厚壁核壓力容器焊接殘余應(yīng)分析范文

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摘要：

伴隨經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，我國(guó)出現(xiàn)巨大能源缺口。核能屬于相對(duì)清潔、安全與低廉的新型能源，其重要地位日益突現(xiàn)。核反應(yīng)堆有著極強(qiáng)的輻射性，核壓力容器生產(chǎn)材料要選擇優(yōu)質(zhì)材料，嚴(yán)格把控核壓力容器生產(chǎn)質(zhì)量與使用時(shí)段內(nèi)的質(zhì)量。能源需求的不斷加大，推動(dòng)進(jìn)一步提高核電站數(shù)量和反應(yīng)堆單堆的容量，生產(chǎn)大型化與復(fù)雜化的核壓力容器，更我依靠焊接工藝來(lái)完成。本文探討焊接工藝對(duì)厚壁核壓力容器焊接殘余應(yīng)力的影響，以期為生產(chǎn)厚壁核壓力容器焊接時(shí)消除殘余應(yīng)力與控制變形提供建議。

關(guān)鍵詞：

焊接工藝；厚壁核壓力容器；殘余應(yīng)力；影響

現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展與科技進(jìn)步，海洋工程、航空航天、核動(dòng)力工程等領(lǐng)域越來(lái)越廣泛運(yùn)用焊接工藝。焊接工藝是集傳熱、電弧物理、冶金和力學(xué)等于一身的復(fù)雜過(guò)程，成為將金屬材料連接成構(gòu)件的極為重要手段。在生產(chǎn)核壓力容器時(shí)，它更是起到無(wú)可替代的作用。為了提升能源安全級(jí)別，降低核輻射帶給自然界與人類(lèi)社會(huì)的危害，務(wù)必要確保核壓力容器的質(zhì)量。因此，探討焊接工藝對(duì)厚壁核壓力容器焊接殘余應(yīng)力的影響時(shí)，了解焊接當(dāng)中構(gòu)件所帶的殘余應(yīng)力與大小分布特點(diǎn)，以確保焊接接頭安全性，從而保證核壓力容器的質(zhì)量。

1現(xiàn)有情況

20世紀(jì)70年代日本大阪大學(xué)的上田幸雄教授等人根據(jù)有限元法，分析焊接殘余應(yīng)力的應(yīng)變過(guò)程。自此之后，有限元模擬技術(shù)開(kāi)始快速發(fā)展，有限元模型的建立簡(jiǎn)化了復(fù)雜的動(dòng)態(tài)焊接應(yīng)力分析過(guò)程。雖然我國(guó)在這方面的研究起步較晚，但是發(fā)展速度較快，且已獲得一定成果。20世紀(jì)80年代初，以陳楚為首的研究人員對(duì)熱彈塑性理論進(jìn)行系統(tǒng)化的分析，推導(dǎo)出有限元計(jì)算公式，并編制出相對(duì)應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序。20世紀(jì)90年代，我國(guó)學(xué)者對(duì)這一領(lǐng)域進(jìn)行更加深入的探索。目前，在確保焊接結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性的前提下，采用不同方法去除焊接殘余應(yīng)力的求值計(jì)算方法得到快速發(fā)展。只不過(guò)要完全達(dá)到實(shí)踐需要，還有待進(jìn)一步研究。

2現(xiàn)有問(wèn)題

目前焊接殘余應(yīng)力的探索有了很大的進(jìn)步，但是難以應(yīng)對(duì)實(shí)際工程的要求。利用數(shù)值分析法控制復(fù)雜的焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力的措施還有很多不足之處。第一，缺少足夠的材料熱物理性能重要數(shù)據(jù)，如:密度、導(dǎo)熱系數(shù)與比熱容等。第二，缺乏熱源分布參數(shù)數(shù)據(jù)，有待進(jìn)一步探討多層焊縫、開(kāi)坡口焊縫等的熱源分布方式。第三，如何選取焊接熱源的熱效率資料較為分散，存在比較大的誤差。第四，處置焊接熔池的方式存在問(wèn)題，未把焊接熔池內(nèi)部液態(tài)金屬的對(duì)流傳熱特性納入考慮范疇之內(nèi)。第五，我國(guó)分析復(fù)雜核壓力容器焊接殘余應(yīng)力的水平尚處在初級(jí)水平。待深入研究與探索焊接數(shù)值模擬技術(shù)的意義與作用，對(duì)焊接現(xiàn)象的本質(zhì)有了更加精準(zhǔn)的認(rèn)識(shí)之后，方可把焊接殘余應(yīng)力精確計(jì)算出來(lái)，以提供可借鑒的理論。

3焊接溫度場(chǎng)的分析理論

模擬焊接應(yīng)力與應(yīng)變的前提就是溫度場(chǎng)，計(jì)算應(yīng)力與應(yīng)變的參考數(shù)據(jù)就是由流動(dòng)準(zhǔn)則、屈服準(zhǔn)則、熱彈塑性與強(qiáng)化準(zhǔn)則所構(gòu)成的基本理論。運(yùn)用ANSYS軟件模擬焊接過(guò)程時(shí)，上述理論和依據(jù)用來(lái)判定材料有無(wú)屈服、如何進(jìn)行流動(dòng)與強(qiáng)化，同時(shí)成為計(jì)算材料出現(xiàn)彈性與塑性變形時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系的理論標(biāo)準(zhǔn)。屈服準(zhǔn)則主要用來(lái)確定材料開(kāi)始出現(xiàn)塑性變形的應(yīng)力狀況，計(jì)算單值的等效應(yīng)力，并將結(jié)果與屈服強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，以得出材料的屈服時(shí)間。流動(dòng)準(zhǔn)則主要是從幾何的角度出發(fā)，說(shuō)明塑性應(yīng)變?cè)隽肯蛄颗c成與屈服面的法向，兩者方向始終是一致的。強(qiáng)化準(zhǔn)則主要用來(lái)闡釋初始屈服準(zhǔn)則是如何跟著塑性應(yīng)變的增加而變化發(fā)展的。熱彈塑性基本原理主要用來(lái)計(jì)算焊接全過(guò)程動(dòng)態(tài)應(yīng)力與應(yīng)變的變化過(guò)程及最終的殘余應(yīng)力與變形的態(tài)勢(shì)。

