WCB止回閥挖補(bǔ)修復(fù)焊工藝的仿真與優(yōu)化

譚心玥 孫炎 羅曼樂蘭 黃安國

摘要：核電設(shè)備用WCB旋啟式止回閥服役過程中容易產(chǎn)生開裂、磨損等缺陷，嚴(yán)重影響設(shè)備安全運(yùn)行。利用Fluent軟件探明了旋啟式止回閥在穩(wěn)定工作過程中容易出現(xiàn)缺陷的位置并提取缺陷位置，采用InteWeld軟件進(jìn)行了挖補(bǔ)修復(fù)焊的數(shù)值模擬。研究了不同焊接功率下焊縫區(qū)域的殘余應(yīng)力和應(yīng)變的大小和分布情況。計(jì)算結(jié)果顯示，止回閥底部位置最易出現(xiàn)破損。焊接功率越低，焊接殘余應(yīng)力越小。焊接順序?yàn)閮蛇叺街虚g的殘余應(yīng)力大于從左到右。道間冷卻時(shí)間延長，焊后殘余應(yīng)力減小。當(dāng)焊接功率為2 400 W、每層的焊接順序?yàn)閺淖蟮接?、每道焊縫間的冷卻時(shí)間為300 s時(shí)，WCB挖補(bǔ)修復(fù)焊的殘余應(yīng)力最小，為323 MPa。將每層焊接順序調(diào)整為左到右、右到左交替進(jìn)行，能改善其變形情況。

關(guān)鍵詞：挖補(bǔ)修復(fù)焊;焊接殘余應(yīng)力;數(shù)值模擬;止回閥

中圖分類號：TG444;TP391.9? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）03-0070-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.03.13

0? ? 前言

隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，人們對綠色環(huán)保的要求越來越高。清潔無污染的核能已成為應(yīng)用最廣泛的新型能源之一。閥門在核電設(shè)備中的應(yīng)用極其廣泛，是設(shè)備安全正常服役的重要保障[1]。WCB止回閥用于防止介質(zhì)倒流、防止泵及驅(qū)動電機(jī)反轉(zhuǎn)，在流體的高強(qiáng)度沖刷作用下，容易發(fā)生開裂、磨損等缺陷，若不及時(shí)采取措施會帶來極大的安全隱患。相較于將其整個(gè)更換，挖補(bǔ)修復(fù)焊具有步驟簡單、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于壞損閥門的原位修復(fù)已經(jīng)得到行業(yè)內(nèi)的普遍認(rèn)可[2-5]。文中結(jié)合相關(guān)研究成果[5]，并考慮到實(shí)際生產(chǎn)的便利性，采用焊條電弧焊對WCB止回閥進(jìn)行原位挖補(bǔ)修復(fù)。

該止回閥所用材料WCB屬于低碳鑄鋼，其Mn等合金元素含量大，碳當(dāng)量高，可以預(yù)知其脆硬傾向較大，焊接性不佳[6]。且在WCB 鋼焊接過程中，熱影響區(qū)會產(chǎn)生淬硬性的馬氏體組織，當(dāng)焊接剛性較大或焊接材料、焊接參數(shù)選擇不當(dāng)時(shí)，極易產(chǎn)生冷裂紋。采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行閥體挖補(bǔ)修復(fù)焊的工藝窗口探索，具有材料消耗多、時(shí)間花費(fèi)長、參數(shù)不易控制等問題。因此，文中首先基于Fluent對閥體內(nèi)部流動場進(jìn)行仿真預(yù)測，探明閥體最易產(chǎn)生磨損的部位，利用InteWeld模擬整個(gè)焊條電弧焊的堆焊過程，求解不同參數(shù)下的溫度場和應(yīng)力場，實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)的仿真優(yōu)化，為實(shí)際生產(chǎn)工作提供理論和技術(shù)指導(dǎo)。

1 模型的建立

為了使挖補(bǔ)修復(fù)焊的焊接參數(shù)更有利于實(shí)際生產(chǎn)，文中針對止回閥沖蝕磨損問題，開展易破損位置和優(yōu)化焊接參數(shù)的研究。

1.1 控制方程

閥體內(nèi)部流體的流動狀態(tài)為湍流流動，其滿足Navier-Stokes方程[7]，即

式中 u、v、w分別為流體在t時(shí)刻的流動速度;υ為流體的運(yùn)動粘度;p為壓力;ρ為流體密度。斯托克斯公式可以相對較為準(zhǔn)確地描述流體的真實(shí)流動情況。

