无加强型等径焊接三通应力有限元分析

刘丰怀，王太茂，穆　琳(济南锅炉集团有限公司，山东济南　250023)



无加强型等径焊接三通应力有限元分析

刘丰怀，王太茂，穆琳
(济南锅炉集团有限公司，山东济南250023)

摘要:应用ANSYS有限元分析软件对150 t/h生物燃料锅炉中无加强型式等径焊接三通在承受内压情况下的应力进行计算和分析，得到不同焊缝补强高度情况下该三通模型的应力分布规律，为焊接三通生产中选取最佳焊缝补强高度，保证三通的安全使用提供理论依据。

关键词:焊接三通; ANSYS;有限元;应力分析

济南锅炉集团有限公司出口巴基斯坦的150 t/h生物燃料锅炉中，三级过热器出口集箱采用了等径三通结构，其材料类型为SA335－P91钢，该种材料广泛应用在超临界大型水管锅炉中。但是等径三通主管和支管相贯而失去了原有结构的连续性，也使三通结构应力状态和分布比较复杂。无加强型焊接三通对焊缝加强提出了更高的要求。本文应用ANSYS软件，对等径焊接三通在不同焊缝高度下的应力分布进行分析。

1有限元分析

1．1焊接三通几何结构

三级过热器出口集箱采用的等径三通几何结构及实体结构如图1所示。

1．2焊接三通计算模型

该焊接三通采用全焊透形式进行焊制，因此可将三通简化为两个圆筒体正交相贯结构，并考虑焊缝加强的影响。以1∶1的比例建立实体模型以减小计算误差，选用的单元类型为三维8节点六面体结构固体单元( solid185)。该单元每个节点包含3个自由度，能合理的模拟钢的应变和变形，科学的描述焊接三通在内力作用下的应力分布规律。

图1焊接三通几何结构图

为了计算方便快捷，ANSYS有限元软件可按区域划分不同大小的单元。在应力较简单的区域(远离相贯区)划分较大的单元，在相贯区域增加单元划分密度［1－3］。该模型将焊接三通划分为20 004个节点和86 392个单元进行数值计算模拟，如图2所示。1．3焊接三通计算参数

图2焊接三通模型网格图

该锅炉过热器集箱设计工作压力为12．8 MPa，工作温度为500℃。为便于模型计算分析，假设焊接三通在该工作环境下未发生材料塑性变形，即材料的应力和应变呈线性相关。SA335－P91钢的材料力学性能参数为:弹性模量E =164 GPa，泊松比μ=0．29，环境温度500℃时的屈服极限σs=144 MPa，许用应力［σ］=95．9 MPa［4］。集箱设计工作压力12．8 MPa，则等径三通内表面所受均布荷载p=12．8 MPa。三通主管、支管出口边界截面的轴向约束力为拉应力σ=17．9 MPa。且三通仅受内力作用，外表面无其他外力作用，故在三通主管、支管出口边界截面上施加径向约束。

2焊接三通计算分析

运用有限元分析焊接三通在不同的焊缝补强下应力的变化规律。在其他条件和参数不变的情况下，采用5种不同的焊缝补强高度: 0、1、5、10、20 mm。对5种焊缝补强形式下的焊接三通分别建模并进行数值模拟计算，得出各形式下的焊接三通应力分布情况，从而得到三通安全使用所需的最小焊缝补强高度。

一般材料在外力作用下产生塑性变形，以流动形式破坏时，材料表现为屈服失效，可用第三强度理论和第四强度理论进行解释。ANSYS有限元软件采用von mises屈服准则对实体模型进行数值计算模拟，其模拟计算结果可提供模型受外力作用时的第一主应力、第二主应力、第三主应力、应力强度( stress intensity)和等效应力( von mises stress)，其中应力强度和等效应力分别遵循第三强度理论和第四强度理论。结合焊接三通的安全性和持久性，选用stress intensity和von mises stress两种理论计算结果对焊接三通应力分布情况进行分析［5－6］。

焊接三通在主管、支管交接处结构不连贯，几何形状发生突变，当承受内部压强时容易产生应力集中现象，且主管、支管交接处附近的应力水平往往是直管段的数倍［7－8］。因此，主要针对主管、支管交接线附近的应力分布进行分析。

在主管、支管内壁和外壁交接线上，从支管末端到三通肩部再到支管另一端末端方向均匀的选取33 和31个节点作为检测点，对4种焊缝形式下的三通内壁和外壁交接线上的应力进行统计，如图3所示。

