（工程热物理专业论文）国产eo反应器特厚板焊接残余应力的数值分析.pdf

硕士学位论文 摘要 ! l 1l r l ljll l l l 1 l l ijlii i j l l l ll p i i i i i i y 2 2 5 3115 随着钢结构技术的发展，厚钢板和特厚钢板在反应釜及其它容器结构中的应 用越来越广泛，厚板或大型简体的连接往往采用焊接方式，由于焊接过程中高度 集中的瞬时热输入，在焊接过程中和焊后将会产生相当大的残余应力，有时达到 屈服强度，严重影响结构的使用性能。由于厚板焊接残余应力场的影响因素众多， 变化复杂，因此，对厚板焊接残余应力分布及其影响因素的研究具有很重要的工 程应用价值。 扬子石油化工有限公司国产e o 反应器以国产材料1 3 m n n i m o r 为主要筒体材 料，该材料常被用于大型厚壁容器的生产制造。本文即以此为背景，利用有限元 分析软件a b a q u s 对1 3 m n n i m o r 厚板的焊接残余应力进行模拟分析，研究对象分 别为厚度7 2 m m 的试板焊接以及厚度1l o m m 的筒体焊接，主要研究内容如下： 本文首先使用k 型热电偶温度测量仪，平面双向等间距布置测温点，对7 2 m m 厚的试板焊接过程中试板表面及内部的温度场进行了测量。通过分析实验数据， 绘制出焊接过程中温度分布曲线；然后使用a b a q u s 有限元软件建立焊接过程的 二维有限元模型计算焊接过程中的温度场。得到的模拟计算结果与实测数据基本 吻合，证明了该有限元模型及模拟方法的有效性。在此基础上，通过把温度场作 为结构载荷加入焊接结构实现温度场与应力场的耦合分析，得出了焊接过程中的 焊接残余应力分布。 在成功分析7 2 r n m 厚试板焊接残余应力的的基础上，建立了壁厚1l o m m 的筒 体焊接的二维有限元模型，运用同样的方法得出筒体焊接的焊接残余应力分布规 律。 最后通过改变焊接工艺中的热量输入以及焊后热处理温度，分析了筒体焊接 过程中不同焊接工艺和热处理工艺对筒体焊接残余应力分布规律的影响 结果表明，随着线能量的增加，焊接残余应力降低；筒体焊后热处理的适宜 温度为6 2 0 。c ，线能量对焊接残余应力的降低效果小于热处理的效果。 关键词：特厚板；热电偶；温度场；焊接残余应力；数值模拟；有限元 a b s t r a c t a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y , t h ea p p l i c a t i o no ft h es t e e ls t r u c t u r ei n s t r u c t u r ee n g i n e e r i n go ft h i c kp l a t e ，s t e e lr e a c t o ra n do t h e rc o n t a i n e r sa r em o r ew i d e l y t h i c kp l a t eo rl a r g ec y l i n d e rc o n n e c t i o n sa r eo f t e ni nw e l d i n gw a y d u et oh i g h c o n c e n t r a t i o na n di n s t a n t a n e o u sh e a ti n p u to fw e l d i n gp r o c e s s ，t h ew e l d i n gw i l l g e n e r a t ec o n s i d e r a b l er e s i d u a ls t r e s s ，s o m e t i m e si t w i l lc l o s et oy i e l ds t r e n g t h ，t h i s w i l li n f l u e n c et h es t r u c t u r es e r i o u s l y b e c a u s eo ft h ec o m p l i c a t e df a c t o r so ft h e r e s i d u a ls t r e s si nt h ep l a t ew e l d i n g ，r e s e a r c ho nr e s i d u a ls t r e s so ft h ep l a t ew e l d i n gh a s i m p o r t a n tr e a l i s t i cs i g n i f i c a n c e t h i st h e s i sp u tt h em a n u f a c t u r eo fd o m e s t i ce or e a c t o ri ny a n g z ia st h es u b j