可以考慮使用較小的寬度。同時(shí)，使焊縫位于第二加熱帶的最大反彎矩區(qū)，這樣就可以盡可能多地抵消基本加熱帶在焊縫截面產(chǎn)生的正彎矩，從而達(dá)到降低焊縫位置軸向應(yīng)力和Mises應(yīng)力的目的。其中，第二加熱帶可以設(shè)置低于焊縫的溫度值。

以圖1管接頭為例，在總加熱帶寬度不變的前提下，設(shè)置加熱帶優(yōu)化方案，加熱帶布置如圖5所示，2個(gè)加熱帶的寬度HB1和HB2均為100 mm，距離為d。其中,基本加熱帶的最高溫度仍然設(shè)定為600 ℃，第二加熱帶的溫度設(shè)定為450 ℃左右。不同加熱帶優(yōu)化方案的計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖5 管接頭的加熱帶布置示意

(a)不同加熱帶方案的溫度分布

(b)不同加熱帶方案的Mises應(yīng)力分布

由圖6(b)可以看出，與圖2中原方案的應(yīng)力結(jié)果相比，3種優(yōu)化方案的Mises熱應(yīng)力分別降低了12%，25%，23%。其中，d=200 mm和d=300 mm時(shí)的效果最好，原因在于焊縫接近于加熱帶HB2的最大反彎矩位置。這樣就在加熱帶的總寬度沒有增加的條件下，達(dá)到了顯著降低熱應(yīng)力的目的。這一結(jié)果證明了前文作出的緩解熱應(yīng)力的關(guān)鍵在于降低軸向應(yīng)力的推斷。同時(shí)需要注意的是，熱應(yīng)力的緩解效果還與第二加熱帶的溫度密切相關(guān)，提高溫度會(huì)達(dá)到更顯著的效果。

2.2 加熱帶與幾何不連續(xù)位置的合理距離

利用第二加熱帶的反彎矩緩解焊縫位置熱應(yīng)力的同時(shí)，還需注意環(huán)向加熱帶的熱應(yīng)力分布是對(duì)稱的，如果結(jié)構(gòu)中的幾何不連續(xù)位置位于另一側(cè)的最大反彎矩區(qū)，同樣會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中。圖7(a)中管結(jié)構(gòu)的噴嘴通過環(huán)焊縫與其他管結(jié)構(gòu)相連，需要對(duì)環(huán)焊縫進(jìn)行熱處理。圖7(b)示出加熱帶邊緣與兩管連接處距離Ln=50 mm時(shí)的Mises應(yīng)力結(jié)果?？梢钥闯觯瑑晒苤g的接頭焊縫處產(chǎn)生了嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，達(dá)到了材料屈服強(qiáng)度的量級(jí)。

(a)管接頭結(jié)構(gòu)尺寸

(b)熱應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖8 不同間距時(shí)的焊縫熱應(yīng)力對(duì)比

2.3 噴嘴接頭的熱應(yīng)力緩解方法

相比于環(huán)焊縫，位于幾何不連續(xù)位置的噴嘴接頭在熱處理時(shí)更易于產(chǎn)生很高的熱應(yīng)力。對(duì)于圖9(a)中的噴嘴接頭，如果加熱范圍只包括圖中所示的噴嘴和容器上的環(huán)向加熱帶(加熱方案1)，則最大應(yīng)力會(huì)遠(yuǎn)超材料屈服強(qiáng)度(見圖9(b))。

這種情況仍然可以利用第二加熱帶解決。與之前的環(huán)焊縫不同的是，鞍點(diǎn)的熱應(yīng)力需要反彎矩產(chǎn)生環(huán)向應(yīng)力，這需要布置縱向的加熱帶(見圖10(a))。但是，圓管材料在軸向和環(huán)向所受到的約束狀態(tài)不同，因此還需研究縱向加熱帶在環(huán)向產(chǎn)生的熱應(yīng)力分布特征。根據(jù)圖10(a)中包含軸向加熱帶的模型，得到沿環(huán)向(路徑A)的環(huán)向熱應(yīng)力分布如圖10(b)所示。為了對(duì)比，圖中也給出了第1.1節(jié)中環(huán)向加熱帶產(chǎn)生的軸向熱應(yīng)力分布結(jié)果。

(a)噴嘴接頭幾何結(jié)構(gòu)

(b)沿焊縫方向的熱應(yīng)力分布

(a)縱向加熱帶

(b)熱應(yīng)力分布對(duì)比

圖11 加熱方案2示意

由圖9(b)可以看出，相比于加熱方案1，加熱方案2的應(yīng)力明顯降低，尤其鞍點(diǎn)的最大熱應(yīng)力降低了約43%，有顯著效果。需要指出的是，與文獻(xiàn)[14]中提出的加熱方案相比，這里的第二加熱帶面積進(jìn)一步減少約1/4；另外，第二加熱帶的最高溫度、寬度等也可以作為優(yōu)化參數(shù)，以得到更理想的結(jié)果。

3 結(jié)語

本文根據(jù)直管局部環(huán)向加熱時(shí)的熱應(yīng)力分布規(guī)律，證明了降低軸向應(yīng)力(即焊縫的橫向應(yīng)力)是緩解熱應(yīng)力的關(guān)鍵因素，發(fā)現(xiàn)了加熱帶之外存在的最大反彎矩點(diǎn)，并提出了利用第二加熱帶的反彎矩緩解焊縫區(qū)熱應(yīng)力的方法，最后，通過幾種典型管接頭的熱應(yīng)力緩解實(shí)例，驗(yàn)證了方法的有效性。

根據(jù)本文分析，第二加熱帶的位置是緩解熱應(yīng)力的關(guān)鍵參數(shù)。結(jié)合計(jì)算結(jié)果，可以得出以下規(guī)律：

另外需要指出的是，本文只關(guān)注了如何合理布置加熱帶可以有效降低熱應(yīng)力的問題，并沒有考慮焊接接頭中的殘余應(yīng)力分布。針對(duì)一個(gè)實(shí)際接頭，計(jì)算時(shí)將殘余應(yīng)力場(chǎng)作為初始狀態(tài)，本文的結(jié)論仍然適用。