數(shù)值模擬在大型分瓣式上冠熱處理中的運用

李 川 肖章玉 劉顯有 王世建 張軍寶

(1.二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618000；2.東方電氣集團東方電機有限公司，四川618000)

隨著水電機組單機容量的不斷增大，其轉輪鑄件的尺寸、質量也在不斷增加，生產難度不斷增大。烏東德水電機組單機發(fā)電功率達到了850 MW，白鶴灘水電站單機發(fā)電功率為世界最大，達到1000 MW，其直徑接近10 m。由于產品尺寸超限，無法直接運輸，故大型上冠采取分瓣式鑄造的方式來進行生產。

轉輪體為水輪機組的心臟，長時間在水下承受高負荷、腐蝕、沖擊，工況惡劣，其質量至關重要，而Cr13Ni4系列不銹鋼有高強度、高延展、耐腐蝕、耐沖擊等優(yōu)點，目前大型水輪機基本選用Cr13Ni4系列不銹鋼進行制造，此次模擬分析的大型水輪機鑄件(上冠、下環(huán)、葉片)的材料牌號為ZG04Cr13Ni4Mo。該材料在國內外的運用非常廣泛(如美國ASTM 743 CA6NM、歐洲GX4CrNi13-4)，其熱處理制度已經非常成熟[1]，困擾實際生產的是由于不同產品的形狀各異，邊界條件不同而導致的熱處理變形。數(shù)值模擬在工程領域具有低成本、快速高效的優(yōu)點，能用于預測工藝難點，驗證工藝可行性，以及原因分析等。Abaqus軟件具有材料屬性、邊界條件非線性以及多力耦合的優(yōu)勢，適合分析采取分瓣式的大型上冠熱處理的變形情況。為此，本文應用Abaqus軟件模擬上冠熱處理變形分析，并通過上冠的熱處理驗證了模擬結果對預防熱處理變形有很好的指導作用。

1 產品情況

此次模擬分析的上冠整體尺寸為?8600 mm×2345 mm，重量為148 t，最大壁厚為460 mm，材料牌號為ZG04Cr13Ni4Mo，組織為低碳馬氏體不銹鋼?；瘜W成分見表1，三維模型如圖1所示，熱處理工藝參數(shù)[2]為1040℃(空冷)+620℃(空冷)+600℃(爐冷)。

表1 ZG04Cr13Ni4Mo化學成分(質量分數(shù)，%)Table 1 Chemical compositions of ZG04Cr13Ni4Mo(mass fraction,%)

2 有限元模型建立

2.1 數(shù)學模型

熱傳遞過程中分為導熱、對流、輻射3個方式。按照三維直角坐標系傅里葉導熱定律和能量守恒定律得導熱微分方程：

(1)

q=hΔt

(2)

(3)

式中，ρ為密度，c為比熱容，λ為導熱系數(shù)，h為對流系數(shù)或者膜系數(shù)，ΔT為產品表面與對流介質溫度差。

材料在不同溫度下的熱膨脹系數(shù)不一致，在加熱或者降溫過程中由于產品內部各區(qū)域存在溫差，產品不均勻的塑性變形使得某些區(qū)域受壓，某些區(qū)域受拉，導致產生應力，發(fā)生變形。ΔL=αLΔT，α為熱膨脹系數(shù)，溫差變化導致ΔL，L為原長。

2.2 網格劃分

因為上冠為對稱圖形，所以切取其1/4作為研究對象，對其進行網格劃分，節(jié)點數(shù)45670，網格數(shù)36636，網格屬性c3D8T(六面體網格)，種子全局設置為50 mm，劃分好的網格如圖2所示。

圖1 上冠三維模型Figure 1 Three-dimensional model of upper crown

圖2 上冠1/4有限元模型Figure 2 1/4 finite element model of upper crown

2.3 熱物參數(shù)

材料隨溫度變化的熱物參數(shù)[3]見表2。

2.4 換熱面

結合實際，上冠內腔與外表面的換熱系數(shù)明顯不一致，外表面換熱系數(shù)大，內腔換熱系數(shù)小，因此對內腔與外表面分別設置不同的冷卻系數(shù)，換熱系數(shù)與溫度相關。利用外接鎧裝熱電偶測得實際件溫，空氣溫度為20℃，再根據(jù)文獻[3]的空冷階段換熱系數(shù)經驗公式

H=2.2(Tw-Tc)0.25+4.6×10-8(Tw2+Tc2)(Tw+Tc)

得到換熱系數(shù)。Tw為工件溫度，Tc為環(huán)境溫度。

3 試生產變形情況

3.1 試生產邊界條件、載荷設置、耦合方法

根據(jù)以往裝爐方式設置邊界條件，切口面對稱面不傳熱，上冠裙邊外沿底固定5處，內法蘭底面固定，載荷設置為全局重力(方向Z向正方向)，采取直接耦合法進行分析。邊界條件設置如圖3所示。

表2 ZG06Cr13Ni4Mo熱物參數(shù)Table 2 Thermal parameters of ZG06Cr13Ni4Mo

圖3 邊界條件、載荷設置Figure 3 Boundary conditions and load setting

圖4 溫度場 Figure 4 Temperature field

3.2 計算結果

按照上述內容進行輸入，采用隱式求解器直接耦合進行分析。

3.2.1 溫度場

由圖4可知該產品在冷卻過程中的心部和表面的溫差比較大。在冷卻前期，表面溫度急劇下降，心部溫度冷速低于表面。冷卻后期由于對流系數(shù)和材料本身的導熱率關系，厚大部位冷卻相當緩慢，熱量不能快速地傳遞到表面，因此該產品的冷卻適用高溫階段快速冷卻，低溫階段可以適當降低熱對流系數(shù)，適當延長冷卻時間，給予心部熱量傳導時間，減少整體的溫度差異。

