316NG核電主管道焊接工藝分析

楊炎川

江蘇安全技術職業學院 江蘇徐州 221011

1 序言

目前，核電作為一種清潔能源得到了大家的廣泛重視和關注。據研究統計，核電在世界發電量中的占比在逐年增加，并且有快速上升的趨勢[1]。核電與其他化石燃料相比，具有污染小、利用率高的特點，且能夠長時間工作和運行[2]。在國家戰略發展規劃中，雖然核電早就占據著重要的地位，但是有利就有弊，核電安全一直是核電的重要研究課題和一直存在的問題，否則就會帶來災難性的破壞，因此，確保核電安全運行至關重要。

焊接是一種以高效靈活見長的連接方法，在核電設備中被廣泛應用。相關研究表明，焊接方法在生產中具有重要的作用，同時因焊接工藝不完善而導致的核電安全事故占比不容忽視[5]。此外，因為焊接工藝要求極高，操作不當則會導致焊縫產生應力集中，最后導致出現不可修復的裂紋和損傷[6，7]。目前，對于316NG材料的焊接工藝研究應用在國內還處于不成熟階段，很多方法還有待進一步去探索和發現[8]。

本文通過ANSYS Workbench有限元軟件對焊接過程進行數值模擬，利用極差分析法研究各焊接參數對316NG核電壓力管道焊接接頭各個部分存在殘余應力的影響，獲得數值模擬數據，對比不同參數組合的焊接效果，最后得到最佳的焊接參數，為保證焊接質量、提高設備的可靠性提供保障。

2 316NG核電主管道焊接平板模型

316NG核電主管道焊接平板數值模型如圖1所示，該幾何模型主要由母材區、焊縫區組成，其中焊縫區位于2個母材區的中央位置。模型的建立與實際幾何模型的形狀以及比例大小均相同。其中，焊縫區的坡口傾斜角度為20°，焊縫總長為1000mm，寬度取500mm，板厚與管厚一致，均為60mm的316NG平板焊接模型[9]。為了保證焊接效果，根據工藝需求將焊縫區域劃分為6道焊道。

圖1 316NG核電主管道焊接平板數值模型

3 拉丁方試驗設計

3.1 因素、水平、指標的確定

考慮到數值模擬的精確性，為保證最終的結果與實際結果相符合，本文在充分考慮實際影響因素的條件下，將試驗因素統一用實際影響因素進行替換。此外，根據生產經驗可知，焊接效果主要受4種因素影響，分別為焊接速度、焊接電流、電弧電壓及層間冷卻時間[10]。該4種影響因素對焊接效果具有較大影響，尤其表現在對焊接殘余應力的影響上，因此本文以此4種影響因素作為重要的考察因素來設計試驗方案。同時，結合實際生產經驗，各因素的水平取值范圍與實際相符，力求保證數值模擬結果的準確性和可驗證性。

核電管道焊接工藝規程手冊對焊接工藝具有明確的說明和指導建議，本文決定采用埋弧焊方式，對焊縫模型在焊縫處簡化處理為6層模型[11]。具體的焊接參數結合焊接手冊以及實際的工作經驗選取，見表1。4種重要影響因素的試驗水平數值見表2。

表1 數值模擬所采用的焊接參數

表2 4種重要影響因素的試驗水平數值

3.2 試驗方案的擬定

為了保證試驗效果且減少試驗過程中的誤差，決定將拉丁方試驗的次數控制為9次，不同的水平因素組合及具體的數值配對見表3。此外需要注意的是，各因素組合之間是相互獨立的，不會對最終的數值模擬結果產生影響，且試驗順序的給定是隨機設定的，并無人為因素。

表3 拉丁方試驗方案

4 ANSYS數值模擬

4.1 有限元模型

有限元的模型采用 SOLID186 單元[12]，整體網格劃分情況如圖2所示，焊縫處網格劃分情況如圖3所示。

圖2 幾何模型的整體有限元網格

圖3 焊縫區域的網格模型

值得注意的是，在進行數值模擬過程中，316NG控氮不銹鋼材料始終作為母材與焊縫的使用材料，其相關材料屬性為已知參數[13]。

4.2 邊界條件

在數值模擬中，熱量的傳遞符合按高斯函數分布的熱源公式規律[14]，即

式中q（r）——距熱源中心r處的熱流（J.m2.s）；

q——熱源瞬時熱能（W）；

R——電弧有效加熱半徑（m）；

r——某點距離熱源中心的距離（m）。

為了保證結果的可靠性，其余邊界條件的設置均參照實際工作條件，環境溫度采取室溫22℃，此外還需對管道進行預熱處理，預熱溫度設置為150℃[15]。

5 結果分析與討論

5.1 焊接溫度場

以拉丁方試驗方案編號6為例，計算結束后通過ANSYS后處理功能得出溫度場分布云圖，如圖4所示。圖4給出了焊接過程中熱源的變化過程及詳細的移動狀態。從圖4可發現，隨著時間的推移，第一條焊縫首先處于較熱狀態、被激活，而后熱源隨著焊縫的延伸不斷地出現后移現象，逐漸將后續焊縫激活。當然，也不難發現，在焊接過程中熱源中心處的形狀呈現獨特的彗星形狀，而熱源掃過的位置溫度會迅速下降并再次恢復到常溫狀態，該現象與式（1）完全吻合。

