承压容器焊接接头残余应力测试及有限元分析
4锅炉承压容器的焊接接头残余应力研究
在生活和生产的各个领域中锅炉被广泛地应用，影响着工业生产和人民生活。锅炉制造的过程中关键的工序之一是焊接，焊接的质量好坏决定了锅炉的质量。随着锅炉的参数、容量和炉型变化以及锅炉新材料和复杂锅炉部件的引入，使得其焊接工艺、焊接结构尺寸、拘束大小以及施焊程序都有了相应的改变，残余应力的水平也不一样，并且十分复杂的分布。焊接残余应力的峰值大小、分布状态直接对应力腐蚀开裂和锅炉的疲劳破坏等产生了不良的影响。因此需要找出合理的减少或消除焊接残余应力的对策，以达到能提高锅炉焊接质量的目的，进而达到能提高锅炉制造的质量的目的。
目前在国民经济中占有非常主要的战略地位是能源，众多的超（超）临界机组的投产运行，T91 钢被大量的使用在超（超）临界锅炉的受热面管中。众所周知，所有的高温设备与管道的制造通常都是采用焊接工艺来完成的，焊接构件在高温下的使用成为关键的结构元件之一。为了保证高温构件的结构完整性和安全可靠的服役性能，必须确保高温构件焊接接头的可靠性。在大量的设备与管道失效的事故众，焊缝发生早期失效的例子常见报道，高温构件焊接接头作为高温装置系统的薄弱环节已经得到了工程界越来越多的重视。因为在焊接过程中高度集中的瞬时热输入，使得在焊接过程中以及焊后将产生巨大的焊接残余应力以及残余变形。影响这些构件安全运行的一个主要原因是残余应力。人们一直比较关注准确地预测焊接残余应力。
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图4-1：锅炉实体图
随着科学技术的高速发展，数值模拟技术和数学模型的地位也显得越来越主要。由于数值模拟技术可以解决的工程系统日益复杂和高性能的问题，因此，在一些具有同等的地位工程领域的数值模拟一直被认为是一个重要的实验。在焊接过程中，焊接区被在瞬间被加热，母材熔化的焊接区因热膨胀，热膨胀被周围较冷区域的限制，从而产生热弹性应力。当被加热的区域的温度增加了其屈服极限降低热应力超过屈服极限是在该区域中的材料的一部分。其结果是焊接部产生的塑料热压缩，冷却后一个比周围区域相对较短，减少或缩小。因此此领域出现了残余拉伸应力。在过渡材料的显微结构的冷却过程造成的体积增加，如果这种情况发生在一个较低的温度，而材料的此时的屈服强度足够高，就会导致在焊接区域产生压缩应力，而周边区域则会承受拉伸残余应力。
进入20 世纪80 年代后，有限元技术的日益成熟得到了广泛的发展，Tekriwal等人采用有限元方法对电弧焊的焊接过程进行了模拟，预测了焊接的温度场。Brust等人则采用热弹塑性有限元模型计算了，锅炉能够用 304 不锈钢管道的焊接残余应力。 Tekriwa等人采用三维有限元瞬态传热模型模拟了钨极氩弧焊 (TIG) 焊接过程的热流动情况，考虑进焊接速度和电流输入强度等原因，预测了热影响区和焊缝熔合区的宽度，并与试验测量的数据相比较。Dong分别对二维和三维的圆管对接焊进行了数值模拟分析均得到了满意的结果。 Jiang et al采用有限元法对钎焊接头的残余应力以及蠕变进行了较为深入细致的研究。 Zhang et al对高温合金钢焊接接头残余应力 及损伤做过大量焊接残余应力数值模拟及损伤 研究。
4.1焊接接头残余应力测试
焊接应力的产生原理 锅炉在焊接过程是极不均匀的局部加热的过程，这一过程会造成金属内部的不均匀收缩和膨胀。因此，从原理上讲，焊接中所引起的应力和变形与不均匀温度场所引起应力变形规律是一样的。但是，焊接的应力变形相对来说要复杂很多。它的复杂性表现在以下三个方面:(1)焊接时有很大范围的温度变化。在焊缝的中心部位，其最高温度可达到材料的沸腾点，但在离开热源时温度则急剧下降，因此相差的温度梯度都非常大；(2)由于在焊接时加热的
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温度非常高，且变化的范围大，金属材料的力学性能和热物理性能均随温度而变；(3)因为焊接的温度变化范围大，因此局部超过相变温度引起局部发生相变。相变将会引起许多力学参量和物理的变化。对构成锅炉的金属，当焊接完成后，在构件当中将会产生变形和残余应力。其根本原因在于焊接时，焊接区域因为巨大的温差会产生大量不均匀变形，而这反过来会受到抑制效应变形围绕发展冰冷的金属不能自由。在加热阶段，因为它不是自由膨胀，它也必须强调在两侧瞬时热应力，焊接和相邻区域远离焊缝拉伸应力。由于焊缝和邻近区域T>800℃时，该材料已经失去弹性，被限制为所产生的部分的膨胀被压缩的塑性变形。在冷却阶段，因为它不是冷却收缩自由的，所以会出现的残留应力的产生，焊缝和邻近地区是由于残余张应力的收缩的限制，应力为远在焊缝的两侧。
