摘要：利用有限元软件abaqus,开发了一个顺次耦合的角焊缝焊接热应力计算程 序,研究了加氢高压换热器板式焊接密封接头应力场的分布;以此数值模拟结果为基 础,结合正交试验设计方法,分析了焊接电流、电弧电压、焊接速度及预热温度4个工艺 参数对焊接残余应力场的影响,找到一组使焊接残余应力最小的最优焊接工艺参数. 结果表明,焊接速度对焊接残余应力的影响最大,该角焊缝焊接残余应力的最高值集中 在焊缝和热影响区附近.研究结果为优化加氢高压换热器板式焊接密封的焊接工艺, 预防焊接密封接头的开裂失效提供了理论基础.

关键词：超加氢换热器;密封接头;焊接工艺参数;正交优化试验;残余应力

中图分类号：tg115.28 文献标识码: a 文章编号: 0253-360x(2009)07-0101-04

0 序 言

随着石油、化工装置向着大型化和高参数方向 发展,换热器作为装置系统能量平衡和能量回收中 不可缺少的关键设备,其长周期安全运行已愈来愈 受到设备管理工程师们的重视.加氢装置中的高压 换热器是该装置的主要设备,担负着原料油与反应 生成油的热量交换任务.加氢换热器的压力和温度 参数高,介质是易燃、易爆的油气、氢气,换热器一旦 泄漏,后果将十分严重,因而加氢高压换热器的密封 结构较多地采用了角焊缝焊接密封接头[1-3],该密 封结构作为零泄漏密封,其密封可靠、寿命长,但在 长期的高温、高压和临氢环境下,其焊缝结构易出现 裂纹,甚至开裂而引起泄漏[4].因此研究焊接密封 接头处残余应力[5]及其影响因素,并对焊接工艺参 数进行优化,对延长密封结构寿命,保证加氢装置长 周期安全运行具有重要的工程实际意义.

选择焊接电流、电弧电压、焊接速度以及焊接预 热温度4个焊接工艺参数作为试验对象,设计了一 组l25(56)的正交试验方案,利用大型非线性有限元 软件abaqus[6]对加氢高压换热器焊接密封接头的 焊接残余应力进行了数值模拟,对试验结果进行正 交分析,得到了一组角焊缝焊接密封接头焊条电弧 焊的最佳工艺参数,为进一步研究焊接密封接头的 开裂提供借鉴.

1 计算模型的建立

1.1 角焊缝焊接密封接头几何模型

研究对象为加氢高压换热器管箱法兰的平板式 焊接密封结构.管箱法兰与盖板材料为16mo5.实心 圆平板尺寸为1 212 mm×10 mm,材质为0cr18ni9.

管箱法兰表面有5 mm厚的0cr18ni9堆焊层,计算模 型如图1所示,假设材料为线性强化弹塑性模 型[7-9].图2为焊接密封结构角焊缝的详图,焊接采 用三道焊完成,焊接工艺参数如表1[10]所示.

第一道焊为钨极气体保护焊,其工艺参数都是 确定的,因此只针对第二、第三道焊条电弧焊进行正 交试验设计.

1.2 板式焊接密封结构的有限元模型

利用有限元软件abaqus 6.5,开发了一个顺次 耦合的热应力计算程序来模拟板式焊接密封结构的 焊接残余应力.首先进行热分析,将各节点温度场 的计算结果输出到结果文件作为力分析的预定义 场,在力分析过程中从此预定义场中读取各节点温 度,进行插值计算.通过施加内生热模拟电弧的加 热作用,运用单元激活技术(model change remove or add)模拟多道焊的情形.热分析和力分析使用相同的单元和节点.

考虑到模型的对称性,取模型的1/2进行分析. 以中心面为对称面建立模型,采用结构性网格,生成 2 966个节点,2 815个单元. abaqus的热模拟选用 四节点对称单元dcax4,残余应力模拟选用cax4 单元,网格划分如图3所示.焊缝附近温度变化很 大,网格较密;远离焊缝处温度变化较小,网格稀疏.

2 正交试验设计及结果分析

2.1 正交试验设计

为了尽可能减少模拟次数,考察焊接电流、电弧 电压、焊接速度以及焊接预热温度对焊接残余应力 的影响,宜选用正交试验法[11].取上述4个焊接工 艺参数作为因子,每个因子取5个值作为水平,共进 行25组试验,如此设计的l25(56)正交表见表2.