由彈塑性力學(xué)三維平衡微分方程計(jì)算應(yīng)力場，空間中各點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)滿足下述關(guān)系：

為了加快計(jì)算速度，采用線熱源模型模擬多層多道焊的過程。模型如圖1所示，功率分布為：

1.2 流體模擬

使用UG繪制閥體的三維實(shí)體模型，將模型導(dǎo)入Hypermesh使用四面體流體網(wǎng)格對其進(jìn)行劃分。繪制完成后將網(wǎng)格文件導(dǎo)入Fluent，采用Fluent3D單精度求解器進(jìn)行模擬計(jì)算，獲取閥體破損位置[8]。具體流程如圖2所示。

選擇流動模型為單向流不可壓縮三維粘性流動，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn) κ-ε 模型[9]。其余設(shè)置默認(rèn)不變。流體的邊界條件設(shè)置：入口為速度10 m/s的速度入口;出口為自由出口，其余邊界采用默認(rèn)邊界條件。閥體內(nèi)部的流體材料設(shè)置為液態(tài)水，溫度設(shè)置為38 ℃，密度ρ=998.2 kg/m3，動力黏性系數(shù)μ=1.003×10-3 Pa·s。

1.3 應(yīng)力場分析模型及參數(shù)

為了簡化模型、提升計(jì)算速度，并使模擬結(jié)果能適用于不同的零件，采用一塊650 mm×300 mm的平板作為模擬實(shí)驗(yàn)試件?；谠撃Ｐ驼归_挖補(bǔ)修復(fù)焊的仿真模擬。在開裂發(fā)生位置開坡口將裂紋完全清除。使用HyperMesh劃分網(wǎng)格，為兼顧計(jì)算速度與精度，細(xì)化靠近修復(fù)區(qū)域的網(wǎng)格，并利用自適應(yīng)功能在遠(yuǎn)離焊縫處加大網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分如圖3所示。閥體材料為WCB，其化學(xué)成分[6]如表1所示。

焊接熱源使用串熱源以提高計(jì)算速度[11]，同時(shí)為了使熱源模型模型更接近實(shí)際情況，使用對幾何尺寸參數(shù)不敏感的雙橢球點(diǎn)熱源模型[11-12]進(jìn)行模擬，根據(jù)其結(jié)果校核串熱源模型的幾何尺寸。

將整個(gè)模型表面作為溫度邊界，對流換熱系數(shù)取15 J/m2·s·℃，輻射系數(shù)取0.85。由于模型為閥體上截取的一部分，將受到軸向及環(huán)向約束，將其四個(gè)側(cè)面作為力學(xué)邊界，約束其x、y、 z方向的位移。其上下兩個(gè)平面可視為自由表面[13]。

挖補(bǔ)修復(fù)焊仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置為：打底焊采用焊條電弧焊，功率2600 W，焊接速度2.2 mm/s，搭接率為1/3，熱效率系數(shù)為0.65。選用的焊絲為J507、φ3.2。道間的冷卻時(shí)間為300 s。填充焊采用焊條電弧焊，焊接速度為2.5 mm/s，搭接率為1/3，熱效率系數(shù)為0.65。選用的焊絲為J507，直徑φ4。其他參數(shù)如表2所示。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 破損位置

由于旋啟式止回閥在正常工作狀態(tài)下長時(shí)間處于穩(wěn)定狀態(tài)，所以文中基于Fluent對穩(wěn)定狀態(tài)下的止回閥進(jìn)行流體模擬。穩(wěn)定階段是指閥瓣完全旋起，流體流動情況幾乎不會隨著時(shí)間的推移發(fā)生改變。

當(dāng)止回閥閥瓣完全開啟，管道最為通暢，流體在閥體內(nèi)部的流動情況如圖4所示。止回閥內(nèi)部進(jìn)口端壓力大于出口端壓力，由于閥體內(nèi)壁呈凹狀且在重力作用下承受流體沖擊，導(dǎo)致壓力最大分布區(qū)域位于止回閥底部靠閥門出口一端。流體速度10 m/s時(shí)的壓力場分布云圖如圖5所示。管道部位所受壓力相對于閥體較小，穩(wěn)定在7.97×104 Pa。閥體所受壓力整體不大，在閥蓋與閥體交接部位壓力略有上升;流體的壓力最大值出現(xiàn)在閥體底部，最大值為1.08×106 Pa。在壓力最大值上方區(qū)域存在較大負(fù)壓，壓力值為-3.49×105 Pa。負(fù)壓過大會產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象，也會加劇閥體的受損，所以該部位最容易損壞。

