承压容器焊接接头残余应力测试及有限元分析
摘 要
承压容器是以流程性材料(气体、液体、粉粒体等)的压力为基本载荷，应用广泛但具备潜在危险泄漏和专用的特殊设备，如锅炉，压力容器（包括气瓶），压力管道。承压装备是在石油化工，天然气化工和煤化工加工行业的关键设备。没有安全可靠的承压装备，就不能够实现先进的流程工业。此外，一些高科技领域如航天，能源技术，先进防御技术，更离不开承压装备。承压容器向着大型化发展，以此来提高生产效率，满足国民经济发展的需要，为防止承压容器的失效事故，尤其是一些破裂事故的发生，承压容器的质量保证显得尤为主要。而承压容器质量保证的关键原因之一就是其焊接接头残余应力的处理，本文通过实际应力测量手段并和有限元仿真分析手段，先后对承压设备材料的厚板，以及承压设备焊接接头的工作应力和焊接残余应力进行了测量分析。对焊接应力的影响因素作了介绍，并对残余应力的控制做了分析和提出建议。
总之通过研究我们对承压设备焊接接头的应力有更深的了解，并对承压容器消除应力的有效方式有深入分析。
关键词：承压容器；残余应力；有限元；消除应力
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Abstract
Pressure vessel is a process of material (gas, liquid, powder, etc.) the pressure is the basic load, the application is widespread but has the potential hazardous leakage and special equipment, such as boilers, pressure vessels (including gas cylinders), pressure pipe. Pressure equipment is the key equipment in the petrochemical industry, natural gas chemical industry and coal chemical processing industry. There is no safe and reliable pressure equipment, it is not able to achieve advanced process industry. In addition, some high-tech fields such as aerospace, energy technology, advanced defense technology, more can not be separated from the pressure equipment. The pressure vessel is developing to the large-scale development, in order to improve the production efficiency, meet the needs of the national economic development, in order to prevent the failure of the pressure vessel, especially the occurrence of a number of rupture, the quality assurance of the pressure vessel is particularly important. And the key reason for the quality assurance of pressure vessel is the treatment of the residual stress of the welded joints. This paper analyzes the working stress and welding residual stress of the heavy equipment and the welding joints with the actual stress measurement and finite element simulation. The influencing factors of welding stress are introduced, and the control of residual stress is analyzed and some suggestions are put forward.
In short, we have a deeper understanding of the stress of the welded joints of pressure equipment, and the effective ways to eliminate the pressure vessel is analyzed.
Keywords: Pressure vessel; residual stress; finite element; eliminating stress
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承压容器焊接接头残余应力测试及有限元分析
目 录
承压容器焊接接头残余应力测试及有限元分析............................ I 摘 要.............................................................. I ABSTRACT........................................................... II 目 录............................................................. III 1绪论 .............................................................. 1 1.1研究背景与意义 ................................................ 1 1.2国内外研究现状 ................................................ 2 1.2.1国外研究................................................... 2 1.2.2国内研究................................................... 4 1.3研究思路与方法 ................................................ 7 1.4研究的创新之处 ................................................ 7 2理论基础 .......................................................... 9 2.1承压容器介绍 .................................................. 9 2.2焊接应力与检测方法理论 ....................................... 10 2.3有限元分析法介绍 ............................................. 13 2.4承压容器的焊接管理 ........................................... 14 2.5焊接结构的有限元分析理论 ..................................... 16 3承压板材焊接热处理试验分析 ....................................... 19 3.1焊接接头试验样本制作 ......................................... 19 3.2样本的热处理试验 ............................................. 19 3.2.1试验目的.................................................. 19 3.2.2试验设备.................................................. 20 3. 2.3热处理方案............................................... 20 3.3样本接头残余应力测量 ......................................... 20 3.3.1盲孔法测残余应力.......................................... 20 3.3.2试验条件.................................................. 21 3.3.3贴片位置选择.............................................. 24 3.3.4试验结果记录.............................................. 25 3.3.5结果分析.................................................. 26 3.4对厚板焊接的变形与残余应力有限元分析 ......................... 27 4锅炉承压容器的焊接接头残余应力研究 ............................... 32 4.1焊接接头残余应力测试 ......................................... 33 4.1.1焊接接头的制备............................................ 34 4.1.2焊接残余应力测试.......................................... 35
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承压容器焊接接头残余应力测试及有限元分析
4.1.3残余应力测试结果与有限元结果的比较........................ 35 4.2焊接接头残余应力有限元分析 ................................... 35 4.2.1有限元模型................................................ 35 4.2.2 载荷与边界条件 ........................................... 36 4.3结果分析与讨论 ............................................... 36 4.4 热处理残余后焊接接头等效应力分布 ............................. 38 5锅炉压容器的焊接应力的消除方式 ................................... 39 5.1减少焊接残余应力的方法 ....................................... 39 5.1.1 减少焊接应力的设计措施 ................................... 39 5.1.2减少焊接应力的工艺措施.................................... 39 5.2焊后消除残余应力的必需性与方法 ............................... 40 5.2.1整体焊后热处理............................................ 40 5.2.2局部焊后热处理............................................ 40 5.2.3温差拉伸法................................................ 41 5.2.4液压超压消应法............................................ 41 5.2.5振动法.................................................... 41 5.2.6爆炸冲击法................................................ 42 5.3施焊过程控制 ................................................. 42 5.3.1焊前控制.................................................. 42 5.3.2焊接过程中控制............................................ 43 5.3.3焊后控制.................................................. 43 6结论 ............................................................. 43 参考文献........................................................... 45 致谢............................................................... 47
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承压容器焊接接头残余应力测试及有限元分析
1绪论
1.1研究背景与意义
压力容器作为特种设备，应用越来越广泛，它在石油、化学、有机合成等行业的发展中起着重要的作用。为满足国民经济发展的需要，现在这类设备发展迅速，实际生产效率也较高。不过这类设备也存在一定的危险性，如果保管或使用不当引起爆炸，那么结果不仅是损害设备，还往往会波及周边的事物，甚至是人类，这样的危险事情在现实生活中也多次发生。因此，压力容器的制造需要加强检验，严控质量，保证压力容器的安全性。
压力容器制造的过程中，有一个重要的工艺就是焊接工艺，我们以压力容器中的锅炉举例来展现焊接工艺在压力容器结构中的应用，如锅炉的开孔结构、接管结构、支座结构、封头结构等。所有这类结构中都有焊接技术的运用，同时焊接件存在的不足也都会在这些件上体现，如焊接残余应力，此应力容易引起焊接件的裂纹，是较大的危险诱因。而此类应力较为集中存在的地方就是接头附近区域，所以开展压力容器焊接接头的焊接残余应力研究有助于优化焊接工艺和设计方案，对于压力容器的安全性能也是一种保障。
现在压力容器的采用了不少新的材质，整体上行业的发展也越来越迅速，这就对制造中的焊接要求变得更严。一些复杂的焊接件需要在高压、高温等条件下运用，因此其安全性控制显得更为重要。实际生活中，一些压力容器的损害也往往是焊接之处，当然这是因为焊接接头中的残余应力，所以进行焊接接头中残余应力分析的工作显得比较重要。
压力容器的热处理是降低焊接接头残余应力，改善接头组织，保证焊接产品质量的有效处理方式。为此国家相关委员会颁布了相关热处理的意见征求稿，给出了不同直径与厚度板材下的热处理工艺，相关焊接件的热处理工艺相对研究较多，而以压力容器中锅炉为重点研究对象，采用有限元进行分析，并提出相应去残余应力的方法，具有重要意义。
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