2.2 正交试验结果计算及分析

以每组模拟结果中应力极值作为考察目标,根 据极差分析方法,就可以分析焊接电流、电弧电压、 焊接速度以及焊接预热温度对焊接残余应力的影 响.正交分析结果如表3所示,其中σmises应力的单 位为mpa.记ki(i=1,2,3,4,5)为每列因子在每个 水平上的σmises应力极值的和,单位为mpa.ki(i=1 2,3,4,5)为ki的平均值,单位为mpa;△i为极差 δi=maxki-minki,单位为mpa.

以表3中第一列因子为例,有

k1i= k1+k2+k3+k4+k5

k2i= k6+k7+k8+k9+k10

k3i= k11+k12+k13+k14+k15

k4i= k16+k17+k18+k19+k20

k5i= k21+k22+k23+k24+k25

表3列出了每组模拟结果中的应力极值计算和 △i.从表3可以得到△ⅲ>;△ⅳ>;△ⅰ>;△ⅱ.由此 说明在4个因子中,焊接速度对焊接残余应力的影 响最大,预热温度的影响其次,焊接电流的影响再 次,电弧电压的影响最小.因此得到残余应力极值 最小的最优工艺参数组合为ⅲ1ⅳ5ⅰ4ⅱ4,即焊接速 度21 cm/min、预热温度为240℃、焊接电流114 a、 电弧电压29 v.

3 数值模拟结果分析

3.1 最优焊接工艺参数的数值模拟结果

根据正交试验表的安排,得到了一组理论上最 小焊接残余应力的最优焊接工艺参数,即焊接速度 21 cm/min、预热温度为240℃、焊接电流114 a、电 弧电压29 v.由于在试验中这组参数没有出现,为 了验证正交试验的正确性,对最优的焊接工艺参数 组合进行数值模拟.通过有限元软件abaqus的计 算,得到在最优焊接工艺参数下焊接残余应力的模 拟结果,如图4所示.定义σs11为模型径向焊接残余应力,σs22为轴向焊接残余应力,σs33为环向焊接残余 应力.

从图4最优工艺参数的焊接残余应力的结果来 看,正交试验得到的最优焊接工艺参数确实得到了 最小的焊接残余应力为233.9 mpa.从图4可以看 出最大的σ焊接残余应力和最大环向拉应力分布在 焊缝及热影响区部位,在热影响区附近还出现了最 大径向压应力.这个部位受力最复杂且受力极不均 匀,极易发生裂纹,从而导致泄漏失效.

3.2 不同路径的焊接残余应力分析

为了直观而又清楚的表达最优焊接工艺参数下 焊缝附近的焊接残余应力,分别取图2所示的路径 1、路径2和路径3进行比较,其焊接残余应力分布 如图5所示.

从图5可以看出应力最大值都集中在焊缝及热 影响区部位,随着距焊缝中心的距离增大,焊接残余 应力逐渐变小.路径2为焊缝与垫片接触部位,距 焊缝中心位置0·004 m处,其径向应力和环向应力 由拉应力变为压应力.路径3在距离焊缝0·02 m 处,出现了最大压应力为168·0 mpa;在距离焊缝 0·01 m附近出现了最大环向残余应力为308·9 mpa. 路径1即焊缝与堆焊层接触的部分,距离焊缝中心 0·02 m处,出现了最大的径向拉应力为228·6 mpa. 这些位置的残余应力、环向残余应力、轴向残余应力 和径向残余应力受力复杂且应力值都比较大,极易 发生裂纹,从而导致泄漏失效,在实际工程中应引起 重视.

4 结 论

(1)利用有限元软件abaqus,编写了顺序耦合 的焊接热应力计算程序,得到了加氢高压换热器角 焊缝焊接密封接头在不同组合的焊接工艺参数条件 下的焊接过程和冷却过程的焊接残余应力.

(2)通过正交试验分析和数值模拟方法,设计 一组l25(56)正交试验,通过极差分析法得到了使加 氢换热器角焊缝焊接密封接头残余应力极值最小的 最优工艺参数.其中焊接速度对焊接残余应力的影 响最大,预热温度的影响其次,焊接电流的影响再 次,电弧电压的影响最小.

(3)对最优焊接工艺参数下的焊接残余力进行 数值模拟,得到角焊缝密封接头的最大残余应力主 要集中在焊缝和热影响区处,而且这些部位受力复 杂且受力不均匀,极易发生裂纹,应采取必要的焊后 热处理以降低焊接残余应力,防止发生泄漏失效.

(4)研究结果可对加氢高压换热器角焊缝焊接密封接头的实际焊接工艺参数选择提供参考,也为进一步研究和分析该类换热器焊接密封接头的开裂失效提供了理论依据.

参考文献:略

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