高压容器焊缝残余应力数值模拟

2 0 1 1年第 3 9卷第7期 石 油机械 C HI NA PET ROLE UM MAC HI NE RY - 4 5 - 设计计算 高压容器焊缝残余应 力数值模 拟 赵文峰 祁 国君 ( 1 中原油田西部工作委员会2 中原油田分公司采油工程技术研究院) 摘要 利用有 限元软件 A N S Y S中生死单元技术对 O WC一4 0 6 0 A水泥石腐蚀测试仪 中焊接高 压容器 的焊接接头进行 了数值模拟，分析 了焊接过程 中接头 的温度场及应力场 变化规律。结果表 明，接头的温度分布不对称 ，残余应力在焊缝 中心线两侧较对称；虽然接 头的最大残余应力 出现 在熔合线附近 ，但是接头沿焊缝 中心开裂 的倾 向最大。在设计 的2 5 MP a许用压力环境 下工作 时， 该水泥石腐蚀测试仪压力容器焊接接头的安全系数为 1 8 ，符合使用要求。 关键词 高压容器焊缝残余应力 开裂倾 向 温度场数值模拟 0 引 言 O WC一 4 0 6 0 A水泥石腐蚀测试仪通过模拟井下 的温度和压力等作业环境 ，用 H ， s气体对 固井水 泥石进行耐蚀性试验 ，可以对各种水泥石 的抗 H： S 腐蚀能力进行评价。由于该仪器在进行试验时压力 容器内部储存有高浓度的 H ： s 气体，若这些 H s 气体发生泄漏 ，在空气 中质量浓度达 到 1 5 m g m 时，就会使试验人员中毒，并且污染环境，所以该 压力容器的安全性至关重要。 虽然 目前制备压力容器的方法很多 ，但是相对 而言 ，采用焊接工艺制备压力容器不仅生产效率较 高，而且能明显降低生产成本 ，因而得到了广泛 的 应用。焊接过程存在高度集中的瞬时热输入 ，在接 头部位将产生很大的残余应力，这可能会引起工件 开裂 J ，从 而引发严重 的生产事故。 因此 ，预测 焊接接头残余应力的分布状态及接头的可靠性具有 重要意义。 笔者 利 用 A N S Y S有 限 元 软 件 ，对 O WC一 4 0 6 0 A水泥石腐蚀测试仪中焊接高压容器接头的形 成过程进行数值模拟 ，描述接头 的温度场及残余应 力场 的变化规律 ，预测特定工作条件下 ，该焊接高 压容器的开裂倾向及开裂路径 ，为该高压容器的安 全应用提供一定的技术支持与理论指导。 1 试验材料 与方法 试验中，焊接母材为哈 氏合金 C一2 7 6 ，焊丝 材料为 E R N i C r Mo一4合金。采用 自熔 钨极氩弧焊 焊接工艺进 行连接 ，氩气纯度达 到 9 9 9 9 9 ，具 体焊接工艺参数见表 1 。 表 1 焊接工艺参数 焊丝直 电流 电压 气体 流量 焊机 焊接速度 径 ram A V ( L mi n ) 极性( m m S ) 2 4 1 0 0 1 3 0 1 0 1 6 21 o 2 - 21 i 爱 菩 ； 叠 鎏 1 2 焊接 头采 用 V形坡 口 ( 坡 口角度 8 0 。5 。 ) 。 焊接时 ，焊缝不预热 ，并且在焊接面起弧 ，以防起 弧点导致腐蚀 J 。 焊接高压容 器 的接头部 分局部 形貌见 图 1 a 。 考虑到该容器的旋转对称性 ，有限元模型可简化为 图 1 b所示的二维平面模 型。在不影 响精度 的前提 下 ，为了节省计算时间和存储空间，采用 自适应方 法划分 网格 ，在温度梯度变化大的焊缝及其附近区 域进行网格加密处理。焊接过程 中，焊丝是逐渐填 充到焊缝 中的 ，即焊缝 材料在焊接 开始时并不存 在 ，而是随着焊接过程 的进行不断产生的，要真实 地模拟这一过程就必须用到 A N S Y S中的生死单元 技术 一 。 基金项 目：中石化中原油田项 目 “ 高温高压智能页岩膨胀仪” ( G 0 4 w z 一2 0 1 0一MM一5 9 7 4 ) 。 