e c t b a c k g r o u n d ，a p p l y i n gt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea b a q u s ，t h ew e l d i n g r e s i d u a ls t r e s sw a ss i m u l a t e da n da n a l y z e d t h i st h e s i ss t u d i e dt h e7 2 r a mt h i c kt e s t w e l d i n ga n dll0 m mt h i c kc y l i n d r i c aw e l d i n gm o d e t h e yw e r ew e l d e df o rd o u b l e u - s h a p e dg r o o v e t h ew e l d i n gm a t e r i a l sa r e13 m n n i m o r t h em a i nr e s e a r c ha r ea s f o l l o w s ： f i r s t ，t h i st h e s i su s e dk p l a n a rt h e r m o c o u p l ed i s t r i b u t e di ns y m m e t r i c a ls i d e st o m e a s u r et h es u r f a c ea n di n t e m a l t e m p e r a t u r e o ft h ee x p e r i m e n t a lw e l d i n g a n a l y s i s i n ge x p e r i m e n t a ld a t a , t h ew e l d i n gp r o c e s sg a v et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n c u r v e u s i n ga b a q u sf i n i t ee l e m e n tt om a k eat w o d i m e n s i o n a lm o d e l i n ga n d c a l c u l a t et h ew e l d i n gp r o c e s st e m p e r a t u r e w e l d i n gt e m p e r a t u r ef i e l ds i m u l a t i o n r e s u l t sa n dm e a s u r e m e n tr e s u l t sp r o v ee f f e c t i v e n e s so ft h em e s ha n dt h es i m u l a t i o n m e t h o d a f t e rt h ea n a l y s i so fh e a ta n a l y s i s ，p u tt h eh e a ta ss t r u c t u r ea n a l y s i so f s t r u c t u r el o a dt oj o i nt h ec o m p a l i c a t e dh o ta n ds t r u c t u r eo ft h ec o u p l i n ga n a l y s i s u s i n ga b a q u s t od r a wt h ep r o c e s s o rf u n c t i o no ft h ew e l d i n gp r o c e s s ，t h er e s i d u a l s t r e s sd i a g r a ma n a l y s i so b t a i n sw e l d i n gr e s i d u a ls t r e s ss i m u l a t i o nr e s u l t s t h e n ，i nt h eb a s i so fo b t a i n i n gt h et e s tp l a t ew e l d i n gr e s i d u a ls t r e s sd i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i c s ，t h es a m em e t h o dw a su s e dt oc a l c u l a t et h ec y l i n d e rw e l d i n gr e s i d u a l s t r e s s i i 硕士学位论文 f i n a l