双平板封头结构的焊接残余应力有限元模拟.pdf

双平板封头结构的焊接残余应力有限元模拟 徐君 臣 王泽武 银建中 1 大连理工大学 化工机械学院 辽宁 大连1 1 6 0 2 4 2 惠生工程 中国 有限公司 上海2 0 1 2 0 3 摘 要 双平板封头结构最常见的问题是面板与工艺接管焊接部位开裂引起泄漏 而焊接残余应力 是重要的影响因素之一 基于A N S Y S软件中的A P D L语言 单元生死技术以及热 一 结构间接耦合 法对双平板封头结构焊接温度场 应力场进行 了数值模拟 获得了焊接残余应力的大小与分布规 律 计算结果表明 在焊缝区环向应力水平较高 易诱使焊缝开裂失效 在焊缝附近区域产生了较 大压应力 主要是 由于焊缝 区材料受热向外膨胀而产生 模拟结果为焊接残余应力评定 控制焊接 残余应力提供了理论依据 并对提高双平板封头结构的可靠性和安全性具有重要意义 关键词 双平板封头 焊接残余应力 有限元 单元生死技术 中图分类号 T H1 2 3 0 2 4 1 8 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 4 8 3 7 2 0 1 3 o 9 0 0 3 1 0 8 d o i l 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 4 8 3 7 2 0 1 3 0 9 0 0 5 F i n i t e El e me n t S i mu l a t i o n o f W e l d i n g Re s i d u a l S t r e s s o f Do ub l e l a y e r Fl a t He a d S t r u c t ur e XU J u n c h e n W ANG Ze WU YI N J i a n z h o n g 1 S c h o o l o f C h e mi c a l Ma c h i n e r y D al i a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y D al i a n 1 1 6 0 2 4 C h i n a 2 Wi s o n E n g i n e e r i n g C o L t d S h a n g h a i 2 0 1 2 0 3 C h i n a Ab s t r a c t T h e k e y p r o b l e m o f d o u b l e l a y e r fi a t h e a d s t r u c t u r e i s t h e l e a k a g e i n d u c e d b y t h e c r a c k i n t h e we l d i n g p o s i t i o n b e t we e n t h e p a n e l a n d the n o z z l e We l d i n g r e s i d u a l s t r e s s i s o n e o f t h e ma i n i n fl u e n t i al f a c t o r s I n t h i s w o r k n u me r i c al s i mu l a t i o n o n w e l d i n g t e mp e r a t u r e fi e l d a n d t h e r ma l s t r e s s o f d o u b l e l a y e r fi a t h e a d s t r u c t u r e w a s c a r ri e d o u t b a s e d o n AP DL o f ANS YS s o f t wa r e e l e me n t b i r t h a n d d e a t h t e c h n o l o g y a n d t h e rm al me c h a n i c al c o u p l i n g me t h o d a n d t h e d i s t r i b u t i o n l a w o f we l d i n g r e s i d u al s t r e s s wa s fou n d o u t T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e h o o p s t r e s s i s mu c h l a r g e r a t t h e we l d i n g z o n e wh i c h e a s i l y i n d u c e s t h e c r a c k i n g a n d l e a k a g e s o me t i me s T h e c o mp r e s s i v e s t r e s s i s v e r y h i g h n e a r t h e w e l d i n g z o n e an d i t i s ma i