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换热器管子与管板焊接接头残余应力数值模拟点击：1837 日期：[ 2014-04-26 22:21:44 ] |
| 换热器管子与管板焊接接头残余应力数值模拟 蒋文春， 巩建呜， 陈 虎， 涂善东 (南京工业大学机械与动力工程学院，南京210009) 摘要：利用有限元软件ABAQUS，对换热器管子与管板焊接残余应力进行数值模拟，获得了焊接接头残余应力的分布规律，比较了伸出角接头和内角接头的优劣。计算结果表明，内角接头残余应力比伸出角接头小。最大径向应力出现在管板表面的热影响区，对管板表面裂纹有主要影响。最大环向应力出现在焊缝根部，对管子与管板连接失效影响较大。相邻两换热管之间，由于后面换热管的焊接加热作用，使前面管子焊缝局部应力值下降，有利于降低应力腐蚀开裂的敏感性。研究结果为优化换热器管子与管板的焊接工艺、控制残余应力提供了理论依据。 关键词：换热器；管子与管板；焊接残余应力；有限元ABAQUS 中图分类号：TG404 文献标识码：A 文章编号：0253—36ox(2oo6)12—001—04 0 序 言 换热器最主要的失效形式为管子与管板的连接失效u J。一方面，存在于焊接接头的残余应力为应力腐蚀提供了条件。另一方面，管子与管板孔之间存在间隙，壳程介质进入到间隙死角之中，会引起缝隙腐蚀。因此，换热管与管板连接处成为事故率最多部位，其连接方式成为换热器设计、制造最关键技术之一。传统换热器绝大部分采用管子伸出管板的角焊结构，内角接头作为另外一种接头形式，在国外换热器中使用较多_7J，被广泛应用于核电站蒸发器的管子与管板接头上。近年来，随着国外化工企业的大量涌入，内角接头在中国也被越来越多地使用。 目前，关于管子与管板焊接接头完整性的研究，主要集中在焊接接头失效行为的研究b ]，从设计制造等方面采取措施来控制应力腐蚀开裂。Merah 等利用有限元法研究了管子和管板间隙对接头强度的影响。文中利用有限元软件ABAQUS_9J，从焊接残余应力的角度，比较伸出角接头和内角接头的优劣。关于管子与管板焊接接头残余应力分析，国内外尚没有相关报道，而事故调查表明u。由残余应力引起的应力腐蚀失效占80％左右。因此，文中的工作对于优化管子与管板的焊接工艺，提高管子与管板焊接接头的可靠性和安全性具有重要的意义。 1 有限元模型 1．1 几何模型 某换热器，管子与管板材料均为316L，管板尺寸 1 160 nⅡn×60 mill，管子尺寸 25 mill×2．5 mill。每端792个接头，可采用伸出角接头和内角接头两种形式，如图1和图2所示。管子直径仅25 mill，间距较小，相邻管子之间焊接有影响。因此取相邻两管子之间的部位，建立二维有限元模型，图3和图4分别给出了伸出角接头与内角接头有限元模型。 1．2 有限元分析思路 利用有限元软件ABAQUS，开发了顺次耦合的焊接残余应力计算程序，先计算焊接温度场，将温度场的计算结果作为残余应力计算的预定义场，在力分析过程中从此预定义场巾凄取各节点温度，计算得到焊接残余应力 利用单元生死技术( l menIbirth technique)来实现焊缝金属的形成 采用相同的焊接工艺来计算比较两种形式接头的优劣。 1．3 有限元网格划分 焊接接头附近是最值得关注的区域，因此在焊接接头附近阿格划分较密，远离焊接接头区域较疏。图5和图6给出了两种接头附近的网格划分，温度场计算采用DC2IM单元，应力场计算采用CPE4单元 热分析和力分析使用相同的单元和节点 1．