在正常情况下，该塑料更好焊件，当有较少的结构刚度，焊件的自由收缩的程度就较大。这样，焊接的应力将通过较大的自由收缩变形而相应的减小。结果一定是结构内部的焊接应力较小但结构外部表现的焊接变形较大；相反的，假如焊件的刚度大，其自由收缩会受到很大的限制，则内部的焊接应力就会较大，而外部焊接变形则会较小。
4.1.1焊接接头的制备
试样为 φ47.6mm×7mm SA213-T91 直管焊接试样。管道焊接残余应力测试试样，如下：
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图4-2：焊接应力测试
焊后需要热处理，焊后热处理的规范为，自 420℃起升温速度≤220 /h ℃ ，保温温度730-760℃，保温时间2h，保温后冷却速度≤275 /h ℃ ，冷却至≤420 /h ℃ 后在静止空气中冷却。
4.1.2焊接残余应力测试
为了确保测试精度，在测试过程中X 射线光斑打到试样表面无散射等影响，必须先将管道试验测试处进行表面处理。由于本试样焊缝表面的光洁度和平整度较高，为了避免用砂轮或砂纸焊缝处打磨过程中对试样表面产生压应力而影响测试精度，故取消这一步骤，直接对试样进行电解抛光，直到测试点处出现足够光亮且无划痕为止。
4.1.3残余应力测试结果与有限元结果的比较
首先采用X射线衍射仪测量T91管道外壁轴向残余应力，然后对管道进行线切割，将该管道沿中线割开，测量其内壁轴向残余应力，内外壁焊接残余应力测试点分布如图所示。
将测试后的内壁和外壁轴向焊接残余应力测试结果进行整理，同时和有限元模拟的结果进行对比，以验证有限元模拟焊接残余应力方法的有效性和有限元结果的可靠性。通过热处理后的焊接残余应力与有限元值的对比，可以看出测量点的残余应力测试值与对应的有限元模拟结果较为接近，而且分布趋势上也是一致的，这能够说明采用有限元进行焊接残余应力分析是可行的。从试验值和有限元值上均能够看出来，在焊缝处的残余应力比较高，内壁为拉应力，而外壁为压应力，并且随着焊缝距离的增大，其应力值也逐渐减小。
4.2焊接接头残余应力有限元分析 4.2.1有限元模型
整个有限元分析过程是基于网格单元与节点进行求解的过程。对焊接结构进
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行有限元分析时，因为焊缝处热输入量大，而且要瞬时进行热传导，热量梯度与应力应变梯度较大，是有限元分析的重点部位，在结构与求解方程上非线性程度非常高，是有限元分析的重点区域。因此焊缝及其热影响区的网格密度相对要增大，而在远离此区域的大部分母材区域中，则能够逐渐放大网格单元尺寸，以提高计算效率。T91 钢焊接接头尺寸及网格模型如图所示。
(a) 焊接接头尺寸 (b) 有限元网格模型 图4-3：有限元模型建立
4.2.2 载荷与边界条件
有限元模型的载荷与边界条件要尽可能的模拟实际的焊接过程。对于内源性热系统热源模型，热焊接热源模型被用于振幅曲线（* AMPLITUDE）装入焊接方法，通过增加时间来模拟焊接热源的移动。焊接热源可以通过假定内部发热施加到焊缝单元，将有效地转换成热熔接熔接部的每单位时间，每单位体积的强度，耐热的产生如公式Q =ηUI/ AV，类型热效率η电弧，取为0.8的； U是电压； I是电流；相比焊缝的横截面面积； V作为焊接速度。在焊接过程中，为了防止整个结构的为防止焊件发生整体的刚性移动将焊接结构远离焊缝处需要进行固定约束。
4.3结果分析与讨论
焊态与焊后热处理残余应力分布。为直管焊接接头焊态与热处理后内壁轴向与环线焊接残余应力。由该图能够看出焊后内壁最大轴向应力为 531.9MPa，最大环向应力为 435.4MPa。由图(a)，(c)可知，热影响区处及内壁焊缝的轴向应力均为拉应力。对该焊接接头进行热处理后，其内壁轴向应力最高值降低到 187.9MPa，环向应力降低到 160.8MPa。由于热处理后，焊接残余应力进行了再
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