图3三通交接线内壁应力分布

从图3可以看出，两种强度理论算得在三通肩部内壁上应力变化明显，其局部应力是肩部周围结构应力的数倍。随着焊缝补强高度的增加，三通主管、支管交接线附近的应力并无明显变化。因此，在三通外表面采取加强措施，对三通内表面的应力分布并无太大影响。考虑到该位置几何结构不连续，具有很明显的棱角效应，因此，可基本断定三通肩部内壁附近产生了应力集中现象。针对脆性材料，应力集中现象将一直保持到最大局部应力到达强度极限之前，设计脆性材料构件需要考虑应力集中的影响。而对于塑性材料，应力集中对其在静荷载作用下的强度几乎无影响。这种局部的尖峰应力并不能完全决定三通承受静压力的强度，因此，对于三通局部发生的应力集中现象可不考虑。但是，两种强度理论计算出的三通肩部局部尖峰应力达到190 MPa，远远超过了材料在500℃温度时的屈服极限，说明三通肩部内壁不连续部位发生了屈服，出现了二次应力。二次应力具有自限性，局部的屈服和小变形就可以使变形连续要求得到满足，从而变形不再扩大。因此，三通肩部强度能否满足要求，关键是要综合考虑肩部位置外壁和内壁应力分布情况。三通交接线外壁应力分布如图4所示。

图4三通交接线外壁应力分布

从图4可以看出，三通肩部外壁附近的应力比较小，未补强时两种强度理论计算出的应力为70～80 MPa，不足内壁峰值应力的一半，也低于材料的许用应力95．9 MPa。因此，虽然三通肩部内壁局部结构屈服了，但是对三通总体结构强度并无决定性影响。图4中随着焊缝补强高度的增加，焊接三通肩部外壁附近的应力分布得到明显改善，当焊缝补强高度为20 mm时，其局部应力由未补强的70～80 MPa减小为40～50 MPa，该处强度明显增强并改善了其应力分布。但是随着焊缝补强高度的增加，三通腹部附近的应力并无明显变化，说明仅补强主管、支管交接线上的焊缝高度对三通腹部的应力分布无明显影响。由图4看出，焊接三通腹部附近外壁的应力达到90～100 MPa，已接近甚至超出材料许用应力。该区域并无明显的几何形状、外形尺寸突变，也就不是应力集中引起该处的峰值应力偏大，而是由其本身的结构强度不够导致该处应力比附近的应力大。三通腹部附近内壁应力为30～40 MPa，比外壁应力要小得多，说明该三通腹部外壁的应力分布决定了该三通的总体承载能力。三通腹部附近的应力已经接近甚至超过了材料本身的许用应力，所以要对该区域采取加强措施。图5是随着补强高度的增加，三通腹部附近的最大应力变化情况。

图5三通腹部外壁应力分布

由图5看出，随着腹部补强高度的增加，其最大应力明显减小，说明补强高度越大，三通腹部承受能力越强。但是并不能说明补强高度越高，三通整体承受能力越强。一方面是因为虽然腹部承受能力增强了，但是腹部之外的其他部分并不会增强，因此成为三通总体承受能力新的制约因素;另一方面，三通腹部补强高度的增加，会使三通几何外形及尺寸产生突变而发生应力集中现象，达不到焊缝补强的预期效果。当补强高度达到1 mm时，其最大应力＜90 MPa，也就小于材料的许用应力95．9 MPa。说明三通腹部补强高度＞1 mm时就可以满足三通承载能力的需要。在计算过程中发现，随着补强高度的增加，三通底部局部最大应力始终保持在80 MPa左右。结合图4数据得出，当补强高度＞2 mm时，三通腹部的强度不再是三通总体承载能力的制约因素。相关试验也证明［9－10］，当三通肩部和腹部采取焊缝结构改善三通总体承载能力后，三通主管底部附近的应力分布将成为三通承载能力新的制约因素。

3　结语

1)利用ANSYS有限元软件通过第三强度理论公式和第四强度理论公式算得的应力差为10%～15%，而实际上，第三强度理论和第四强度理论的理论值差最大为15%。说明计算过程和结果可靠，所建有限元模型合理。

2)等径焊接三通在承受静压力时，其肩部内壁附近易产生应力集中而发生屈服，屈服后引起二次应力，因此要注意肩部外壁的应力分布情况，当其应力较大时，要采取适当措施进行补强。

3)制约等径焊接三通承受能力的因素一般是三通腹部的承载能力，可根据情况进行补强。针对本焊接三通，为满足其承载能力的需要，在腹部堆焊1～2 mm并增加焊宽，施焊要圆滑过渡到三通其他部位以减小几何突变避免应力集中现象的发生。

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(责任编辑:郭守真)

Finite Element Analysis for Stress of Non-Reinforced
Welding Straight Tee

LIU Fenghuai，WANG Taimao，MU Lin
( Jinan Boiler Group Co．，Ltd．，Jinan 250023，China)

Abstract:The operation condition of the welding straight tee for the 150 t/h biomass fuel boiler is complicated，which has higher requirements for the traditional welding tee process．As a result，this paper applies the ANSYS to calculate and analyze the stress of the non-reinforced welding straight tee under the conditions of bearing the internal pressure，and acquire the stress distribution laws of this tee model under different weld reinforcement heights，which provides the theoretical basis for the selection of the optimal weld reinforcement height to guarantee the safe use of the tee during the welding tee production．

Key words:welding tee; ANSYS; finite element; stress analysis

作者简介:刘丰怀( 1965—)，男，山东胶南人，工程师，主要研究方向为锅炉设计．

收稿日期:2015－04－27

DOI:10．3969/j．issn．1672－0032．2015．02．015

文章编号:1672－0032( 2015) 02－0078－04

文献标志码:A

中图分类号:TK226．2