l y , b yc h a n g i n gw e l d i n gp r o c e s so nh e a ti n p u ta n dh e a tt r e a t m e n t ，a n a l y s i s i n g t h ed i s t r i b u t i o no f w e l d i n gr e s i d u a ls t r e s s t h i st h e s i se s t a b l i s h e df i n i t ee l e m e n tm o d e l a n dp u tf o r w a r dt h er e s i d u a ls t r e s sd i s t r i b u t i o n i nd i f f e r e n th e a ti n p u ta n dh e a t t r e a t m e n t t h er e s u l t ss h o wt h a t ，w i t l lt h ei n c r e a s eo f e n e r g y ，w e l d i n g l i n eo fr e s i d u a ls t r e s s d e c e a s e d ；t h ea p p r o p r i a t eh e a tt r e a t m e n tt e m p e r a t u r eo ft h ec y l i n d e ri s6 2 0 。c ；t h e r e d u c t i o no fw e l d i n gr e s i d u a ls t r e s st ol i n e a rw e l d i n ge n e r g yi sl e s st h a nt h a to fh e a t t r e a t m e n t k e y w o r d s ：e s p e c i a l l yt h i c kp l a t e ；t h e r m o c o u p l e ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；w e l d i n g r e s i d u a ls t r e s s ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ：f i n i t ee l e m e n t i i i 目 录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 引言l 1 2 国产1 3 m n n i m o r 钢的主要特点- 1 1 3 焊接残余应力的研究现状及发展3 1 3 1 焊接残余应力的测量一3 1 3 2 焊接残余应力的数值模拟4 1 3 3 厚板焊接残余应力研究现状7 1 4 本文的主要研究内容和意义8 1 4 1 研究内容一9 1 4 2 研究意义1 1 第2 章厚板焊接温度场的测量与分析1 1 2 1 引言1 l 2 21 3 m n n i m o r 钢厚板焊接温度场测量1 2 2 2 1 1 3 m n n i m o r 钢焊接试板的制作1 2 2 2 2 测量装置与热电偶布置13 2 2 3 测量结果15 2 31 3 m n n i m o r 钢厚板焊接温度场数值模拟分析一1 7 2 3 1 焊接温度场有限元分析的基本方法1 7 2 3 2 几何模型1 8 2 3 3 单元类型与网格划分1 9 2 3 4 焊接热源及材料参数2 0 2 3 5 模拟结果2 1 2 4 结果分析与讨论2 2 2 5 小结2 4 硕士学位论文 第3 章焊接试板应力场的分析研究2 5 3 1引言2 5 3 2 1 3 m n n i m o r 钢常温拉伸试验2 7 3 2 1 取样2 7 3 2 2 实验结果与结论2 8 3 3 焊接残余应力的数值模拟计算3 0 3 3 1 模型假设3 0 3 3 2 参数定义3 0 3 3 - 3 单元类型与网格划分3 1 3 3 4 边界条件31 3 - 3 5 数值模拟结果与分析3 2 3 4 小结3 7 第4 章国产化e o 反应器特厚简体焊接残余应力的分析研究4 0 4 1 引言4 0 4 2 特厚筒体焊接残余应力的数值模拟计算4 0 4 2 1 模型建立4 0 4 2 2 参数定义4 1 4 2 3 单元类型与网格划分4 1 4 2 4 边界条件4 2 4 2 5 数值模拟结果与分析4 3 4 3 小结4 7 第5 章焊接工艺对国产化e o 反应器特厚简体焊接残余应力的影响 z 1 8 5 1 引言4 8 5 2 热输入对特厚筒体焊接残余应力的影响4 8 5 3 热处理温度对特厚简体焊接残余应力的影响5 3 5 4 小结5 8 第6 章结论与展望5 9 目录 6 1 结论5 9 6 2 研究展望6 1 参考文献6 2 致谢6 6 攻读硕士学位期间参加科研工作和发表论文情况一6 7 硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 环氧乙烷( e 0 ) 是乙烯衍生产品中第二大有机化工产品，也是重要的有机 化工中间体和原料。