圖4 焊接過程中各層焊道溫度云圖

5.2 焊接應力場

每層焊道在焊接完成并冷卻后應力分布情況如圖5所示。從圖5可發現，應力在焊縫中心處最大，然后向焊縫兩邊進行分散，這就解釋了裂紋出現的原因和機理。

圖5 各層焊道焊完冷卻后應力場分布圖

為了便于對數值模擬的結果進行分析，可設置如圖6所示的空間位置坐標，各個平面的具體走向和方位安排從圖6中可以得到。其中，路徑A設置在上表面，且垂直于焊縫軸線；路徑B為分析焊縫軸線的路徑；路徑C設置在下表面，且垂直于焊縫軸線；路徑D設置在下表面且平行于焊縫軸線。4條路徑的具體空間位置排布可從圖6中得到。

圖6 模型分析路徑

沿路徑A、路徑C縱向殘余應力分布如圖7所示。從圖7不難發現，應力的分布呈現不對稱的情況，這與原先的理論認知相異，位于焊縫中心上表面的殘余應力值要明顯大于下表面的應力值。造成這種現象的主要原因還是焊縫冷卻存在先后差異導致的。上表面的溫度要大于下表面的溫度，且上表面的散熱速度要低于下表面。另外，還可從圖7發現，焊接過程中所出現的應力情況在熱源區域表現為壓應力，而在焊接材料的兩邊因距焊縫較遠，故其應力狀態表現為無應力情況，這種現象與實際工況條件下的焊接情況完全相符。因此，在實際操作中，應該尤其注意對焊縫處的保護以及采取相應的措施快速地使熱量散去，使溫升變得均勻，從而消除應力分布不均的情況，保護焊接效果。

圖7 路徑 A、路徑C縱向殘余應力分布

路徑B、路徑D橫向殘余應力分布如圖8所示。從圖8可清楚地發現，2條路徑中的應力情況大致相當，主要表現在分布和變化趨勢上。同時，關于2條路徑中的應力種類也不難發現，在焊縫的中間區域主要表現為拉應力；而在焊縫的兩側主要體現為壓應力。出現應力情況不同的原因歸結起來主要是由于溫度變化不一致造成的，由于在中間位置更加接近熱源，所以溫度下降緩慢，而在兩測的位置溫度下降得更快[16，17]，這與實際情況相符合。

圖8 路徑B、路徑D橫向殘余應力分布

5.3 試驗設計優化結果

如前文所述，本文對拉丁方試驗中的第6組焊接參數組合進行了數值模擬工作，現在采用同樣的數值模擬方法，給定同樣的邊界條件，對剩余的焊接參數組合進行數值模擬，并得到最后的結果，且在得到9組試驗結果后進行數據處理分析，試驗結果見表4。

表4 拉丁方試驗結果

由表4可看出，對焊接效果的影響中，影響最大的因素是電弧電壓，其對焊接效果具有決定性的作用，其次是焊接電流和層間冷卻時間，此兩者對焊接效果的影響作用幾乎相當，這是由于兩者對焊接的溫度分布均會產生影響；最次的影響因素是焊接速度。此外不難發現，當電弧電壓取值為30V、焊接電流取值為490A、焊接速度取值為10.5mm/s、焊接層間冷卻時間取值為100s時，具有最佳的焊接效果，此時應力最小。

為了更加清楚地描述焊接效果與焊接因素之間的函數關系，以焊接殘余應力為因變量，其余4種影響因素為自變量，采用Minitab進行擬合可以得到函數關系式，即

F=346.478＋2.083I＋3.65U－1.75v＋1.867Δt（2）

對式（2）進行計算求解，使F最小，求解得到：I=490A，U=30V，v=10.5mm/s，Δt=100s，該結果與上述分析的結果一致。

6 結束語

本文以316NG核電主管道為研究對象，通過使用ANSYS數值模擬，結合熱-結構間接耦合的方法對其焊接工藝開展研究，得出各個焊接參數對焊接殘余應力影響的大小；最后采用拉丁方試驗的方法對數值模擬的結果進行分析。通過分析，得出了最優的焊接參數配比：當電弧電壓取值30V、焊接電流取值490A、焊接速度取值10.5mm/s、焊接層間冷卻時間取值100s時，具有最佳的焊接效果。