蒸汽發(fā)生器管子管板內(nèi)角環(huán)焊殘余應力數(shù)值模擬研究

□ 馬小明 □ 賈明輝

華南理工大學 機械與汽車工程學院 廣州 510640

1 研究背景

筆者對某項目蒸汽發(fā)生器管子管板內(nèi)角環(huán)焊殘余應力進行數(shù)值模擬研究,建立三維有限元模型,運用生死單元法實現(xiàn)帶狀溫度熱源的逐步加載和計算,獲得管子管板內(nèi)角環(huán)焊接頭處殘余應力的分布規(guī)律，同時分析相鄰管子先后焊接對焊縫區(qū)殘余應力的影響。在不同的熱處理溫度下進行管子管板的焊后熱處理,獲得不同熱處理溫度下焊接接頭處殘余應力的變化情況,從而選擇合適的焊后熱處理溫度。

2 幾何結(jié)構(gòu)和材料

管子管板整體結(jié)構(gòu)由堆焊層、管板、內(nèi)角環(huán)焊焊縫、換熱管四部分組成，尺寸如圖1所示。其中，管板材料為16MND5鋼板,堆焊層和管子材料為Inconel690鎳基合金,堆焊層厚度為5 mm,管板厚度為35 mm,管子尺寸為φ19.1 mm×1.1 mm,兩個管子的中心距為34.3 mm,管板尺寸為83.6 mm×49.3 mm×35 mm。

▲圖1 管子管板整體結(jié)構(gòu)尺寸

3 有限元模型

在ANSYS軟件中,使用生死單元法模擬焊接,首先建立包含填充焊縫材料的完整三維模型,然后將焊縫單元定義為死單元狀態(tài),最后通過熱源移動逐一激活焊縫各個部分進行焊接模擬。核電蒸汽發(fā)生器管板上管子數(shù)量較多,管子與管子間距較小,考慮到管子管板焊接時可能會對相鄰管子的焊接區(qū)域產(chǎn)生影響,筆者采用含有兩根管子的管板作為模擬研究對象,模擬件三維圖如圖2所示。

三維模型建立完成后,應用ANSYS軟件中的網(wǎng)格劃分功能對模型進行網(wǎng)格劃分,單元類型為Soild70,焊縫區(qū)域的單元比遠離焊縫區(qū)域的單元密集。有限元模型網(wǎng)格劃分后包含39 726個節(jié)點和34 130個單元,如圖3所示。

▲圖2 模擬件三維圖▲圖3 有限元模型網(wǎng)格劃分

4 材料屬性

焊接是一種非線性高溫瞬態(tài)過程,焊接過程中材料的物理性能參數(shù)隨溫度而變化。筆者先進行焊接溫度場模擬,然后進行結(jié)構(gòu)應力場模擬,相關(guān)聯(lián)的物理性能參數(shù)有彈性模量、比熱容、熱導率、線膨脹系數(shù)、密度等。模擬件各組成部分材料的物理性能參數(shù)可由文獻[7-8]獲得,材料部分物理性能參數(shù)隨溫度變化曲線如圖4所示。

5 熱源模型

由于高斯熱源和雙橢球熱源模型需要確定較多的工藝參數(shù),因此在計算過程中需要反復嘗試和計算工藝參數(shù)。為了節(jié)省模擬時間,筆者采用條形移動溫度熱源計算模擬件的焊接溫度場[9]，即將焊縫區(qū)域劃分為若干段,對每段焊縫區(qū)域的單元加載至1 400 ℃熔融溫度，并保持一段時間,時間由焊縫長度和焊接速度共同決定。當條形溫度熱源將某段焊接區(qū)域單元加載至熔融溫度一段時間后,使用ANSYS參數(shù)化設(shè)計語言*DO循環(huán)語句將條形溫度熱源移動到下一個焊縫區(qū)域進行加載。熱源加載如圖5所示。條形溫度熱源使整個焊接區(qū)的單元經(jīng)歷與實際焊接過程相同的熱循環(huán),因此計算結(jié)果誤差較小。

▲圖4 材料物理性能參數(shù)隨溫度變化曲線

6 邊界條件

溫度場模擬計算時,忽略輻射散熱,只考慮對流換熱邊界條件，對模擬件暴露在空氣中的節(jié)點均施加對流換熱邊界條件。采用空氣自然對流,對流換熱系數(shù)為20 W/(m2·℃),環(huán)境溫度為25 ℃。殘余應力場模擬時,對管板外表面及管的底部添加X、Y、Z方向位移約束,防止熱源加載時模型發(fā)生旋轉(zhuǎn)或剛性運動。

▲圖5 熱源加載

7 計算過程

應用順序耦合法進行模擬計算。首先通過帶狀溫度熱源對焊縫區(qū)域單元逐步加載,得到模擬件的溫度場結(jié)果。然后應用ETCHG,TTS命令將溫度場模型轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)計算模型,對結(jié)構(gòu)計算模型施加所得到的溫度場結(jié)果,通過穩(wěn)態(tài)分析得到模擬件的殘余應力場結(jié)果。焊接完成后,模擬件自然冷卻3 500 s,此時模擬件的溫度接近于環(huán)境溫度。