4 材料参数 管子与管板材料均为316L不锈钢，热力学性能与温度相关：假设焊材和母材材料相同，热物理性能在1 500—3 000℃状态下保持不变，这种假设的依据见参考文献[Il：。具件材料- 能见图71 固相线】420 ，液相线1 460℃．潜热为300U／kg，常温屈服强度为2"78 MPa，扰拉强度为325 MPH。 1 5 焊接热源及工艺参数 采用钨极氢弧焊．每道焊缝焊两层．电流120 A，电压17 V，速度I．5 nmgs，焊条采用A022，拨口角度均为45。。先焊换热管1，再焊换热管2。热源模型为内生热源，内生热率等于电弧有效功率除以所作用单元的体积，热流密度计算!{II公式(1)所示． 2 结果与讨论 2．1 径向应力R分布 图8给出了两种模型沿管子径向方向的径向应力，分布，最大值均出现在相邻管子焊缝之问的热影响 ，位于管板上表面，对管板表面裂纹的出现影响较大。伸出角接头最大应力值为l10 MPa，内角接头最大值为90 MPa 在管子与管板之间缝隙处，径向应力在20 MPa左右，应力值较小，对应力腐蚀开裂的影响不大。 2．2 环向应力 分布 图9分别给出了两模型沿管子圆周方向的环向应力 分布，最大值均出现在焊缝2根部，位于管子与管板之间缝隙死角附近 伸出角接头最大环向应力为291 MPa，内角接头最大为246 MPa ．环向应力较大，且焊缝根部间隙与介质接触，对应力腐蚀开裂影响很大，对管子与管板连接失效产生主要影响。与伸出角接头相比．内角接头应力值小20％ ，应力腐蚀开裂敏感性较小 这是由于采用伸出角接头，焊缝金属的受热膨胀受到周围金属的约束较大．而采用内角接头，焊缝金属受到的这种约束较小． 在管子与管板连接的焊缝根部．环向残余应力集中，且壳程介质易进人管子与管板问隙之中，为应力腐蚀开裂提供J 条件。大量文献和实践表明，换热器失效绝大部分均发生在此部位而焊缝根部又是气孔夹渣等缺陷易出现的地方，靠事后的表面检验和压力试验根本检查不出来．．因此．要加强焊接前、焊接过程中以及焊接后的检验。在焊缝第一道焊接完毕之后，先进行气密试验、着色检验以及氦气检漏等，合格后方能焊第二道 第二道焊接完毕后，再进行气密试验、着色检验、氦气榆漏、射线检验以及水压试验等。其巾，氦气检漏是国内近几年钛制容器制造过程中发展起来的，在换热器管子与管板焊接接头的检验中得到了应用，提高r换热器的密封性、可靠性和安全性 另外，采取焊前预胀或先焊后胀的方法，减小管子与管板之间的缝隙，呵减小管子与管板之间的缝隙腐蚀 ． 2．3 相邻换热管之间的影响 由图8和图9可知．由于相邻换热管之间焊缝距离较近，加上焊接加热作用．相邻管子之间产生影响。在两模型上分别取路径l和路径2(如图8昕示)．来观察管子焊接前后的应力变化(如图10和图ll所示)，由图可知．路径l和2的应力都大幅降低，这是由于后面管子2的焊接加热作用，使已焊换热管焊缝1相当于经受了热处理，应力值降低，有利于降低应力腐蚀开裂的敏感性。 3 结 论 (1)在相同焊接电流、电弧电压、焊接速度下，换热器管子与管板采用内角接头比伸出角接头残余应力小。因此，采用内角接头焊接结构，应力腐蚀开裂的敏感性较小。 (2)最大径向应力出现在相邻角焊缝之间的热影响区，位于管板表面。最大环向应力出现在焊缝根部，位于管子与管板之间缝隙死角附近，与介质接触，对管子与管板连接失效的影响较大。 (3)在相邻两换热管之间，由于焊接加热作用，使得前面已焊管子焊缝相当于经受了热处理，应力值大幅下降，后焊管子大于相邻已焊管子的焊接残余应力。 |
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