换热器管子与管板焊接接头残余应力数值模拟

收稿日期:2006-04-29

基金项目:国家留学回国人员科技活动择优资助项目(200209);江

苏省 六大人才高峰 项目(06-D-035)

换热器管子与管板焊接接头残余应力数值模拟

蒋文春, 巩建鸣, 陈 虎, 涂善东

(南京工业大学机械与动力工程学院,南京 210009)

摘 要:利用有限元软件AB AQUS,对换热器管子与管板焊接残余应力进行数值模拟,获得了焊接接头残余应力的分布规律,比较了伸出角接头和内角接头的优劣。计算结果表明,内角接头残余应力比伸出角接头小。最大径向应力出现在管板表面的热影响区,对管板表面裂纹有主要影响。最大环向应力出现在焊缝根部,对管子与管板连接失效影响较大。相邻两换热管之间,由于后面换热管的焊接加热作用,使前面管子焊缝局部应力值下降,有利于降低应力腐蚀开裂的敏感性。研究结果为优化换热器管子与管板的焊接工艺、控制残余应力提供了理论依据。

关键词:换热器;管子与管板;焊接残余应力;有限元ABAQUS

中图分类号:TG404 文献标识码:A 文章编号:0253-360X(2006)12-001-04

蒋文春

0 序 言

换热器最主要的失效形式为管子与管板的连接失效[1~6]

。一方面,存在于焊接接头的残余应力为应

力腐蚀提供了条件。另一方面,管子与管板孔之间存在间隙,壳程介质进入到间隙死角之中,会引起缝隙腐蚀。因此,换热管与管板连接处成为事故率最多部位,其连接方式成为换热器设计、制造最关键技术之一。传统换热器绝大部分采用管子伸出管板的角焊结构,内角接头作为另外一种接头形式,在国外换热

器中使用较多[7]

,被广泛应用于核电站蒸发器的管子与管板接头上。近年来,随着国外化工企业的大量涌入,内角接头在中国也被越来越多地使用。

目前,关于管子与管板焊接接头完整性的研究,

主要集中在焊接接头失效行为的研究[3~6]

,从设计制造等方面采取措施来控制应力腐蚀开裂。Merah [8]

等利用有限元法研究了管子和管板间隙对接头强度的影响。文中利用有限元软件AB AQUS [9],从焊接残余应力的角度,比较伸出角接头和内角接头的优劣。关于管子与管板焊接接头残余应力分析,国内外尚没有相关报道,而事故调查

表明[10]

,由残余应力引起的应力腐蚀失效占80%左右。因此,文中的工作对于优化管子与管板的焊接工艺,提高管子与管板焊接接头的可靠性和安全性

具有重要的意义。

1 有限元模型

1 1 几何模型

某换热器,管子与管板材料均为316L,管板尺寸 1160m m 60mm,管子尺寸 25mm 2 5mm 。每端792个接头,可采用伸出角接头和内角接头两种形式,如图1和图2所示。管子直径仅25mm,间距较小,相邻管子之间焊接有影响。因此取相邻两管子之间的部位,建立二维有限元模型,图3和图4分别给出了伸出角接头与内角接头有限元模型。

图1 伸出角接头

Fig.1 Tube extend out end of tube sheet welded joint

1 2 有限元分析思路

利用有限元软件AB AQUS,开发了顺次耦合的焊接残余应力计算程序,先计算焊接温度场,将温度场的计算结果作为残余应力计算的预定义场,在力

第27卷第12期2006年12月

焊 接 学 报

TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INS TI TUTION

Vol.27 No.12Dece mber 2006

图2 内角接头

Fig.2 Inside hole welded

joint

图3 伸出角接头有限元模型

Fig.3 F inite element model for tube extend out end of

tube sheet welded

joint

图4 内角接头有限元模型

Fig.4 F inite element model for inside hole welded joint

分析过程中从此预定义场中读取各节点温度,计算得到焊接残余应力。利用单元生死技术(element

birth tec hnique)来实现焊缝金属的形成。采用相同的焊接工艺来计算比较两种形式接头的优劣。1 3 有限元网格划分

焊接接头附近是最值得关注的区域,因此在焊接接头附近网格划分较密,远离焊接接头区域较疏。图5和图6给出了两种接头附近的网格划分,温度场计算采用DC2D4单元,应力场计算采用CPE4单元。热分析和力分析使用相同的单元和节点。1 4 材料参数

管子与管板材料均为316L 不锈钢,热力学性能

与温度相关。假设焊材和母材材料相同,热物理性

图5 伸出角接头网格划分

Fig.5 M eshing for tube extend out end of tube

sheet welded joint

图6 内角接头网格划分

F ig.6 Meshing for ins ide hole welded joi nt

能在1500~3000 状态下保持不变,这种假设的依据见参考文献[11]。具体材料性能见图7

[12]

。固

相线1420 ,液相线1460 ,潜热为300kJ kg,常温屈服强度为278MPa,抗拉强度为325MPa 。

图7 316L 不锈钢材料参数

Fig.7 Material properties of 316L stainless steel

1 5 焊接热源及工艺参数

采用钨极氩弧焊,每道焊缝焊两层,电流120A,电压17V,速度1 5mm s,焊条采用A022,坡口角度均为45 。先焊换热管1,再焊换热管2。热源模型为内生热源,内生热率等于电弧有效功率除以所作

2焊 接 学 报第27卷