e o 反应器是e o e g 装置中的核心设备，目前我国大型e o 生产装置均采用引进技术，完全依赖进口。根据扬子石化扩建工程的要求，美国 s d 公司针对扩建工程中e o 反应器，提出采用美国a s m e 标准中的s a 5 4 3b 1 板材和s a 5 0 84 n 一1 锻件分别制作e o 反应器的壳体和管板。经过中国石化工程 建设公司( s e i ) 对材料国产化、制造厂装备能力等多方面调研，认为在扬子石 化e o 反应器中使用国产1 3 m n n i m o r 和2 0 m n m o n b 锻件并实现设备的国产化 制造是可行的。 鉴于扬子乙烯扩建工程乙二醇装置中的e o 反应器是典型的超大 ( ( i ) 6 7 6 0 m m ) 匿 定管板式厚壁换热器，此前完全依赖进口，因此无论是实现其采 用国产化材料制造，还是成功国产化化后投入实际运行，既缺少成功经验以供 借鉴，也缺乏大量必要的数据积累作为支撑。 扬子石化e o 反应器的主体材质采用国产1 3 m n n i m o r 钢板和2 0 m n m o n b 锻件替代进口s a 5 4 3b 1 板材和s a 5 0 84 n 1 锻件。根据初算结果，扬子石化 e o 反应器若采用1 3 m n n i m o r 作壳体材料时壁厚约在1 1 0 m m 左右，若采用 2 0 m n m o n b 作管板锻件时厚度约在1 9 2 - - - 3 1 5 m m 之间，其焊接制造均属于难度 很大的特厚板焊接。特厚钢板构件的主要焊缝形式为坡口焊，坡口深，焊缝熔覆金 属多、焊接热输入量大，从而导致钢板焊接时焊接收缩量大，焊接应力大，易产生 变形，控制难度大，而且焊接变形一旦发生，矫正非常困难。厚板焊接不可避免的 带来较高的焊接残余应力水平，如果不对焊接残余应力水平进行有效的控制， 设备在投入生产运行后将存在很大的安全隐患，对安全生产构成威胁。 1 2 国产1 3 m r d 、l i m o r 钢的主要特点 随着压力容器向大型化、专业化方向发展，用于大型压力容器制造的材料也 第1 章绪论 在不断创新。2 0 世纪8 0 年代以来，我国基本建立起了具有中国特色的压力容 器钢材标准体系。随着生产需要的逐步提高与科技进步的不断深入，我国压力 容器钢材的供货状况和材质水平均有较大改善与提高。1 9 9 6 年，在仿制德国 b h w 3 5 钢板的基础上，g b 6 6 5 4 1 9 9 6 压力容器用钢中首次推出了具有中国 自主知识产权的新钢种：1 3 m n n i m o n b r ，并在g b 7 1 3 2 0 0 8 锅炉和压力容器 用钢板中将其定名为1 3 m n n i m o r 。1 3 m n n i m o r 被用作超高压锅炉汽包特厚 钢板，反映了受压产品结构材料的发展趋势，它具有以下特点：较高的强度指 标、良好的冲击韧性、良好的焊接性能以及加工性能。其主要工况参数为：工 作温度s 3 5 0 ，内压 1 5 0 个大气压，其工作介质是水和水蒸气，要求承受热疲 劳，服役年限一般大于2 0 年。 g b 6 6 5 4 - - 1 9 9 6 压力容器用钢中的1 3 m n n i m o r 母材化学成分见表2 1 ， 力学性能见表3 2 。其金相组织为：铁素体+ 回火索氏体。脆性转变温度n d t = 一5 0 v ，具有较好的力学性能hj 。按照国际焊接学会( i i w ) 的碳当量计算公式： c 后= c - t - m n 6 + ( c r + m o + y ) 5 + ( c r - t - n i ) 1 5 ( )( 1 - 1 ) 计算出1 3 m n n i m o r 钢的碳当量为o 5 7 3 。一般认为钢可焊性好坏的临界 碳当量为o 4 5 ，所以其焊接性良好。低合金耐热钢具有淬硬倾向，在焊接热 循环决定的冷却速度条件下，焊缝金属和热影响区可能形成对冷裂纹敏感的显 微组织【2 5 j 。 1 3 m n n i m o r 钢为低合金耐热高强钢，其晶粒较细，具有较高的强度指标、 良好的抗冲击韧性、热强性及加工特性，但是同时也具有一定的冷裂倾向，需 要采取必要的工艺措施。依据1 3 m n n i m o r 钢焊接连续转变图( c c t 图) ，其 过热区易形成贝氏体或马氏体组织。随着焊接周期的增大，1 3 m n n i m o r 钢过 热区奥氏体转变的主要组织为贝氏体，可见应该在焊接工艺中采取焊前预热、 焊后热处理等工艺措施。 