球罐组焊过程的三维动态仿真模拟_唐彬

(2)球罐整体向球心径向收缩。x 向变形与 y 向 变形沿中赤道面对称分布。焊缝向中心收缩使周向 变形沿焊缝中心对称。丁字焊缝区的周向变形明显。
(3)球罐纵向焊缝和环向焊缝中心的存在严重 残余应力集中，残余应力峰值达 569．4 MPa，接近常 温下母材的屈服强度。球罐内壁的应力集中较外壁 严重，符合实际情况。
Electric Welding Machine ·27·
专题讨论
第 42 卷
焊缝交叉部位周向变形为纵向焊缝的横向变形及 环焊缝的焊缝方向变形的叠加。
3 焊后应力结果分析
球罐组焊完成，冷却到室温，球罐焊接后等效 Von Mises 残余应力云图如图 5 所示。
应力分布为焊缝两端为较高的拉应力，而焊缝中间 为压应力。从图 6 还可知，四条纵缝的横向应力两 端具有较大的残余拉应力，分布区域较短，压应力 在焊缝中间分布区域球较广。球罐整体 z 向应力 如图 7 所示。
图 2 球罐焊后残余变形 30 倍放大云图
由图 2 可知，上极带和下极带环焊缝的收缩使 极带整体向赤道面收缩，极带下沉。球壳板四周由 赤道纵缝和环焊缝组成的四边焊缝收缩后导致球 壳板中间鼓包，球壳板间纵向焊缝横向收缩导致角
图 4 球罐焊后径向变形云图
焊后四块赤道板整体沿径向收缩。径向位移值 在球罐整体分布为负值。球罐周向变形以焊缝为中 心，向焊缝中心收缩，在焊缝交叉部位周向变形明 显，原因一方面是交叉部位变形比较大，另一方面
Key words：spherical tank；welding；stress and stain field；numerical simulation
0 前言
大型球罐是储存或盛装气体、液体、液化气体 等介质的设备，在化工、石油等行业应用广泛。球罐 现场组焊后会产生较大的焊接应力和变形。在使用 过程中，若焊缝部位存在较大的残余应力将导致冷 裂纹及延迟裂纹和应力腐蚀裂纹的产生，危害球罐 的安全和使用[1－2]。因此，通过在计算机上虚拟实现 球罐组焊整个工艺过程，掌握球罐组焊后的应力应 变分布特点，是控制球罐焊接变形和应力集中的理
图 6 焊后赤道纵缝 x 方向应力云图
对于赤道纵缝 A2×3 和 A6×7，x 方向为焊缝横 向，y 方向为厚度方向；对于赤道纵缝 A4×5 和 A8× 1，x 方向为焊缝厚度方向，y 方向为焊缝横向。x 方 向应力峰值为－534．1～553．9 MPa。x 向应力和 y 向应 力由于焊缝的对称性，相差不大。横向应力主要由 焊缝及其附近塑性变形区的横向收缩的不同时性 引 起 。由 于 纵 缝 为 直 通 焊 ，先 焊 的 部 位 先 冷 却 收 缩，先焊部位限制后焊部位收缩，沿焊缝方向，横向
图 5 焊后球罐等效残余应力云图
由图 5 可知，在球罐纵向焊缝和环向焊缝中心 存在严重的残余应力集中，焊缝的残余应力峰值为 569．4MPa，接近本模型常温下母材的屈服强度 570 MPa。 焊缝的残余应力分为焊缝纵向、横向和厚度三个方 向的主应力，图 6 为只显示四条赤道纵缝的 x 方向 应力云图。
关键词：球罐；组焊；应力应变场；数值模拟
中图分类号：TG457．5
文献标识码：A
文章编号：10 01－2303(2012)08－0026－04
Three－dimensional dynamic simulation of spherical tank welding
TANG Bin，LIU Guo－hui，WANG Ze－ming，WEI Lian－feng (Science and Technology on Reactor Fuel and Materials Laboratory，Nuclear Power Institute of China，Chengdu
·28· Electric Welding Machine
图 8 焊缝 z 向应力沿赤道纵缝焊缝方向分布
由图 8 可知，焊缝的纵向应力沿焊缝方向逐渐 增加，在焊缝中心达到峰值。四条焊缝的应力沿焊 缝方向分布变化不大，焊缝底面的拉应力比焊缝表 面严重。这与球罐内壁在使用过程中易出现裂纹的 现象吻合。
专题讨论
2 焊后变形结果分析
球罐整体组焊完成，冷却到室温，形成球罐焊 后残余变形，将焊后残余变形放大 30 倍，如图 2 所 示。
图 3 球罐焊后 X 向变形云图
由图 3 可知，x 向变形整体通过球心的 yz 平面 收缩，关于 yz 平面呈对称分布。同理，y 向变形整体 通过球心的 xz 平面收缩，关于 xz 平面呈对称分布。x 向变形峰值为－0．377 9～0．384 7 mm，正向峰值位于 赤道纵缝 A2×3 与上、下极带交汇处，负向峰值位 于赤道纵缝 A6×7 与上、下极带交汇处。y 向变形峰 值为－0．474 6～0．354 5 mm，正向峰值位于赤道纵缝 A8×1 与上、下极带交汇处，负向峰值位于赤道纵缝 A4×5 与上、下极带交汇处。将坐标换作极坐标，计 算获得的球罐径向变形如图 4 所示。
610041，China)