n l y c a u s e d b y t h e e x p a n s i o n o f h e a t i n g we l d i n g ma t e r i a1 Th e a n aly s i s f r o m c alc u l a t i o n r e s u l t s p r o v i d e s s o me t h e o ry r e f e r e n c e s f o r e v a l u a t i n g a n d c o n t r o l l i n g t h e w e l d i n g r e s i d u al s t r e s s I t i s o f g r e a t s i g n i fi c a n c e f o r i n c r e a s i n g the r e l i a b i l i t y a n d s a f e t y o f d o u b l e l a y e r fi a t h e a d s t r u c t u r e Ke y wo r d s d o u b l e l a y e r fi a t h e a d w e l d i n g r e s i d u a l s t r e s s fi n i t e e l e me n t e l e me n t b i rt h an d d e a t h t e c h no l o gy 3 1 双平板封头结构的焊接残余应力有限元模拟 V o 1 3 0 N o 9 2 0 1 3 0 引言 石油 化工等行业广泛应用的夹套结构在交 变载荷条件下工作时 夹套中的焊缝会发生开裂 而导致冷却介质泄漏 经研究 焊接残余应力是导 致焊缝开裂的重要原 因之一 图 1示出某高温反 应器下端部双层夹套式平板封头结构和接管局部 放大图 一一一 板 管 I I a 双平板 封头结构示意 不按 比例 b 接管局部放大图 图1 双层夹套式平板封头结构和接管局部放大图 该结构主要 由上面板 下面板以及具有特殊 用途的工艺接管组 成 夹套 内充满冷却水对上 面 板进行冷却 能够很好地控制结构在热载荷作用 下产生的热应力与热位移 然而 由于该结构承 受高温载荷与机械载荷 在 面板与工艺接管连接 的焊缝处会产生较 大拉应力 叠加焊缝区已存在 32 的焊接残余应力 容易形成较高 的应力集 中 夹 套焊接部位的残余应力取决 于焊接工艺 结构形 式和材料性能 直接影响双平板封头结构的强度 和疲劳寿命 准确计算焊接残余应力是对双平板 封头结构进行强度评定与寿命评估的重要环节 采用有限元等数值计算通用软件对焊接残余 应力 模 拟得 到 了广 泛应 用 王 和 慧等 采用 A N S Y S 软件对还原炉挠性夹套 的焊接残余应力进 行了数值模拟 蒋文春等 采用内生热法分别 对换热器管子与管板焊接接头和 3 0 4半管夹套 焊接部位的残余应力进行 了数值模拟 张国栋 等 5 模拟了3 0 4不锈钢蜂窝夹套 的塞焊和填角焊 两种焊 接 方 式 对 焊 接残 余 应 力 的影 响 T E N G 等 采用有限元软件 A N S Y S研究了焊件尺寸 焊 接速度 预热温度以及外部约束条件等因素对薄 板焊接残余应力与变形的影响 此外 F A S S A N I 等 采用多道焊对平盖焊接的熔化 区 热影响 区 温度进行了预测 同时考察了高斯热源模型和集 中热源模型对计算结果的影 响 D E N G等 8 采 用有限元软件模拟了三维 3 0 4不锈钢管对接焊模 型的焊接残余应力 计算结果与试验值非常吻合 X U等 采用内生热法对换热器管板与换热管焊 接残余应力进行了数值模拟 基于前人研究成 果 文中以图 1所示双平板封头焊接结构为研究 对象 基 于 A P D L语言 单元生死技术 以及热 一结 构间接法对某高温反应器双平板封头结构焊接温 度场 应力场进行三维数值模拟 以期为此焊接结 构残余应力评定 控制焊接残余应力提供理论依 据 1 双平板封头焊接模拟的有限元建模 1 1 有限元网格划分 双平板封头结构 中由于工艺接管数量较 少 在焊接时 工艺接管之间相互影响较小 可以对其 中一个工艺接管与面板连接的焊接模型进行有限 元分析 考虑焊接结构具有空间轴对称特点 可 以根据几何模型建立其 1 4对称有限元模型 如 图 2所示 采用 A N S Y S中三维实体热单元 S o l i d 7 0对 焊接结构进行热分析 该单元有 8 个节点 每个节 点有 1 个温度 自由度 采用热 一 结构间接耦合法 进行焊接残余应力数值模拟 热单元 S o l i d 7 0自 第 3 O卷第 9期 压 力 容 器 总第 2 5 0期 动转换成结构单元 S o l i d 1 8 5 该单元有 8 个节点 每个节点有 3个位移 自由度 对塑性 蠕变 超 弹 性 应力强化 大变形以及大应变等问题有很好的 处理能力 由于焊缝区是重点关注 的区域 因此 在焊缝 区及其附近区域 网格划分 比较密集 根据 实际焊接工艺要求 上 下面板与工艺接管之间的 焊缝均采用 8道焊 建立模型时要将 8道焊缝 区 域分区划分网格 为实施单元生死技术做准备 1 