1 3 m n n i m o r 钢作为可焊接的细晶粒结构钢，因其热强性能高，抗裂纹扩 展敏感性好，被广泛用以制造高压锅炉汽包、核能容器及其他耐高压容器等。 硕士学位论文 1 3 焊接残余应力的研究现状及发展 1 3 1 焊接残余应力的测量 目前，对焊接残余应力的研究主要采用两种方法，一种是通过实际测量的方 法来获得焊接残余应力的大小及分布，另一种是利用数值计算的方法对焊接残 余应力进行模拟计算。 研究物体内部残余应力，通常情况下，首先要解决的问题如何测量残余应力。 从2 0 世纪3 0 年代开始发展至今，残余应力测试技术出现了许多方法【6 1 叫。发 展至今共形成了数十种测量方法。残余应力的测量方法可分为机械释放测量法 和非破坏无损伤测量法两种。机械释放测量法，是将具有残余应力的部件从构件 中分离或切割出来使应力释放，然后测量其应变的变化求出残余应力。它主要包 括钻孔法、分割切条法释放法、逐层铣削法等。其优点是测量的精度较高，但对 构件的损伤较大。非破坏性方法，包括x 射线衍射法、中子衍射法、磁性法、 超声波法、电子散斑干涉法等。它对被测构件无损害，但成本较高。目前，国内外 常用测定残余应力的方法有机械释放测量法：1 1 钻孔法2 切条法3 ) 逐层铣削法； 非破坏性测量方法有：1 ) x 射线衍射法2 ) 中子衍射法3 ) 磁性法4 ) 超声波法5 ) 电子散斑干涉法6 ) 金属磁记忆法。除了以上测量方法外，近年来有一批新的测试 技术应用而生，如用屈服条件确定残余应力，无损电测法，脆性涂层法，云纹法，反 向叠加应力法，热评估法，硬度法，数字散斑法以及压良叠加应力测量法等，有时也 可根据具体情况将各种测试方法综合起来应用。 在初期，研究者所使用的方法主要是破坏性较大的机械测量法。4 0 年代中 期以来，由于电阻应变计( 片) 的发明，电测法有了很大的发展，它与机械法配 合使用，大大降低了机械测量法对构件的破坏性。目前，测量残余应力的方法 按其对结构体是否有破坏，有全破坏法、半破坏法和无损法等几种；按其测试 原理，可分为机械测定法和物理测定法。机械测量方法主要包括截条法、逐层 剥层法、g u n n e r t 切铣环槽法、盲孔法、钻阶梯孔法、套取芯棒法和内孔直接贴 片法等；物理测量方法主要有x 射线衍射法、中子衍射法、磁测法、超声波法 和固有应变法等。x 射线法是一种通过测定晶格应变，然后再通过应变、应力 第1 章绪论 问的关系来测定残余应力的方法。中子衍射法与x 射线法相似，也是利用射线 衍射来测量残余应力，但是由于中子的穿透能力更强，所以中子衍射法可以应 用到较厚件沿层深方向上的应力的测量。磁测法包括磁应力、磁噪声和磁发射 等三种方法，磁应力法是通过测定磁导率的变化来反映应力的变化，磁噪声法 和磁发射法所利用的是铁磁性材料的巴克豪森效应( b e ) ，利用巴克豪森噪声 ( b n ) 信号与应力间的关系来测量应力。超声波法建立在声弹性理论基础上， 即基于材料在没有应力作用与有应力作用时超声波在各向同性的弹性体内传播 速度不同，利用超声波波速与应力之间的关系来测量残余应力。机械测定法通 常是通过应力释放的方法测量残余应力，因此无论是何种机械测量法都要或多 或少的对构件产生一定的损害并引入一定的附加应力。在这些测量方法中，相 对于机械法来说，x 射线衍射法在表面残余应力的测量中得到了广泛的应用， 这主要是因为x 射线法不会对构件产生破坏，也不会引入额外的附加应力。但 是，由于x 射线的穿透深度有限，通常对钢材仅有几个微米的穿透深度，大大 限制了在较厚构件中的应用。中子衍射法虽然可以较好的解决这一问题，但是 由于这种方法需要建立核反应堆来收集中子，因此很难将其应用到实际检测中。 为了将x 射线法应用到更深层残余应力的测量，许多研究者对构件的表面进行 了不同处理，如车削、磨削以及电化学腐蚀剥层等。其中电化学腐蚀剥层，因 不会引入附加应力，成为一种较理想的处理方法。 1 3 2 焊接残余应力的数值模拟 ( 1 ) 焊接残余应力数值模拟的研究现状 2 0 世纪7 0 年代初，日本大阪大学的上田幸雄教授等人首先以有限元法为 基础，提出了考虑材料力学性能与温度有关的焊接热弹塑性分析理论，导出了 分析焊接应力应变过程的表达式，从而使复杂的动态焊接应力过程的分析成为 可能。1 9 8 6 年法国的j b 1 e b f o n d 对相变钢的塑性、相变、热应力三者之间的耦 合效应进行了研究，并提出了在考虑祸合效应的前提下本构方程的一般形式， 对于弹塑性问题中所涉及的材料物理性能均可以根据各相的体积分数取平均 值，并在上述研究的基础上发展了s y s w e l d 专用软件。m a l l i 等人在研究中考虑 耦合的热应力问题，其中热源分布采用实验矫正的方法进行处理，同时考虑熔 硕士学位论丈 池对流、辐射及传热对温度分布的影响，其残余应力的计算结果与采用中子衍 射测得的结果吻合很好。