4 6- 石 油机械 2 0 1 1年第 3 9卷第 7期 a 接 头 b 有限元模型 图 1 高压容器接 头及划分 网格后 的模 型 2 试验结果与分析 2 1 接头温度分布特征及变化规律 焊丝填充完毕 、焊缝金属冷却前瞬间接头的温 度分布云图见图 2 。从 图可以看 出，接头 的温度分 布具有 明显的不均匀性 ，这是由于接头两侧母材金 属的形状沿着焊缝 中心不对称而造成的。在焊缝 中 心 ，金属 的温度最高 ，并且远高出焊丝的熔点 ；无 论是水平方向还是垂直方向 ，当离焊缝 中心的距离 超过约 2 5 mm时 ，母材金属 的温度 与焊 前相 比几 乎没有变化 ，说明在加热阶段 ，所生成的热影响区 较窄 。在实际焊接操作 中，由于高纯氩气的保护作 用 ，很难观察到焊缝及其附近金属的颜色变化 ，因 而不宜通过观察颜色的方法来判断焊缝及热影响区 的宽度。综上所述可 以说明 ，利用 A N S Y S软件模 拟接头的温度分布特征 ，可为焊接工艺的优化提供 一 定的参考 。 N0DAL S oL U TI ON S TEP=599 SUB=l Tl M E=9 95 01 1 2 TE M P ( AVG1 R S YS = O DM X：【 】 1 1 1 1 4 87 4 SMN=2 0 SM X=l 5 00 图 2 接 头温度分 布云图 图 3所示 为接头不 同部位金属的温度在焊接过 程 中随时间的变化规律。从图可以看出，虽然各点 的温度变化均表现出很大的不均匀性 ，但是在焊接 过程中的加热阶段 ，各点的温度均急剧升高，并 且 越靠近焊缝 中心，温度升 高得越快 ；在 冷却的前 期 ，焊缝区及熔合区金属的温度开始降低 ，而热影 响区金属 的温度依然不断升高 ，这是 由于焊缝 区及 熔合 区金属的温度远高于热影响区金属的温度，热 量不断沿着负温度梯度方向传播 。在随后的冷却过 程中，各个部位高 温金属 的冷却速 率逐渐趋 于平 缓 ，直至接头冷却到室温 。 图 3不 同 区域 温 度 随 时 间 变化 曲 线 2 2 接头残余应力分布特征 图4所示为接头冷却至室温后其内部的残余应 力分布云图。从图可以看出，接头的残余应力沿焊 缝高度方向上的中心线几乎是对称的。焊缝及其附 近的热影响区金属 内部残余应力 主要表现 为拉应 力 ，应 力 最 大值 出 现 在 熔 合 线 附 近，接 近 2 0 0 MP a ；焊缝中心也保持着较高 的残余应力 ；而在热 影响区，平均应力相对较低 ，并且随着离焊缝区距 离的增大 ，残余应力逐渐减小。 NODAL S OL UTI O N STEP=6 25 S UB= 4 1 1 TI ME=5 l( ) 41 S E QV f A VG1 SM N=8 92 0 SM X=l l l 89c +1 1 9 ( ) 3 3 【 】 e +( 1 8 I l 67 【 J c+08 【 】 _ 】 4 0 c +1 ) 9 ( )l 53 c+09 ( 1 l 67 e+ l 】 9 【 )l 8 0 c+ 1 9 0 l 93 e+ 【 】 9 l 2 2 0 c +( ) 9 单他 ：P a 图 4冷 却 至 至 温后 接 头 的 残余 应 力 分 布 云 图 2 3 接头安全性分析 对 O We一 4 0 6 0 A水泥石腐蚀测试仪工作 时的 受力状态分析可知 ，其 内部 的压力容器在工作时各 点的拉应力均会增加。因此 ，在超载荷环境下工作 时 ，该压力容器组织中极有可能在存在较大缺陷或 较大平均拉应力的部位开裂。