2 材料性能与焊接工艺参数 工艺接管与上 下 面板 的材料均 为 3 1 6 L 材 料的抗 拉 强 度 为 5 5 0 MP a 1 2 许 用 应 力 为 1 3 7 MP a 固相线 1 4 2 0 o C 液相线 1 4 6 0 潜热为 3 0 0 k J k g 材料的本构关 系采用 随温度变化 的双线 性随动硬化弹塑性模型 即材料屈 服后 的强化模 量是屈服前弹性模量 的 1 1 0 焊条 与母 材采用 统一的随温度变化 的热物理性能参数 并假定材 料在 1 5 0 0 以上高温状态下物理性能一致 如表 1所示 引 入 2 5 导 y 图 2 焊接结构有限元模型 表 1 不 同温 度下 3 1 6 L的力学和热物理性能 温度 比热 热传导率 屈服强度 线膨胀系数 弹性模量 密度 J k g K J k g K MP a 1 0 K一 G P a 泊松比 k g m 一 2 O 4 7 0 1 3 3 1 2 7 8 1 5 2 4 1 9 5 1 0 2 6 7 7 9 6 6 1 0 o 4 8 7 1 4 6 8 2 3 3 1 5 8 0 1 9 1 2 0 2 7 3 7 9 3 7 3 0 0 5 2 9 1 7 9 3 1 6 8 1 6 9 7 1 7 9 6 O 31 7 8 5 7 5 0 o 5 7 1 2 O 9 6 1 4 6 l 7 8 5 1 6 4 5 0 3 1 3 7 7 6 9 l O 0 o 6 7 6 2 7 5 3 4 5 1 9 3 8 1 0 0 1 0 2 2 9 7 5 3 5 1 5 0 0 7 6 5 3 2 3 2 0 7 2 0 0 2 2 3 7 3 2 0 2 0 o O 7 6 5 3 2 3 2 O 7 2 0 0 2 2 3 7 3 2 0 3 0 o 0 7 6 5 3 2 3 2 O 7 2 O 0 2 2 3 7 3 2 0 根据制造工艺要求 先对工艺接管与上面板 之 间的焊缝进 行焊接 焊接方式为手工氩 弧焊 然后对工艺接管与下 面板之 间的焊缝进行焊接 对坡 口处 l一4道焊缝采用手 工氩弧焊 5 8道 焊缝 采用焊条 电弧焊 焊接工艺参数如表 2所 示 表 2 焊接工艺参数 焊接电流 焊接电压 焊接速度 焊 口形式 焊接方法 焊接材料 母材 保护气体 e m mi n 坡口焊 手工氩弧焊 E R 5 0一G 3 1 6 L 1 4 0 1 6 0 1 4 l 6 5 1 O 9 9 9 9 A r 表面堆焊 焊条电弧焊 E 5 0 1 5 J 5 0 7 3 1 6 L 1 1 0 1 3 0 1 6 1 8 6 1 2 3 3 C P V T 双平板封头结构的焊接残余应力有限元模拟 V o B0 N 0 9 2 0 l 3 1 3 焊接热源与初始边界条件 在模拟焊接温度场时 采用 内生热法 以生热 率的形式施加载荷 考虑焊接材料的填充作用 采 用生死单元技术 将填充的焊接材料转换成生单 元参与有限元计算 焊缝处的单元按照一定的顺 序逐个复活 并且在复活的单元上施加热流载荷 内生热率具体表达式如下 DFLU X r l U J 1 I 式中叼 电弧热效率常数 取0 7 0 卜焊接电弧的电压与电流 焊道体积 与焊道横截面积和焊接 速度有关 边界条件为在工艺接管的内外表面 上 下面 板 的上表面与下表面均设置与空气介质进行对流 换热 对流换热 系数取 2 5 W m K 在对焊 接结构进行应力分析时 位移约束条件为在工艺 接管的底端面施加 方向的约束 在上 下面板的 最右端施加全约束 在 0和 Y 0的所有面上 施加对称约束 如图 3所示 图 3 载荷与边界条件 1 4单 元 生死控 制流程 要想在焊接过程中实现单元按照焊道以及空 间坐标顺序逐次复活 则需要建立局部柱坐标系 通过控制角度范围来选择需要激活的单元 当单 元激活之后施加相应 的生热率 当进行下一个单 元焊接时 需要删除上一个单元的热载荷 而单 元的杀死与激活是一个不断重复过程 需要采用 A N S Y S软件 中的 A P D L语 言编程来实 现 在进 3 4 行焊接过程中 焊池最高温度高达 2 0 0 0 左右 当焊缝焊接完成时 直至冷却至室温再进行下一 个焊缝的焊接 2 有限元模型验证 为 了验证 有 限元模 型 的正确性 采 用文献 1 O 中的管道对接焊模型 有限元模型的几何尺 寸 材料以及焊接参数的取值都与文献相同 图 4示出管道对接焊的具体几何尺寸 为了与试验 模型类似 建立了1 2 4三维轴对称对焊接头有限 元模型 在进行焊接温度场分析时 采用单元生 死技术和内生热法 A A 图4 验证焊接有限元分析的几何模型 图 5 6分别示 出验证模型管道对焊接头外表 面沿定义路径上的轴向和环向应力分布曲线 旧 黎 一 1 0O O 1 0 O 一 20 O 0 50 1 0 0 距离 ram 图5 轴向残余应力有限元结果与试验值对比 双平板封头结构的焊接残余应力有限元模拟 V o l 3 0 N o 9 2 0 l 3 为 了更加直观查看焊接区及附近区域残余应 力的大小与分布规律 分别在焊接结构上定义了 6 条路径 具体路径位置如图8 所示 图 8 参考路径位置示意 图9示出路径 1 3上焊接残余应力分布曲 