加拿大的c h i d i a c 等人研究厚板焊接过程的应力应变及 残余应力的分布，其中涉及三维加热模型，并考虑显微组织的变化和晶体生长 等影响因素。 与焊接温度场的有限元分析类似，焊接热弹塑性有限元分析过去大都局限 于二维问题，三维问题的研究是九十年代才开始的。l e l i n g d r e n 采用壳单元对 平板对接焊缝和薄壁管道环焊缝的残余应力进行研究。结果表明，由于相变引 起的容积变化使得环向压应力区从焊缝中心沿着轴线逐渐减小。除起焊端外， 残余应力近于呈轴对称分布。该结果与试验数据吻合较好，说明壳单元在分析 薄壁材料焊接残余应力和变形时，具有实际意义。t s l i a n g t e n g 采用有限元法估 计t 型接头的焊接残余应力和变形，利用生死单元技术模拟t 型接头的焊缝填 充过程，讨论了凸缘厚度、焊接熔池深度和约束条件对残余应力的影响。他还 利用生死单元评估单道对接焊、多道对接焊、环形焊接的残余应力，讨论了各 种因素，如壁厚、不同补焊尺寸等，对焊接残余应力的影响。2 0 0 1 年美国的z c a o 等对复杂构件的三维多道焊热流过程进行了研究，该方法是通过分析边界条件 的热传导损失的热量来分析复杂结构中的多道焊曲边焊道，并且用辅助热源弥 补热损失，用a b a q u s 软件分析了残余应力与变形。 我国在计算机分析焊接应力学方面起步较晚，但发展迅速。8 0 年代，西安 交通大学在单面焊终端裂纹的力学机制和焊接应力数值模拟等进行了研究。上 海交通大学焊接教研室在焊接热传导的数值分析方面做了许多工作。特别是对 非线性瞬态温度场进行了有限元分析，提出了求解非线性热传导方程的变步长 外推法，并编制了二维热弹塑性有限元分析程序，计算了平板对接焊时应力和 变形的发展过程以及残余应力分布，许多研究成果已成功应用于工程实际。关 桥等人编制了用于进行平板轴对称焊接应力和焊接变形的有限差分和有限元程 序，对薄板氢弧点状热的应力和变形进行了计算，该分析仅限于点状热源。孟 繁森等利用迭代解法研制了计算焊接过程应力应变程序和图形显示程序，分析 了板条边沿堆焊时的应力和应变的发展过程。天津大学材料学院的陈俊梅利用 a n s y s 软件对q 2 3 5 b 钢十字接头的焊接残余应力进行了有限元计算。2 0 0 1 年 清华大学的鹿安理等对厚板焊接过程温度场、应力场进行了数值模拟。在简单 第1 章绪论 构件的基础上进行了焊接过程三维数值模拟初步研究，并且采用了热耦合算法， 但只考虑了温度场对应力应变的耦合作用，而没有考虑应力应变场对温度场的 作用。薛忠明认为连续统力学、现代数值方法和计算机技术相结合可以作为计 算焊接残余应力的主要工具。方洪渊等采用非线性有限元技术，以l f 6 铝合金 薄板平面内环焊缝的焊接为例，对常规焊接条件下温度场和应力场进行了模拟， 结合弹性稳定理论对环焊缝焊接生产的特殊变形规律进行了研究。薛小龙等应 用a b a q u s 软件，对多道焊t 形接头的温度场和应力场进行了数值模拟，选 用三维实体单元，考虑了材料物理性能随温度和相变的影响，运用单元生死技 术模拟多道焊过程，获得了焊接温度场和应力场的动态变化过程。蒋文春等利 用有限元软件，开发了一个顺次耦合的焊接热应力计算程序，讨论坡口形式、 线能量、半管间距等参数的变化对焊接残余应力的影响。陈虎等针对两种典型 的封闭环焊缝一圆盘镶块和平板垂直接管的多道焊接进行了三维数值模拟，得 到了焊接的热循环过程及焊后残余应力分布。 国内的蒋文春、陈虎等对残余应力的模拟分析中考虑了焊缝的不匹配、焊层 的划分、焊接的层数、焊接速度及焊后热处理等对残余应力的影响【1 卜1 6 1 。国外 的a h y a g h i 、t h h y d e 、a a b e c k e r 、w s u n l l 7 1 9 】等人也对以上影响因素进 行了研究。 ( 2 ) 焊接残余应力数值模拟的发展趋势 如何调整和控制焊接残余应力一直是工程界广泛关注的问题，这是因为它们 的存在直接关系到焊接结构的安全可靠性。在计算机日益发展的今天，采用数 值模拟方法预测焊接残余应力已经取得了丰硕的成果。如厚板焊接残余应力分 析以及为降低和调整管道结构后内表面残余拉应力所提出的许多焊接工艺与方 法应经取得了应用。这些都是采用过去常规的解析手段难以实现的。但这还远 远不能满足科学研究和实际工作的需要。例如，要用数值模拟分析的方法控制 实际复杂焊接结构的残余应力尚存在很多问题，目前一个比较重要的问题是材 料性能，特别是高温时材料性能数据还很缺乏，给焊接残余应力数值分析带来 了许多困难。因此，建立相应的材料特性数据库，也会促进焊接残余应力数值 模拟技术的发展。其次，由于焊接应力场计算是属于包括相变、塑性、非线性 等多方面因素影响的热弹塑性问题，尤其是焊后冷却过程中发生的相变体积膨 硕士学位论文 胀，严重影响残余应力的分布。因此，在关于焊接残余应力数值分析中应该充 分考虑到相变作用的影响。 