2.2 應(yīng)力場分析

提取破損位置，采用順序耦合方法對焊縫及其附近區(qū)域的應(yīng)力場進(jìn)行計(jì)算。

數(shù)值模擬計(jì)算獲得的殘余等效應(yīng)力云圖如圖6所示，最大殘余應(yīng)力位于焊縫上表面區(qū)域。由于經(jīng)過挖補(bǔ)修復(fù)焊的止回閥主要是內(nèi)壁經(jīng)受水流沖刷，對應(yīng)模型的上表面，因此主要關(guān)注上表面的殘余等效應(yīng)力。為了優(yōu)化工藝參數(shù)，沿圖6中平板上表面白線提取位置曲線進(jìn)行比較。

不同功率下平板中部上表面等效殘余應(yīng)力情況見圖7。焊接功率為2 400 W、2 700 W、3 000 W時(shí)，殘余等效應(yīng)力最大值分別為322 MPa、326 MPa、330 MPa。殘余等效應(yīng)力隨著焊接功率的增加而上升。焊后的等效殘余應(yīng)力主要是由焊接熱輸入導(dǎo)致的熱膨脹引起的。在保證熔合質(zhì)量的情況下，采用盡量小的熱輸入能夠降低焊后殘余應(yīng)力。

焊接功率分別為2 400 W、3 000 W時(shí)，不同焊接順序下平板中部上表面等效殘余應(yīng)力如圖8所示。由圖8可知，當(dāng)焊接功率和冷卻時(shí)間一定時(shí)，每層從左往右施焊比從兩邊到中間施焊的殘余應(yīng)力更小。在每道焊縫間的冷卻時(shí)間較短的情況下，以從左往右的施焊順序能明顯降低焊縫區(qū)域的殘余應(yīng)力，防止容易出現(xiàn)裂紋的位置再次發(fā)生失效。

當(dāng)焊接功率與焊接順序都相同時(shí)，每道焊縫在不同冷卻時(shí)間下，平板中部上表面等效殘余應(yīng)力如圖9所示。由圖9可知，每道焊縫施焊前經(jīng)過充分冷卻的情況下，焊后殘余應(yīng)力顯著下降。在實(shí)際生產(chǎn)中，可靈活控制冷卻時(shí)間，將每道焊縫區(qū)域冷卻至300～350 ℃，以保證修復(fù)質(zhì)量同時(shí)兼顧生產(chǎn)效率。

綜上所述可以推斷出，當(dāng)焊接功率為2 400 W、每層的焊接順序?yàn)閺淖蟮接?，每道焊縫間的冷卻時(shí)間為300 s時(shí)，焊后的殘余應(yīng)力最小。其z方向的變形比較明顯（見圖10a），在焊縫左側(cè)凹陷、右側(cè)凸起，這是由于熱輸入的不對稱導(dǎo)致的。為了緩解其變形，將焊接順序調(diào)整為從左到右、從右到左交替施焊（層間充分冷卻），得到的變形情況見圖10b，其z方向的變形情況得到了極大的改善。

3 結(jié)論

（1）常開狀態(tài)下閥體內(nèi)部流體流動情況總體平穩(wěn)。但由于止回閥內(nèi)部壓力以及流體本身重力的作用，使得止回閥底部所受壓力更大，在長時(shí)間的使用過程中更容易被磨損甚至穿透。

（1）焊接線能量越大，焊后殘余應(yīng)力增大，焊接功率分別為2 400 W、2 700 W、3 000 W時(shí)，平板上表面殘余等效應(yīng)力最大值分別為323 MPa、326 MPa、329 MPa。

（2）不同焊接順序的殘余應(yīng)力由大到小為：兩邊到中間>從左到右，焊接功率2 400 W時(shí)分別為323 MPa、319 MPa，功率3 000 W時(shí)分別為329 MPa、327 MPa。

（3）道間冷卻時(shí)間延長，焊后殘余應(yīng)力減小。焊接功率為3 000 W，焊接順序從左到右時(shí)，平板上表面殘余等效應(yīng)力最大值分別為343 MPa、327 MPa，焊接順序?yàn)閺膬蛇叺街虚g時(shí)，分別為343 MPa、329 MPa。

（4）當(dāng)焊接功率為2 400 W、每層的焊接順序?yàn)閺淖蟮接遥康篮缚p間的冷卻時(shí)間為300 s時(shí)，焊后的殘余應(yīng)力最小，為323 MPa。將每層焊接順序調(diào)整為左到右、右到左交替進(jìn)行，能改善其變形情況。

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