基于焊接仿真的承壓管道開孔設(shè)計分析

吳海輝 王峰照 覃全寧 陳明亞 高紅波 周 帥

（1.臺山核電合營有限責(zé)任公司；2.蘇州熱工研究院有限公司）

在電廠管道安裝和實際運行過程中，存在異物進入承壓管道的可能性，需進行異物取出等計劃之外的操作，由于工藝或結(jié)構(gòu)上的要求和施工環(huán)境條件的限制，常見的做法是對管道整體進行切割，實施完所需操作后再進行回焊［1，2］。 在對管道進行開孔回焊后， 補強區(qū)域會形成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、材料不連續(xù)區(qū)，因此承壓管道的開孔設(shè)計分析對保障管道系統(tǒng)的完整性具有重要意義［3，4］。

研究表明，管道開孔后，由于其結(jié)構(gòu)連續(xù)性被破壞，使得開孔邊緣產(chǎn)生很高的局部應(yīng)力，在靠近開口邊界的區(qū)域， 存在超過管道材料屈服應(yīng)力的高梯度應(yīng)力集中和應(yīng)力峰值， 影響了管道的整體力學(xué)性能［5，6］。 此外，焊接殘余應(yīng)力和局部加熱引起的焊接變形也是焊接結(jié)構(gòu)存在的主要問題之一［7］。 焊接區(qū)域內(nèi)及其周圍產(chǎn)生的殘余應(yīng)力對焊接件的結(jié)構(gòu)完整性存在明顯的影響， 會促進脆性斷裂、降低疲勞壽命，并促進應(yīng)力腐蝕開裂［8］。 同時，由于切割邊界處形狀復(fù)雜，在生產(chǎn)中亦容易形成各種焊接缺陷。 因此在承壓管道開孔設(shè)計分析中有必要同時考慮結(jié)構(gòu)不連續(xù)性和焊接殘余應(yīng)力的影響， 此過程涉及焊接過程仿真分析、結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析評價等內(nèi)容。 焊接仿真需要進行復(fù)雜的數(shù)值仿真，在開孔尺寸較大時直接回焊開孔結(jié)構(gòu)常會引起較大的焊接變形［9］。

基于上述原因，筆者提出了一種在管道中開孔（依據(jù)工藝要求確定孔的大小）并采用支管焊接（BOSS 頭型式）回堵的操作形式，并對該操作形式進行了結(jié)構(gòu)強度分析、焊接殘余應(yīng)力和變形快速仿真分析。

1 理論分析模型

1.1 管道開孔模型

圖1 為管道開孔外接接管示意圖。 由于接管的內(nèi)徑比主管的小，因此其壁厚也可明顯小于主管的壁厚，而且為便于后續(xù)的再維修，接管可以采用安裝可拆卸的法蘭封頭、螺栓堵頭等形式進行封堵。

圖1 管道開孔外接接管示意圖

為便于力學(xué)建模分析，通常可以要求接管開孔位置離最近的不連續(xù)區(qū)域的距離L滿足以下要求：

式中 Di——開孔的直徑；

t——保守地取為主管道的壁厚。

1.2 焊接仿真模型

接管需要通過焊接（BOSS 頭型式）與主管道相連。 在結(jié)構(gòu)分析中需要進行焊接過程的仿真分析。為真實模擬管道的焊接過程，有限元數(shù)值仿真分析中多采用分層、分道的形式模擬焊接過程［9］。在三維分析模型中，每個“焊道”由不同“焊接單元塊”組成，其中“焊接單元塊”又由三維有限元單元——“焊接單元”組成。 即，“焊接單元”連接成為“焊接單元塊”，“焊接單元塊”按順序焊接形成“焊道”［10］。

目前在工業(yè)應(yīng)用中，焊接過程的數(shù)值仿真方法基本相似，即在短時間內(nèi)將熱能添加到有限元模型中的“焊接單元”，然后停止能量加入，通過熱傳導(dǎo)形成模型的反復(fù)加熱、冷卻過程。 其中，移動“雙橢球型熱源”是模擬焊接過程最精確的方法。 在軸對稱模型中，焊接產(chǎn)生的熱能同時有效地施加在焊縫長度方向上；在模擬中，邊界條件為表面對流和輻射傳熱。

式中 a，b，c——雙橢球熱源在x、y、z方向上的半軸長度；

I——焊接電弧電流；

t——焊接電弧的加熱時間；

t0——電弧加熱熱流達到峰值的時刻；

U——焊接電弧電壓；

V——焊接電弧移動速度；

η——電弧熱效率；

（χ，ζ）——焊縫各點的空間坐標(biāo)；

（χ0，ζ0）——雙橢球熱源中心位置。

式（2）所示的方法實踐過程較復(fù)雜，通過單元體均勻體積加熱的方法（在短時間內(nèi)將熱能添加到有限元模型中的“焊接單元”）同樣可以獲得較為精確的焊接殘余應(yīng)力分布形式。 該方法操作簡單，可應(yīng)用于二維、軸對稱和三維模型。 單元體均勻體積加熱率計算方法如下：