在焊后熱處理的數(shù)值模擬中,加熱整個管板,加熱時間為1 000 s,空氣冷卻至室溫。研究表明，管子管板焊縫區(qū)域的最適宜熱處理溫度為607 ℃±13 ℃[10]。以此為參考,依次取100 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃、600 ℃熱處理溫度進行模擬計算。

8 結(jié)果分析

將兩個管子分別記為1號管與2號管,先焊1號管,后焊2號管。通過ANSYS軟件中路徑操作命令PATH和PPATH定義路徑P1,A點位于管板中心,AB段位于堆焊層上表面,BC段位于焊縫上表面,B點和C點為上下焊趾點,CD段位于管子內(nèi)表面。然后通過PDEF命令將殘余應力數(shù)值模擬結(jié)果映射到路徑P1上,分析2號管焊后熱處理前后殘余應力沿P1路徑的分布規(guī)律及2號管焊接前后對P1路徑殘余應力的影響。X、Y、Z方向依次對應管子管板的徑向、環(huán)向和軸向,應力分析路徑如圖6所示。

8.1 焊接殘余應力

P1路徑殘余應力分布如圖7所示。2號管內(nèi)角環(huán)焊完成后,沿P1路徑,徑向和環(huán)向殘余應力在焊縫熔合區(qū)域出現(xiàn)99 MPa和84 MPa的拉應力最大值。隨著遠離焊縫區(qū)域，殘余應力變?yōu)閴簯?最后趨于零。在堆焊層上表面，軸向殘余應力趨于零。由于AB段上的節(jié)點在管板表面對軸向方向應力影響很小,因此沿管板厚度方向的殘余應力趨于零。在管子內(nèi)表面,軸向殘余應力在距下焊趾5.3 mm處存在28.6 MPa的拉應力最大值,之后變?yōu)閴簯?，最后趨于零。模擬計算結(jié)果與文獻[3,11]中的測試結(jié)果一致。

▲圖6 應力分析路徑▲圖7 P1路徑殘余應力分布

8.2 相鄰管子焊接殘余應力

為了研究相鄰管子內(nèi)角環(huán)焊對殘余應力的影響規(guī)律,對2號管焊接前后對P1路徑殘余應力變化的影響規(guī)律進行分析。2號管焊接前后P1路徑殘余應力對比如圖8所示。2號管焊接后P1路徑的徑向、環(huán)向、軸向殘余應力比焊接前有所減小,因為2號管焊接時的溫度場對P1路徑有影響,相當于P1路徑區(qū)域在2號管焊接后受到了一次熱處理,所以使殘余應力減小。

8.3 焊后熱處理后殘余應力

鑒于熱處理工藝能減小焊接殘余應力,2號管焊接完成后對整個模型進行焊后熱處理,研究100 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃、600 ℃六種不同熱處理溫度對P1路徑等效殘余應力的影響。

不同熱處理溫度下P1路徑等效殘余應力分布如圖9所示。在熱處理之后,P1路徑上等效殘余應力的變化趨勢基本上與熱處理前相同,焊接區(qū)域附近的殘余應力都顯著減小,不同位置的殘余應力減小幅度不一。熱處理前P1路徑最大等效殘余應力為114.4 MPa,不同熱處理溫度下最大等效殘余應力見表1。由表1可知,經(jīng)過600 ℃焊后熱處理，焊接區(qū)域的等效殘余應力減小幅度最大,最大降幅為58.4 MPa。

▲圖8 2號管焊接前后P1路徑殘余應力對比

因此,可選用600 ℃熱處理溫度對管子管板進行焊后熱處理,這樣能夠有效降低焊縫區(qū)域附近的殘余應力水平,降低管板焊接區(qū)域應力腐蝕的風險。

▲圖9 不同熱處理溫度下P1路徑等效殘余應力分布

表1 不同熱處理溫度下最大等效殘余應力

9 結(jié)束語

筆者對蒸汽發(fā)生器管子管板內(nèi)角環(huán)焊殘余應力進行數(shù)值模擬研究，管子管板焊縫熔合區(qū)域存在最大徑向和環(huán)向殘余應力,管子內(nèi)表面焊趾附近區(qū)域存在最大軸向殘余應力。相鄰管子先后進行焊接時,在后焊管子溫度場的作用下，先焊管子焊縫區(qū)域的殘余應力會減小,相當于先焊管子焊縫區(qū)域進行了一次熱處理。焊后熱處理后,焊縫附近的等效殘余應力明顯減小,不同位置的等效殘余應力減小幅度不同。焊后熱處理溫度為600 ℃時,焊縫區(qū)域的等效殘余應力減小最為顯著。