4焊接工序的影響力

4.1焊接流程參數(shù)作用于殘余應(yīng)力焊接殘余應(yīng)力出現(xiàn)的關(guān)鍵因素就是有不均勻的溫度場(chǎng)存在。出現(xiàn)裂紋重大原因就是焊接殘余應(yīng)力。運(yùn)用不同的焊接工藝參數(shù)，如：1350℃、1420℃、1490℃，焊接之后的出現(xiàn)的等效殘余應(yīng)力的變化走勢(shì)是相同的。處在焊縫中心，其應(yīng)力是最大的，距離焊縫中心越遠(yuǎn)，距離增加的同時(shí)，而應(yīng)力會(huì)慢慢降低。其中，使用1350℃和1490℃焊接工藝參數(shù)，焊接之后應(yīng)力的變化態(tài)勢(shì)呈現(xiàn)大致相同的曲線(xiàn)，兩者應(yīng)力數(shù)值分別為360.28MPa和369.34MPa。而使用1420℃的焊接工藝參數(shù)，焊接之后應(yīng)力的變化態(tài)勢(shì)曲線(xiàn)，與前兩個(gè)曲線(xiàn)相比，其態(tài)勢(shì)略為走高，其應(yīng)力值也是三者中最大的，為370.22MPa。據(jù)此可知，使用不同的焊接工藝參數(shù)，影響著焊后殘余應(yīng)力的大小。

4.2坡口形式作用于焊接殘余應(yīng)力焊接厚壁核壓力容器時(shí)，有很多因素會(huì)影響焊接殘余應(yīng)力，坡口形式就是其中之一的影響因素。因此，在操作過(guò)程中，極為重要且必不可少挑選合宜的坡口形式與尺寸。就40mm寬I型坡口、35mm寬I型坡口及35mm寬雙U型坡口等三種不同坡口形式而言，利用有限元算出結(jié)果來(lái)證明其作用于焊接殘余應(yīng)力的大小。在焊接結(jié)束后,出現(xiàn)于焊縫中心的等效應(yīng)力值都不一樣，40mm寬的I型坡口焊接后殘余應(yīng)力最大,其應(yīng)力值460.12MPa，35mm寬的I型坡口焊接后殘余應(yīng)力位居第二,為420.68MPa，35mm寬的雙U型坡口焊接后殘余應(yīng)力最小，為370.36MPa。三個(gè)坡口形式的相同之處在于，處在焊縫中心的應(yīng)力最大，離焊縫中心越遠(yuǎn)，應(yīng)力慢慢降低。所以，在有著相同寬度的焊縫的情況下，焊接應(yīng)力相對(duì)較小的是雙U型坡口；在有著相同的坡口形式的情況下，焊接后殘余應(yīng)力相對(duì)較低的是35mm寬。

4.3焊接后熱處理工序作用于焊接殘余應(yīng)力去除焊接殘余應(yīng)力才能確保焊接結(jié)構(gòu)的安全與牢靠，熱處理成為去除焊接殘余應(yīng)力常用手段。在35mm寬的I型坡口完成6道焊接后，對(duì)其執(zhí)行熱處置，回火溫度640℃，分別放在爐中保溫1-7h，再行冷卻，以去除殘余應(yīng)力。試驗(yàn)結(jié)果表明，沒(méi)有執(zhí)行熱處理之前，焊縫處的等效應(yīng)力值為最高，執(zhí)行熱處理之后，焊縫中心的等效應(yīng)力相對(duì)降低。熱處理之前焊縫中心的應(yīng)力峰值為421.86MPa，執(zhí)行熱處理之后，等效應(yīng)力相對(duì)較大的出現(xiàn)在1小時(shí)與7小時(shí)后,分別為351.32MPa和341.71MPa。等效應(yīng)力相對(duì)較低的出現(xiàn)在2小時(shí)、3小時(shí)與4小時(shí)后，分別為270.14MPa、269.56MPa和267.97MPa。據(jù)此可知，執(zhí)行熱處理可以有效減少焊接殘余應(yīng)力，引起重新分布焊接殘余應(yīng)力，并且處在640℃的高溫下，執(zhí)行2小時(shí)熱處理，可以讓殘余應(yīng)力得到更好清除。

5結(jié)束語(yǔ)

社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，能源的需求變得越來(lái)越大，能源供給面臨巨大挑戰(zhàn)。核能有著廣闊的開(kāi)發(fā)前景，應(yīng)當(dāng)大力開(kāi)發(fā)與使用。同時(shí)，不可忽略能源的安全與可靠性問(wèn)題。日趨復(fù)雜化的核壓力容器，給能源安全與可靠性帶來(lái)新的考驗(yàn)。而焊接工藝成為決定其質(zhì)量的重要手段，務(wù)必要進(jìn)一步加以改進(jìn)。本文探討了焊接工藝對(duì)厚壁核壓力容器焊接殘余應(yīng)力的影響，希望以此為核壓力容器質(zhì)量的改進(jìn)方法的執(zhí)行提供參考意見(jiàn)。

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作者：包增成 單位：江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院常州分院