高压容器焊接残余应力的有限元分析*

2021-06-04宋金星刘亚军

化工科技 2021年2期

王震，宋金星，刘亚军，高勇，2**

[1.榆林学院化学与化工学院，陕西榆林 719000；2.陕西省低变质煤洁净利用重点实验室，陕西榆林 719000；3.长庆油田(榆林)油气有限公司，陕西榆林 719000]

高压容器在工业生产、装备制造以及科学研究的众多领域都占据着非常重要的地位[1-2]。高压容器的焊缝处必然存在焊接残余应力，是焊接裂纹发生开裂的主要影响因素。焊接过程中温度分布高度集中，由此产生的残余应力和变形不仅会严重影响复杂焊接工件的后期加工精度和尺寸，还会对压力容器的结构构件、结构刚度、静载荷产生影响[3-4]，大大降低生产工件的使用寿命[5]。

由于焊接过程中温度分布不均匀，所产生的焊接残余应力的分布规律也非常复杂。国内外学者对焊接残余应力也进行了大量的研究[6-10]。李伟权等[11]对圆筒形高压容器球形封头与筒体2种常用焊接方式的选型进行了探讨，认为在容器没有盛装腐蚀介质或存在疲劳等工况要求时，宜选用中径对齐焊接方式；若考虑容器盛装腐蚀介质或存在疲劳工况，宜选用内径对齐焊接方式。张祥等[12]运用ANSYS有限元分析软件，利用生死单元技术对压力容器上平板封头与筒体的单面焊接进行了研究和分析，揭示了温度场、应力场的分布规律。鲍阳[13]对某中压蒸汽凝结水罐进行了焊接变形模拟分析，发现不均匀的温度场致使焊接残余应力集中分布在焊缝区域，残余应力的集中分布造成压力容器变形较大。作者运用ANSYS有限元软件对高压容器焊缝区的温度场及残余应力分布规律进行了研究，以期对压力容器的工业应用提供一定的指导。

1 建立几何模型及划分网格

建立的V型坡口二维几何模型及网格见图1。

a V型坡口几何模型

b V型坡口网格图1 V型坡口二维几何模型及网格

筒体和球形封头材料选用16MnR，其屈服强度为305 MPa，抗拉强度为480 MPa。焊缝填充材料选用铝，其屈服强度为60 MPa，抗拉强度为80 MPa。设计压力p=15.5 MPa，设计温度t=300 ℃，公称直径DN=830 mm，筒体长L=1180 mm，筒体壁厚δ=70 mm，封头厚度δ1=70 mm。在划分网格时，选用Coupled Field-Vector Quad 13单元类型，在焊缝处进行了局部细化，以提高计算精度[14]。

2 设置边界条件与施加载荷

定义初始加载温度为20 ℃，初始给定温度应施加在上下边界上。定义2类约束条件，固定位移和温度约束，在上端边界施加X、Y方向固定约束、温度约束，最下端边界施加Y方向固定约束、温度约束。分两级焊接，对一级焊缝与二级焊缝施加1 500 ℃的温度载荷。

3 结果与分析

3.1 球形封头与筒体焊缝处温度场分析

球形封头与筒体焊缝处温度云图见图2。

图2 焊缝处温度分布云图

由图2可知，热影响区在焊缝及熔合区周围，温度从一级焊缝向二级焊缝呈递增分布，从焊缝中心向封头和筒体两边递减分布，最高温度达到595.86～668 ℃，分别出现在二级焊缝处、筒体与焊缝熔合区交汇处、封头与焊缝熔合区交汇处，一级焊缝温度较高，最高温度达到523.72～595.86 ℃，热影响区以外的区域为室温，即不受焊缝温度影响。

不同部位的节点随温度变化曲线见图3。

由图3a可知，施加温度载荷并开始焊接，一级焊缝中心温度达到最大值1 500 ℃。随着焊接时间的推移，t<5 000 s，焊缝中心节点温度下降幅度较小，t=5 000～25 000 s，温度下降幅度较大，t>25 000 s直至焊接过程结束，温度下降趋势趋于平缓，最终下降至600 ℃。

t/sa 一级焊缝中心

t/sb 二级焊缝中心

t/sc 熔合区中心

t/sd 4节点温度曲线图3 不同节点处温度分布曲线

由图3b可知，施加温度载荷并开始焊接，二级焊缝中心温度最高约1 500 ℃。随着焊接时间的推移，t<15 000 s,二级焊缝中心节点温度下降幅度很大，t>15 000 s,温度下降呈现平稳趋势，焊接完成后温度下降至590 ℃。由图3c可知，焊接开始后，t<15 000 s,熔合区温度急速上升至450 ℃，t=15 000～35 000 s温度上升比较缓慢，t>35 000 s,温度开始缓慢下降，焊接过程结束后熔合区温度约为460 ℃。由图3d可知，球形封头与筒体焊缝处不同节点的温度变化不均匀，焊接开始阶段，节点44温度缓慢上升，直至焊接结束温度上升至约100 ℃；节点474温度缓慢上升，直至焊接结束温度上升至约200 ℃；t<25 000 s,节点229温度急速下降，t>25 000 s直至焊接结束温度下降较为平缓，最终下降至约650 ℃；t<20 000 s,节点305温度急速下降，t>20 000 s至焊接结束温度下降较为平缓，最终下降至640 ℃。

3.2 球形封头与筒体焊缝处应力场分析

球形封头与筒体焊缝处应力云图见图4。

图4 残余应力分布云图

由图4可知，应力沿焊缝中心大致呈现对称分布，最大残余应力出现在焊缝及熔合区处，其值约为1 750 MPa，残余应力沿焊缝中心向筒体与封头方向先增加后衰减，与焊缝距离达到一定距离时残余应力变为零，即不受残余应力的影响。这是由于焊接残余应力与外载荷产生的应力相叠加，在焊接区造成局部区域应力过高，而远离焊缝区不连续效应的影响则较小[15]。

残余应力随时间变化曲线见图5。

由图5a可知，开始焊接后，t<10 000 s,应力变化有轻微波动但大体呈现上升趋势，t>10 000 s,应力变化保持平稳上升，直至焊接结束一级焊缝中心所受应力升至最大约为275 MPa。由图5b可知，开始焊接后，二级焊缝中心所受应力整体呈现上升趋势，t<20 000 s,应力上升比较缓慢且有略微波动。t>20 000 s,所受应力基本呈现直线上升趋势。焊接结束时所受应力达到最大值，约为130 MPa。由图5c可知，开始焊接后，t<8 000 s,熔合区所受应力大致呈现直线上升趋势，t=8 000 s,达到最大应力约为990 MPa。t>8 000 s,所受应力开始缓慢下降，直至焊接结束，熔合区所受应力下降至约900 MPa。由图5d可知，各节点所受应力随时间变化差异很大，t<20 000 s,节点301所受应力变化不明显，t>20 000 s,所受应力开始缓慢上升，最大应力约为110 MPa；节点240所受应力在整个焊接过程中随时间逐渐增加，最大值约为200 MPa；t<25 000 s,节点44所受应力迅速上升，t>25 000 s,开始平缓上升，最大应力约为1 050 MPa；t<7 000 s,节点371所受应力迅速增长，最大应力约为1 000 MPa，t>7 000 s,开始缓慢下降，焊接结束后所受残余应力下降至约为900 MPa。