由于试验得到的焊接 接头内部本身就存在较高的残余拉应力， 并且组织 0 O 0 O O 0 O 0 0 0 O O 0 0 O O 0 O 0 O 0 O 8 6 4 2 O 8 6 4 2 i p 赐 O：5 ： 一 小 i 2 0 1 1 年第3 9卷第7期 赵文峰等：高压容器焊缝残余应力数值模拟 - 4 7- 中还可能存在一些缺陷 ，所 以会表现为该压力容器 的最薄弱环节。 根据 自熔钨极氩弧焊焊接接头常见的断裂路径 并结合试验中该压力容器工作时的受力状态 ，可以 得知裂纹最可能沿着接头的熔合线 ( 图 1 b中的路 径 I)或者焊缝 中心线 ( 图 1 b中的路径 )产生 并扩展 。为了形成完整的对比，在热影响区取一平 行于熔合线的路径 ( 对应于图 1 b中的路径 m)作 为也可能开裂的路径进行受力分析。图 5所示为上 述 3种路径中的点在垂直于焊缝 中心方向上的残余 应力分量 。从 图中可以计算 出路径 I 上的平均残余 拉应力分量约为 2 0 5 MP a ，路径 上的平均残余拉 应力分量约为 1 8 3 MP a ，路径 上 的平均残余拉应 力分量约为 5 8 MP a 。由于路 径 I和路径 与拉应 力分量间的夹角均为 4 5 。 ，所以将它们乘以角度修 正系数后均远低于路径 上的平均残余应力分量， 故该压力容器在超载荷条件下服役时 ，最有可能沿 着路径 即焊缝 中心线开裂。 羔 图 5 不 同路 径 上 的点 在 垂 直 于 焊缝 中心线方 向上 的残余应力分量 O WC一 4 0 6 0 A水泥石腐蚀测试仪中压力容器的 许用压力设 计为 2 5 MP a ，内径 1 0 0 m m，壁厚 2 0 1 3 1 1 1 1 ，焊丝材料组成的合金屈服强度约为 3 8 0 MP a ， 因此 ，该焊接接头在许用压力条件下工作时其安全 系数为 1 8 。 3 结 论 ( 1 )运用 AN S Y S中的生死单元技术能够有效 地模拟 O WC一4 0 6 0 A水泥石腐 蚀测试仪 中焊接压 力容器的焊接接头形成过程 。模拟结果表 明，接头 的温度场分布不对称 ，利用温度场的模拟结果可以 优化焊接工艺方案 。 ( 2 )在垂直于焊缝 中心线 的方 向，熔合线 附 近会出现最大平均残余应力分量，焊缝中心的平均 残余应力分量也较高 ，而焊缝热影响区的平均残余 应力分量相对较小。 ( 3 )O WC一4 0 6 0 A水 泥石腐蚀测试仪 中焊接 压力容器的最薄弱环节是焊接接头 。在 2 5 MP a的 许用压力环境 下工作 时 ，接头 的安全 系数是 1 8 。 在超载环境下 ，裂纹最有可能首先在焊缝 中心线上 产生 ，并沿其扩展 。 ( 4 )A N S Y S软件对 焊接压力容器接头 的工艺 制定及安全性分析均具有一定的指导意义。若将数 值模拟结果进行相关试验验证，不仅可修正数值模 型 ，而且可进一步优化相关工艺 ，能为实际工程应 用提供更可靠的理论与技术支持。 参考文献 罗利伟，付小超 焊接残余应力的产生及其消除方 法 J 山西建筑，2 0 0 8 ，3 4( 2 0 ) ：1 3 41 3 5 吴芳 哈氏合金 C 2 7 6管焊接施工技术 J 化 工建设工程，2 0 0 1 ，2 3( 4 ) ：2 7 3 6 王建军 哈氏合金 C 2 7 6管道的焊接工艺 J 甘 肃科技，2 0 0 2，1 8( 1 0 ) ：3 4 3 5 胡敏英，吴志生 基于单元生死焊接温度场应力场 模拟研 究 J 机械 工程 与 自动化，2 0 0 7 ，3 0 ( 6 ) ：5 8 6 0 朱援祥 ，王勤，赵学荣，等 基于 A N S Y S 平台的 焊接残余应力 的模拟 J 武汉理工大学学报， 2 0 0 4 ，2 6 ( 2 ) ：6 9 7 2 高耀东，何雪 基于 A N S Y S单元生死技术的焊接