Abstract：In order to investigate the welding procedure of spherical tank，study characteristic of residual welding stress，provide
guidance in spherical tank establishing craft．Regarding three zones spherical tank as the research subject，an integrative finite element mode of welding procedure based on the structure feature of three zones spherical tank was developed．Three－Dimensional dynamic analog simulation of welding procedure of spherical tank was completed by moving heat sources．The residual welding stress and strain field of spherical tank was finally attained．And make an analysis of the characteristic of it by using rectangular coordinate system and polar coordinate system．The results show that radial deformation is visible after welding finished．Polar zones closed equator surface． The whole body shrink to center of sphere．Residual welding stress value approach yield stress of base metal．The welding residual stress value on inwall is greater than ectotheca．
图 1 焊缝路径示意
焊缝，先焊短缝，后焊长缝。纵缝焊接方向为上坡 焊，即从下极向上极焊接。根据实际焊接情况，按时 间顺序将热源加载到不同焊缝中实现不同焊缝的 焊接顺序。在焊缝交叉部位，焊接时先将纵缝焊到 环缝坡口内，然后将环缝坡口内的焊肉打磨干净以 除去焊缝终端缺陷，因此在纵向焊缝路径设置时将 焊缝路径延伸至环焊缝中心。焊后冷却到室温过程 为自然冷却过程。
第 42 卷 第 8 期 2012 年 8 月
Electric Welding Machine
Vol．42 No．8 Aug．2012
球罐组焊过程的三维动态仿真模拟
唐 彬，刘国徽，王泽明，魏连峰
(中国核动力研究设计院 反应堆燃料及材料重点实验室，四川 成都 610041)
摘要：为了分析球罐组焊工艺过程，研究球罐焊后应力分布特点，优化球罐安装过程工艺。以三带球罐
球罐的实际组焊顺序为：先焊纵焊缝，后焊环
专题讨论
唐 彬等：球罐组焊过程的三维动态仿真模拟
第8期
变形，在结构上引起附加的弯曲应力。球罐变形最 大的区域在下极带环焊缝 AG、上极带环焊缝 AF 与赤道纵向焊缝的交叉处(丁字焊缝区)，主要原因 是焊缝交叉处承受两次热过程，引起变形的叠加。 球罐的 X 向变形云图如图 3 所示。
[6] 王宝海，李爱群．07MnNiCrMoVDR 钢制球罐焊接[J]．中国 特种设备安全，2005，22(5)：25－30．
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(4)球罐赤道纵缝的纵向应力分布在焊缝中心
为拉应力，在焊缝附近为压应力，沿焊缝中心对称 分布。四条焊缝的横向应力符合直通焊特点，在焊缝 两端短距离分布为压应力，在焊缝中心为拉应力。
参考文献：
[1] 吴 成，陈 平．低温高强钢球罐制造焊接技术[J]．安装， 2005(10)：33－36．
[2] 王传标．15MnNiNbDR 钢制乙烯球罐组焊技术[J]．电焊机， 2010，40(2)：81－83．
收 稿 日 期 ：2012－04－27 作者简介：唐 彬(1985—)，男，四川内江人，工程师，硕士，主
要从事焊接质量与工程的管理工作。
·26· Electric Welding Machine
论基础，对于指导制定球罐安装工艺具有重要意义。
1 建立模型
以三带球罐为研究对象，主要考虑三带球罐 的赤道带球壳板拼接的四条纵向焊缝(A2×3、A4× 5、A6×7、A8×1)，分别位于 0°、90°、180°和 270°位置， 上极带与赤道带环焊缝(AF)，下极带与赤道带环焊 缝(AG)[3]。球罐焊缝总长度较长，将焊缝单元预先填 入焊缝中，为了节约计算时间，采用一次热源加热 焊缝的方式实现焊缝单元的填充。本研究建模的焊 缝路径如图 1 所示。