线 从图 9 a 可 以看出 工艺接管 内表面径向和 轴向应力较小 而环向应力较大 最大值为2 2 7 2 b l P a 较大的环 向应力 可能会 引起接管产生裂纹 而造成介质泄漏失效 从图 9 b 可 以看 出 在距 离为 0 2 0 m m 的焊缝 区环 向和径 向应力较大 最大值分别为 2 5 5 6和 1 6 2 2 M P a 在远离焊缝 区域 工艺接管内外表面三个方向的应力值都趋 于零 从图 9 e 可 以看 出 径 向应 力全为拉 应 力 大约在 4 0 m m的位置达到最大值 2 3 2 M P a 环向应力较大 从拉应力变化成压应力 最大拉应 力为 2 3 5 MP a 大约在 6 0 m m的位置 压应力达到 最大值 为 一2 0 2 MP a 从模拟结果可 以看出 上面板 与工艺接管之 间焊缝的最大拉应力值均远小于材料抗拉强度 5 5 0 MP a 最大拉应力接近材料屈 服强度 满足强 度设计要求 图 1 0示出路径4 6 上焊接残余应力分布曲 线 从图 1 0 a 可以看 出 轴 向应力基本为压缩 应力 最大值为 一 1 0 2 5 M P a 环向拉应力值较大 最大值为 2 1 5 M P a 从图 1 0 b 可以看出 工艺 接管外表面应力值较大 在焊缝根部环向应力值 最大 为 2 6 3 6 MP a 在焊缝附近区域 的轴向压缩 应力值最大 为一 1 4 2 8 M P a 36 3 0 0 1 5 0 善 0 一 l O0 3 0 0 皇1 5 0 O O 75 1 5O 距 离 ram a 路径 1 O 3 0 0 1 5 0 西 皇 0 倒 一1 00 2 00 75 1 5O 距离 ram b 路径 2 O 7 0 距离 ram c 路径3 图9 路径 1 3上焊接残余应力分布曲线 第 3 0卷第 9期 压 力 容 器 总第 2 5 0期 日 1 00 窖 0 3 0 O 1 5 0 查 菩 一 1 O O 20 0 3 0 0 矗 l 5 O 室 荟 一 1 0 0 2 0 0 距离 mm a 路径4 O 3 0 距 离 ram b 路径 5 O 7 O 距 离 mm c 路径 6 图 1 0 路径 4 6上焊接残余应力分布曲线 从图 l O C 可 以看 出 在工艺接管的 内表面 径向应 力 在焊 缝 附近 区域 达到 最 大值 为 2 2 5 M P a 轴向应力从压应力变成拉应力 最后趋于 零 最大轴向压应力发生在工艺接管的内表面 其 值为 一5 7 6 M P a 最大轴向拉应力发生在焊缝 区 其值为 3 5 7 M P a 环向应力从拉应力变成压 应力 最后逐渐 向零趋近 在工艺接管区域为拉应 力 当进入焊缝 区时 环 向应力突然增大 最大值 为 2 4 8 5 MP a 在焊缝附近区域产生 了压应力 最 大值为 一1 7 3 8 MP a 同样 从模拟结果可以看出 下面板与工艺接 管之间焊缝的最大拉应力值均远小于材料抗拉强 度 5 5 0 MP a 最大拉应力接近材料屈服强度 同样 满足强度设计要求 4结论 1 基于 A N S Y S软件 中的 A P D L语 言编写 了焊接程序 采用单元生死技术 内生热法 以及热 一 结构间接耦合法对某高温反应器双平板封头结 构焊接残余应力进行了三维数值模拟 获得了焊 接结构残余应力的大小与分布规律 为双平板封 头结构强度评定和寿命评估提供了有效方法和定 量依据 2 焊缝区拉应力值较大 焊缝周 围区域压 应力值较大 在接管与上 下面板连接的焊缝处 最大径 向应力 为 2 8 6 MP a 最大环 向应力 为 2 7 7 MP a 上述最大拉应力均 出现 在焊缝 根部 可 能 会引起焊缝区产生裂纹而造成介 质泄漏失效 需 要进行适当热处理以降低残余应力 提高焊接部 位承载能力 参考文献 1 王和慧 鞠峰 还原炉挠性夹套的焊接残余应力有 限元模拟 J 压力容器 2 0 1 2 2 9 4 2 3 2 9 2 蒋文春 巩建鸣 陈虎 等 换热器管子与管板焊接 接头残 余 应力 数 值 模拟 J 焊 接学 报 2 0 0 6 2 7 1 2 1 4 3 蒋文春 巩建鸣 陈虎 等 S S 3 0 4半管夹套焊接部位 残余应力三维有 限元模 拟 J 焊接 学报 2 0 0 6 2 7 1 0 7 7 8 0 4 蒋文春 巩建鸣 陈虎 等 3 0 4不锈钢半管夹套焊接 部位残余应力有 限元模拟 J 压力容器 2 0 0 6 3 7 C P V T 双平板封头结构的焊接残余应力有限元模拟 2 3 5 2 5 2 8 5 张国栋 李征 周昌玉 蜂窝夹套结构焊接接头的应 力强度分析 J 焊接学报 2 0 0 7 2 8 1 2 8 1 8 4 6 T E N G T L L I N C C E ff e c t o f We l d i n g C o n d i t i o n s o n R e s i d u a l S t r e s s e s d u e t o B u t t We l d s J I n t e r n a t i o n al J o u rna l o f P re s s u r e V e s s e l s a n d P i p