蒸汽發生器管子管板內角環焊殘余應力數值模擬研究

□ 馬小明 □ 賈明輝

華南理工大學 機械與汽車工程學院 廣州 510640

1 研究背景

筆者對某項目蒸汽發生器管子管板內角環焊殘余應力進行數值模擬研究,建立三維有限元模型,運用生死單元法實現帶狀溫度熱源的逐步加載和計算,獲得管子管板內角環焊接頭處殘余應力的分布規律，同時分析相鄰管子先后焊接對焊縫區殘余應力的影響。在不同的熱處理溫度下進行管子管板的焊后熱處理,獲得不同熱處理溫度下焊接接頭處殘余應力的變化情況,從而選擇合適的焊后熱處理溫度。

2 幾何結構和材料

管子管板整體結構由堆焊層、管板、內角環焊焊縫、換熱管四部分組成，尺寸如圖1所示。其中，管板材料為16MND5鋼板,堆焊層和管子材料為Inconel690鎳基合金,堆焊層厚度為5 mm,管板厚度為35 mm,管子尺寸為φ19.1 mm×1.1 mm,兩個管子的中心距為34.3 mm,管板尺寸為83.6 mm×49.3 mm×35 mm。

▲圖1 管子管板整體結構尺寸

3 有限元模型

在ANSYS軟件中,使用生死單元法模擬焊接,首先建立包含填充焊縫材料的完整三維模型,然后將焊縫單元定義為死單元狀態,最后通過熱源移動逐一激活焊縫各個部分進行焊接模擬。核電蒸汽發生器管板上管子數量較多,管子與管子間距較小,考慮到管子管板焊接時可能會對相鄰管子的焊接區域產生影響,筆者采用含有兩根管子的管板作為模擬研究對象,模擬件三維圖如圖2所示。

三維模型建立完成后,應用ANSYS軟件中的網格劃分功能對模型進行網格劃分,單元類型為Soild70,焊縫區域的單元比遠離焊縫區域的單元密集。有限元模型網格劃分后包含39 726個節點和34 130個單元,如圖3所示。

▲圖2 模擬件三維圖▲圖3 有限元模型網格劃分

4 材料屬性

焊接是一種非線性高溫瞬態過程,焊接過程中材料的物理性能參數隨溫度而變化。筆者先進行焊接溫度場模擬,然后進行結構應力場模擬,相關聯的物理性能參數有彈性模量、比熱容、熱導率、線膨脹系數、密度等。模擬件各組成部分材料的物理性能參數可由文獻[7-8]獲得,材料部分物理性能參數隨溫度變化曲線如圖4所示。

5 熱源模型

由于高斯熱源和雙橢球熱源模型需要確定較多的工藝參數,因此在計算過程中需要反復嘗試和計算工藝參數。為了節省模擬時間,筆者采用條形移動溫度熱源計算模擬件的焊接溫度場[9]，即將焊縫區域劃分為若干段,對每段焊縫區域的單元加載至1 400 ℃熔融溫度，并保持一段時間,時間由焊縫長度和焊接速度共同決定。當條形溫度熱源將某段焊接區域單元加載至熔融溫度一段時間后,使用ANSYS參數化設計語言*DO循環語句將條形溫度熱源移動到下一個焊縫區域進行加載。熱源加載如圖5所示。條形溫度熱源使整個焊接區的單元經歷與實際焊接過程相同的熱循環,因此計算結果誤差較小。

▲圖4 材料物理性能參數隨溫度變化曲線

6 邊界條件

溫度場模擬計算時,忽略輻射散熱,只考慮對流換熱邊界條件，對模擬件暴露在空氣中的節點均施加對流換熱邊界條件。采用空氣自然對流,對流換熱系數為20 W/(m2·℃),環境溫度為25 ℃。殘余應力場模擬時,對管板外表面及管的底部添加X、Y、Z方向位移約束,防止熱源加載時模型發生旋轉或剛性運動。

▲圖5 熱源加載

7 計算過程

應用順序耦合法進行模擬計算。首先通過帶狀溫度熱源對焊縫區域單元逐步加載,得到模擬件的溫度場結果。然后應用ETCHG,TTS命令將溫度場模型轉換為結構計算模型,對結構計算模型施加所得到的溫度場結果,通過穩態分析得到模擬件的殘余應力場結果。焊接完成后,模擬件自然冷卻3 500 s,此時模擬件的溫度接近于環境溫度。