3.2.2 應力場

由圖5可以知道在冷卻過程中應力場總體不大，過流面應力均值在35 MPa，應力最大的位置在上冠裙邊支撐位置(裝爐支墊位置)，應力為95 MPa，應力最小區(qū)域在內法蘭區(qū)域。

3.2.3 變形情況

根據(jù)圖6的3個軸向位移場可以得知，X方向、Y方向上幾乎沒有變形，變形方向主要集中在Z方向?？芍冃蔚奈恢弥饕沁^流面，在過流面發(fā)生了不同程度的下沉，靠近上冠裙邊(出水邊)的位置下沉尤為嚴重，該處的下沉尺寸達到9 mm。

圖5 應力分布圖Figure 5 Stress distribution diagram

圖6 變形情況Figure 6 Deformation situation

3.3 試生產實際變形

該上冠在試生產實際過程中支墊方式如模擬過程中邊界條件所示，對內法蘭和上冠裙邊進行支撐固定。在熱處理后的加工過程中發(fā)現(xiàn)過流面進水端的翹曲，裙邊(進水邊)與內法蘭之間的區(qū)域出現(xiàn)了下塌，導致加工過程中過流面進水邊余量過大，而裙邊(進水邊)與內法蘭過流面之間的區(qū)域缺量出現(xiàn)黑皮。

3.4 模擬與實際結果對比

為了找出變形的原因，需要驗證模擬結果與試生產變形結果的趨勢是否一致。選取7個點作為熱處理模擬與試生產工藝的對比參考點(如圖7所示)。

從圖8可以看出，模擬結果與試生產結果趨勢幾乎是一致的，可以利用模擬結果來分析該上冠的變形原因。

圖7 參考點位置Figure 7 Reference point position

圖8 模擬與試生產對比折線圖Figure 8 Comparison of line chart between simulationand trial production

3.5 原因分析

由于上冠特殊的結構，導致在熱處理過程中只能以過流面進水邊在下，出水邊在上的方式進行熱處理裝爐。試生產過程中按照傳統(tǒng)的經驗，將內法蘭與大端口支撐，依靠內法蘭、大端口下沿支撐整個產品的重量。觀察整個模擬變形過程，該上冠變形是在升溫階段產生的，利用力學理論分析變形原因可知，上冠裙邊支撐點不能Z軸正向伸縮，上冠在受熱膨脹，產生熱應力，由于支撐點緊固作用，該熱應力為壓應力，方向沿過流面，重力為沿Z軸正方向。重力及熱應力Z方向分力對裙邊支撐點產生彎矩，迫使上冠裙邊支撐點與內法蘭支撐點之間產生下塌，而裙邊發(fā)生向上的翹曲變形。在后續(xù)的冷卻過程中由于溫度的降低，基體收縮，該變形趨勢減小。

4 解決方案

4.1 思路

根據(jù)3.5節(jié)原因分析，上冠裙邊(進水邊)的翹曲，主要是由于受到Z軸負向的支反力作用。因此在對大端口進行支墊時預留膨脹過程中的間隙，讓其自由膨脹。對內法蘭支墊不做改變，進行完全支撐固定，承受全部重力。這樣操作，可使上冠裙邊(進水邊)僅受熱應力和重力作用，無彎矩產生。

4.2 數(shù)值模擬驗證

4.2.1 計算模型

此次的計算模型，除了位置約束不同，其他同試生產參數(shù)一致。此次僅約束內法蘭，將大端口約束釋放，整個邊界條件如圖9所示。

圖9 約束、載荷布置Figure 9 Constraint and load arrangement

圖10 變形結果Figure 10 Deformation results

4.2.2 計算結果

從圖10可以看出，上冠裙邊向上翹曲現(xiàn)象已經消失，整體變形量已經大幅度減少，最大變形量僅為2.2 mm，在Z軸方向上也未因為裙邊沒有支撐緊固而產生較大的變形，整個過程變形處于可控范圍。

5 生產驗證

在實際后續(xù)生產過程中，采用支撐緊固內法蘭，上冠裙邊采取預留膨脹量方式進行裝爐。通過此種方式裝爐進行熱處理，后續(xù)加工劃線，實際變形量得到了控制，加工過程無黑皮出現(xiàn)，縮短了生產周期，保證了質量。

6 結論

(1)采用數(shù)值模擬的方法對生產過程進行指導是便捷高效的。

(2)采用傳統(tǒng)方法進行支撐，上冠裙邊易產生向上的翹曲變形，其原因為上冠裙邊支撐點不能Z軸正向伸縮，上冠在受熱膨脹，產生熱應力，由于支撐點緊固作用，該熱應力為壓應力，方向沿過流面，重力為沿Z軸正方向。重力及熱應力Z方向分力對裙邊支撐點產生彎矩，迫使上冠裙邊支撐點與內法蘭支撐點之間產生下塌，而裙邊發(fā)生向上的翹曲變形。

(3)采用只支撐內法蘭，預留裙邊膨脹間隙的方式，不會造成上冠的沿重力方向變形(塌陷)，能夠有效地解決裙邊向上翹曲，過流面下塌的問題。