另外，随着计算机软、硬件及有限元软件技术的发展，焊接残余应力数值模 拟技术的不断完善，模拟结构也向着三维化、整体化、精密化方向发展，模拟 范围不仅包括各种焊接方法，而且包括各种焊接模型、结构及相关环境条件与 理化过程。焊接数值模拟技术必将向着智能化方向发展，而焊接中各阶段计算 由计算机来完成，操作者只需要输入焊接方法和焊件的几何尺寸，计算机会给 出最佳的焊接工艺参数，使焊接残余应力最小，组织性能最好，使焊接技术随 之向着科学化、智能化方向发展。 1 3 3 厚板焊接残余应力研究现状 焊接残余应力的分布状态，依据焊接结构的厚度尺寸的不同，而存在显著 的差异。厚度为2 0 m m 1 0 0 m m 的厚板为中厚板，超过1 0 0 m m 的为超厚板。多 年来的研究主要集中在薄板焊接残余应力的测量和分布上。对于厚板的研究， 受到理论和测量方法的限制，发展并不快。但随着时代的发展，大厚度的焊件 在工业生产与加工制造领域的应用越来越广泛，与之相随，人们对厚板焊接残 余应力分布的兴趣也随着工程实际的需要而日渐增大。在确定焊接残余应力时， 需要有完善的测量手段与成熟的技术路线，现今，测定焊接残余应力的方法主 要可归纳为：应力松弛法、x 射线衍射法、基于应力敏感特性的方法以及裂纹方 法。厚板中的焊接残余应力表现为错综复杂的三轴应力状态，目前，对于三维 残余应力的测量，主要的方法有：套取芯棒法：内孔直接贴片法，使用环形槽释放 应变，测量构件内部三轴残余应力；固有应变法：r n 法。 ( 1 ) 套取芯棒法：在被测量处，钻一个通孔或盲孔，向其浇注有机树脂， 再将按不同的孔深贴有应变片的特制骨架放入孔中。待树脂固化后，将小孔连 同其周围的金属套取出来，即可测量此处的应变并计算应力。 ( 2 ) 内孔直接贴片法：由黄守勤等人率先提出。在被测量部位，钻一个内 孔，按不同的深度将应变片直接贴在孔的内壁上，然后套取芯棒，测量释放的 应变。 ( 3 ) 环形槽释放应变法：钻一个窄而深的盲孔到达要测量残余应力的部位， 第1 章绪论 在孔内放置小型纵向应变测量装置，然后切除包括孔和测量元件在内的相关体 积，以释放应力和应变，测量构件内部三轴残余应力。 ( 4 ) 固有应变法：1 9 7 9 年，日本上田幸雄提出了，利用少数测点来估计焊 缝及其附近区域的固有应变( 残余塑性变形) ，然后利用有限元法求出其它未测 点的残余应力分布。 ( 5 ) r - n 法：1 9 4 5 年，美国o r o s e n t h a l 和j t n o r t o n 首次提出。 1 9 7 9 年，日本神户制钢中心研究所高桥英司等人提出关于r - n 全释放解剖 法的新解释。该方法测定三向焊接残余应力时，制各了两块同样的试板，一块 是沿焊缝轴向切取纵向薄片，测试轴向应变，并计算出轴向应力。另一块为沿 垂直焊缝方向切取横向薄片，测试横向应变，并计算横向应力。1 9 9 8 年，中国 科学金属研究所，陈怀宁等人对复合焊接试板进行了逆焊接加热处理形成压缩 残余应力的试验，提出了针对r - n 全释放解剖法的修正检测程序，用该方法测 定了板厚方向的三维应力的分布，试验中试验试件的板厚为3 5 m m 。一致认为， 应力梯度对测量有很大影响。由于厚板中的焊接残余应力状态不再满足简单的 平面应力模型，并且厚板焊接结构中三个方向的残余应力在厚度方向上的分布 也极其的不均匀，因而，目前对于厚板焊接残余应力的测试主要用到的是应力 松弛法中的条形切割解体法。它的主要原理是通过对试件进行切割，以释放沿 次要方向的残余应力，只测量对构件承载力有较大影响的残余应力，这时，厚 板焊接残余应力从三轴的复杂应力状态转变为了简单的应力状态。切割法，最 初是由j o h n s t o n 和l u x i o n 在f r i t z 实验室所采用的。现在，人们普遍地将这一 方法的测试结果用作评价其他各种方法的测试结果的标准。 1 4 本文的主要研究内容和意义 1 4 1 研究内容 国产化e o 反应器筒体材质采用国产1 3 m n n i m o r 钢板替代进口s a 5 4 3b 1 板材。根据初算结果，国产e o 反应器若采用1 3 m n n i m o r 作壳体材料时壁厚 约在1 1 0 m m 左右，其焊接制造均属于难度很大的特厚板焊接。特厚钢板构件的 主要焊缝形式为坡口焊，坡口深，焊缝熔覆金属多、焊接热输入量大，从而导致 硕士学位论文 钢板焊接时焊接收缩量大，焊接应力大，易产生变形，控制难度大，而且焊接 变形一旦发生，矫正非常困难。厚板焊接不可避免的带来较高的焊接残余应力 水平，这就有必要对焊接残余应力水平进行有效的控制。 本文主要研究内容如下： ( 1 ) 使用与实际相同的焊接工艺制作焊接试板，焊接前在试板表面及内部 布置热电偶，测量焊接过程中焊缝周围的温度场变化，将采集到的数据用于优 化焊接温度场数值模拟的有限元模型，使之更贴近真实的焊接过程。 ( 2 ) 在对焊接温度场进行准确模拟的基础上，采用有限元方法分别对焊接 试板以及e o 反应器实际筒体焊接过程进行模拟，研究其焊接残余应力的分布 规律。 ( 3 ) 通过改变焊接工艺参数，探讨为优化焊接工艺提供依据，从焊接残余 应力产生的源头上对焊接残余应力水平进行控制。 ( 4 ) 焊后热处理是降低焊接残余应力的重要手段。本文针对e o 反应器中 的筒节的对接焊缝在热处理前后的焊接残余应力分布进行模拟，对比分析不同 焊后热处理温度对降低焊接残余应力的效果，验证焊后热处理工艺的合理性。 1 4 2 研究意义 筒体的焊接是反应器设计、制造中关键的技术之一，焊接质量的好坏将直 接影响反应器的安全性及寿命，如果焊接工艺不合理，致使焊接残余应力过大， 由此产生的腐蚀与变形将会产生严重反应器的使用。 在工业使用期间，为了更好地控制中厚板的焊接质量，防止焊接变形、减小 残余应力，须对焊接过程进行相关的预测，这就有必要对焊接过程中的温度场 做有效地分析。因此，在焊接过程中，使用相关仪器测量焊接温度场就十分必要。 随着计算机技术的发展，有限元法在焊接残余应力计算中得到了广泛的应 用，并得到试验方法的验证。目前，在焊接残余应力计算方面，发展趋势是利 用有限元法对焊接工艺进行优化以降低残余应力，同时将焊接残余应力引入结 构完整性评价中去，为工程实践提供指导。焊接过程中，焊接件产生变形、内 部残留有内应力是不可避免的，但可以根据产生机理和规律寻找一些措施来有 效的控制它，使之危害程度降至最小。 第1 章绪论 因此，为了较好的控制焊接过程中的焊接质量，优化焊接工艺，降低残余 应力，针对e o 反应器采用国产材料的制造过程中的焊接残余应力展开攻关研 究，为生产制造过程提供数据支持和理论指导，提高国内大型设备设计、制造 的能力，打破国外技术垄断，降低国内大型石化装置建设及运行成本，对于保 证e o 反应器国产化的质量水平以及投入实际使用后的生产能力和安全运行都 有着重要的意义。 硕士学位论文 2 1引言 第2 章厚板焊接温度场的测量与分析 目前大多数依靠焊接手段而形成的厚板结构，由于焊接残余应力的存在， 其使用性能将受到直接的影响。随着厚板构件在高层及大跨结构中的广泛应用， 厚板内焊接残余应力的影响也加大了，特别是当焊接构件的板厚增加到一定的 厚度时，焊接残余应力己不再是一个常量，并且还有可能达到较高的数值。因 此，从此方面来说，研究厚板的焊接残余应力的大小和分布规律具有重要的现 实意义。 但利用试验的方法来测定厚板各个方向的残余应力的难度和花费都较大， 并且还只能得到部分点的残余应力值，不能得到残余应力分布区域和变化的具 体云图，这一直是厚板焊接残余应力研究的一道障碍。直到有限元数值模拟的 出现，才较好的解决了这个问题，从而也对实际工程中的应用产生了重大影响。 国内外焊接工作者们对于焊接残余应力的研究从未放慢过脚步。19 9 3 年，美国 能源部组织美国、加拿大、日本、瑞典和英国等2 5 位著名专家对2 1 世纪焊接 科学技术的发展动向作出预测，其中焊接基本现象与基础理论的研究被列为最 重要的研究方向之一。我国国家自然科学基金委员会制定的学科发展战略也将 焊接学的理论研究与模拟确定为机械热j j h q - 领域的发展方向之一。在研究焊接 过程中产生的热应力时，有效、稳定的温度场是准确模拟热应力的重要因素。 如果获得了较精确的温度场的分布，那么，所求得应力场及残余应力场的结果 也就比较准确可靠。因此，可以采用测量温度场的方法，验证并优化模型质量 与网格划分，以优化后的模型的温度场为载荷，获得整个构件的残余应力分布 和变化规律。 本文采用k 型热电偶，参考文献资料 2 2 】，运用深孔测量方法，实际测量 1 3 m n n i m o r 厚板焊接过程中焊板表面及内部的温度，实时记录并输出测量数 据。运用大型通用有限元分析软件a b a q u s 建立有限元模型，模拟计算 1 3 m n n i m o r 厚板焊接过程中的温度场。通过将焊接温度场模拟计算结果与实 际测量数据进行对比分析，验证有限元模型的合理性。 第2 章厚板焊接温度场的测量与分析 2 21 3 m n n i m o r 钢厚板焊接温度场测量 2 2 11 3 m n n i m o r 钢焊接试板的制作 13 m n n i m o r 厚板焊接试件由两块5 0 0 2 0 0 7 2 m m 板材采用双u 型坡口埋 弧自动焊焊接而成。焊板材料成分如表2 1 所示，有关的焊接工艺参数如表2 2 所示。 表2 - i13 m n n i m o r 的化学成分 t a b l e 2 1t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no f13 m n n i m o r 表2 - 2 焊接工艺 t a b l e 2 2w e l d i n gp r o c e s s ( 1 ) 焊接前准备 焊接前对焊接部位及两侧2 0 m m 范围内要清除氧化膜、铁锈、