式中 Q——熱輸入量；

tramp——焊接時間；

Vbead——焊接單元體積。

在焊接過程的數(shù)值分析中， 通過三角函數(shù)（線性斜坡）給單元體均勻體積加熱，并且在每個增量時間步長中加熱率遞增一定比例 （如5%）。三角函數(shù)只是一個初始輸入曲線，數(shù)值分析中檢查每個熱輸入增量過程中的溫度分析結(jié)果，如果單元溫度已經(jīng)達到金屬熔化溫度，則熱量輸入將立即被終止，開始單元體的冷卻。 熱輸入曲線可以在任何增量步驟上停止。 具體分析過程中的溫度檢查邏輯流程如圖2 所示。 然后，在激活下一個焊道之前自動確定焊接單元已達到所需的焊道層間溫度所需的冷卻時間。

圖2 焊接過程中溫度檢查邏輯圖控制方法

2 應(yīng)用案例

2.1 案例背景

國內(nèi)某電廠在大修期間檢查發(fā)現(xiàn)汽機旁路系統(tǒng)進入異物，受現(xiàn)場施工條件限制，采取對管道開孔的方式取出異物， 然后采用焊接BOSS 頭進行封堵，恢復(fù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整性。 該管道開孔后結(jié)構(gòu)參見圖1，相關(guān)幾何尺寸如下：

R 224 mm

Di100 mm

L 264.5 mm t130 mm t215 mm

2.2 分析建模

采用ANSYS 軟件建立開孔后的三維力學(xué)分析模型。考慮結(jié)構(gòu)的對稱性，建立1/8 的分析模型（如后續(xù)分析結(jié)果所示，開孔區(qū)域影響范圍較小，為降低模型大小，建立1/8 的分析模型），分析模型和所施加的邊界如圖3 所示。

圖3 管道開孔三維分析模型

管道開孔三維有限元模型如圖4 所示，采用SOLID185 的單元，共劃分32 532 個單元。

圖4 管道開孔三維有限元模型

2.3 設(shè)計工況強度校核

在內(nèi)壓3.5 MPa、溫度300 ℃的工況下，開孔后的管道結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布如圖5 所示。

圖5 管道結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

由圖5 可知，管道和開孔后的支管主體結(jié)構(gòu)應(yīng)力較小，主體結(jié)構(gòu)應(yīng)力在50 MPa 以下（安全裕量較大）； 由于管道開孔位置的結(jié)構(gòu)具有不連續(xù)特性，形成局部應(yīng)力集中，但應(yīng)力集中區(qū)域最大應(yīng)力較小，僅為122 MPa。

基于RCC-M 規(guī)范B 篇的分析設(shè)計準(zhǔn)則，對圖3 中兩條應(yīng)力評估路徑（路徑1、2）進行評價，評估結(jié)果列于表1。由表1 可知，管道和開孔后支管結(jié)構(gòu)薄膜應(yīng)力、 薄膜+彎曲應(yīng)力均符合分析設(shè)計準(zhǔn)則要求。

表1 分析路徑應(yīng)力評估結(jié)果

2.4 焊接過程影響分析

采用ANSYS 軟件建立管道焊接過程二維仿真分析模型，如圖6 所示，采用PLANE77 的二維單元進行分析，管道焊接二維有限元（網(wǎng)格）分析模型如圖7 所示（2002 版本RCC-M 規(guī)范并未要求進行焊接殘余應(yīng)力的分析）。

圖6 管道焊接過程仿真二維分析模型

圖7 管道焊接二維有限元（網(wǎng)格）分析模型

管道焊接焊道分布 （每種顏色代表一個焊道）如圖8 所示，依次從內(nèi)到外，從管道向支管一側(cè)逐層、逐次的焊接。 在焊接殘余應(yīng)力的有限元數(shù)值仿真分析中，分層并分道模擬焊接過程。

圖8 管道焊接焊道分布

如圖9 所示，焊接對于管道和開孔后的支管主體結(jié)構(gòu)形成的應(yīng)力影響較小，但焊縫位置形成了較大的焊接殘余應(yīng)力，在最后焊道位置處的焊接殘余應(yīng)力最大（未做焊后熱處理時，殘余應(yīng)力達到了材料的屈服強度）。

圖9 焊接后結(jié)構(gòu)應(yīng)力強度分布

參考分析設(shè)計規(guī)范， 對圖3 中兩條應(yīng)力評估路徑進行評價（管道主體結(jié)構(gòu)），評估結(jié)果見表2。

表2 管道主體結(jié)構(gòu)上分析路徑的焊接殘余應(yīng)力評估結(jié)果

由表2 可知， 薄膜應(yīng)力均滿足限值要求，且數(shù)值較小（管道的整體變形較小），但薄膜+彎曲應(yīng)力接近限值，將產(chǎn)生一定的局部變形。

焊后管道變形如圖10 所示， 焊接最大變形為0.4 mm 左右，在管道開孔處形成0.2 mm 左右的熱收縮變形，焊接變形有限。

圖10 焊后管道變形示意圖

3 結(jié)束語

針對電廠承壓管道中開孔（依據(jù)工藝要求確定孔的大小）采用支管焊接（BOSS 頭型式）回堵的操作形式，基于有限元數(shù)值仿真方法，采用焊接殘余應(yīng)力的快速仿真分析了焊接殘余應(yīng)力對某開孔承壓管道結(jié)構(gòu)強度的影響，由仿真結(jié)果可以看出，該結(jié)構(gòu)形式最大限度地降低了開孔回堵對主管道應(yīng)力和變形的影響。 同時，該操作形式具有通用性，后續(xù)可推廣到其他設(shè)備的工程應(yīng)用中，為管道的安全評價提供有益參考。