i n g 1 9 9 8 7 5 1 2 8 5 7 8 6 4 7 F A S S A N I R T R E V I S A N O A n al y t i c al M o d e l i n g o f Mu h i p a s s We l d i n g P r o c e s s wi t h Di s t ri b u t e d He a t S o u r c e J J o u r n al o f t h e B r a z i l i an S o c i e t y o f Me c h ani c al S c i e n c e s a n d E n g i n e e r i n g 2 0 0 3 2 5 3 3 0 2 3 05 8 D E N G D MU R AK A WA H N u me r i c al S i mu l a t i o n o f T e mp e r a t u re F i e l d a n d Re s i d u a l S t r e s s i n Mu l t i p a s s We l d s i n S t a i n l e s s S t e e l P i p e a n d C o mp a ri s o n w i t h E x p e ri me n t al Me asu r e m e n t s J C o m p u t a t i o n a l Ma t e ri al s S c i e n c e 2 0 0 6 3 7 3 2 6 9 2 7 7 9 A K B A R I D S A r l T A R I F a r I E ff e c t o f th e We l d i n g He a t I n p u t o n Re s i d u a l S t r e s s e s i n B u t t we l d s o f D i s s i mi l a r P i p e J o i n t s J I n t e rna t i o n al J o u rnal o f P r e s s u r e V e s s e l s a n d P i p i n g 2 0 0 9 8 6 1 1 7 6 9 7 7 6 1 0 S A T r A R I F a r I F A R A H A N I M R E ff e c t o f t h e W e l d Groo v e S h a p e an d P a s s Nu mb e r o n Re s i d u a l S t r e s s e s i n B u t t w e l d e d P i p e s J I n t e rna t i o n al J o u r n al o f P r e s s u r e Ve s s e l s a n d P i p i n g 2 0 0 9 8 6 1 1 7 2 3 7 3 1 1 1 X U S h u g e n WA N G We i q i ang N u m e r i c al I n v e s t i g a t i o n o n W e l d Re s i d u al S t r e s s e s i n T u b e t o T u b e S h e e t J o i n t o f a H e a t E x c h ang e r J I n t e rna t i o n al J o u rnal o f P r e s s u r e Ve s s e l s a n d P i p i n g 2 0 1 3 1 0 1 3 7 4 4 1 2 潘家祯 压力容器材料实用手册 碳钢及合金 钢 M 北京 化学工业出版社 2 0 0 0 1 3 D O N G P R e s i d u al S t r e s s A n a l y s e s o f a M u l t i p a s s G i r t h We l d 3一D S p e c i al S h e l l Ve r s u s A x i s y mme t ri c M o d e l s J J o u rnal o f P r e s s u r e V e s s e l T e c h n o l o g y 2 0 0 1 1 2 3 2 2 0 7 2 1 3 1 4 D E N G D MU R A K A WA H LIA N G W N u me r i c al a n d E x p e r i me n t al I n v e s t i g a t i o n s o n W e l d i n g Re s i d u al S t r e s s i n Mu l t i p a s s Bu t t we l d e d Au s t e n i t i c S t a i n l e s s S t e e l P i p e J C o m p u t a t i o n a l Ma t e ri a l s S