在焊后熱處理的數值模擬中,加熱整個管板,加熱時間為1 000 s,空氣冷卻至室溫。研究表明，管子管板焊縫區域的最適宜熱處理溫度為607 ℃±13 ℃[10]。以此為參考,依次取100 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃、600 ℃熱處理溫度進行模擬計算。

8 結果分析

將兩個管子分別記為1號管與2號管,先焊1號管,后焊2號管。通過ANSYS軟件中路徑操作命令PATH和PPATH定義路徑P1,A點位于管板中心,AB段位于堆焊層上表面,BC段位于焊縫上表面,B點和C點為上下焊趾點,CD段位于管子內表面。然后通過PDEF命令將殘余應力數值模擬結果映射到路徑P1上,分析2號管焊后熱處理前后殘余應力沿P1路徑的分布規律及2號管焊接前后對P1路徑殘余應力的影響。X、Y、Z方向依次對應管子管板的徑向、環向和軸向,應力分析路徑如圖6所示。

8.1 焊接殘余應力

P1路徑殘余應力分布如圖7所示。2號管內角環焊完成后,沿P1路徑,徑向和環向殘余應力在焊縫熔合區域出現99 MPa和84 MPa的拉應力最大值。隨著遠離焊縫區域，殘余應力變為壓應力,最后趨于零。在堆焊層上表面，軸向殘余應力趨于零。由于AB段上的節點在管板表面對軸向方向應力影響很小,因此沿管板厚度方向的殘余應力趨于零。在管子內表面,軸向殘余應力在距下焊趾5.3 mm處存在28.6 MPa的拉應力最大值,之后變為壓應力，最后趨于零。模擬計算結果與文獻[3,11]中的測試結果一致。

▲圖6 應力分析路徑▲圖7 P1路徑殘余應力分布

8.2 相鄰管子焊接殘余應力

為了研究相鄰管子內角環焊對殘余應力的影響規律,對2號管焊接前后對P1路徑殘余應力變化的影響規律進行分析。2號管焊接前后P1路徑殘余應力對比如圖8所示。2號管焊接后P1路徑的徑向、環向、軸向殘余應力比焊接前有所減小,因為2號管焊接時的溫度場對P1路徑有影響,相當于P1路徑區域在2號管焊接后受到了一次熱處理,所以使殘余應力減小。

8.3 焊后熱處理后殘余應力

鑒于熱處理工藝能減小焊接殘余應力,2號管焊接完成后對整個模型進行焊后熱處理,研究100 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃、600 ℃六種不同熱處理溫度對P1路徑等效殘余應力的影響。

不同熱處理溫度下P1路徑等效殘余應力分布如圖9所示。在熱處理之后,P1路徑上等效殘余應力的變化趨勢基本上與熱處理前相同,焊接區域附近的殘余應力都顯著減小,不同位置的殘余應力減小幅度不一。熱處理前P1路徑最大等效殘余應力為114.4 MPa,不同熱處理溫度下最大等效殘余應力見表1。由表1可知,經過600 ℃焊后熱處理，焊接區域的等效殘余應力減小幅度最大,最大降幅為58.4 MPa。

▲圖8 2號管焊接前后P1路徑殘余應力對比

因此,可選用600 ℃熱處理溫度對管子管板進行焊后熱處理,這樣能夠有效降低焊縫區域附近的殘余應力水平,降低管板焊接區域應力腐蝕的風險。

▲圖9 不同熱處理溫度下P1路徑等效殘余應力分布

表1 不同熱處理溫度下最大等效殘余應力

9 結束語

筆者對蒸汽發生器管子管板內角環焊殘余應力進行數值模擬研究，管子管板焊縫熔合區域存在最大徑向和環向殘余應力,管子內表面焊趾附近區域存在最大軸向殘余應力。相鄰管子先后進行焊接時,在后焊管子溫度場的作用下，先焊管子焊縫區域的殘余應力會減小,相當于先焊管子焊縫區域進行了一次熱處理。焊后熱處理后,焊縫附近的等效殘余應力明顯減小,不同位置的等效殘余應力減小幅度不同。焊后熱處理溫度為600 ℃時,焊縫區域的等效殘余應力減小最為顯著。