王 震，宋金星，劉亞軍，高 勇，2**

[1.榆林學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 榆林 719000；2.陜西省低變質(zhì)煤潔凈利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 榆林 719000；3.長慶油田(榆林)油氣有限公司，陜西 榆林 719000]

高壓容器在工業(yè)生產(chǎn)、裝備制造以及科學(xué)研究的眾多領(lǐng)域都占據(jù)著非常重要的地位[1-2]。高壓容器的焊縫處必然存在焊接殘余應(yīng)力，是焊接裂紋發(fā)生開裂的主要影響因素。焊接過程中溫度分布高度集中，由此產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和變形不僅會嚴(yán)重影響復(fù)雜焊接工件的后期加工精度和尺寸，還會對壓力容器的結(jié)構(gòu)構(gòu)件、結(jié)構(gòu)剛度、靜載荷產(chǎn)生影響[3-4]，大大降低生產(chǎn)工件的使用壽命[5]。

由于焊接過程中溫度分布不均勻，所產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力的分布規(guī)律也非常復(fù)雜。國內(nèi)外學(xué)者對焊接殘余應(yīng)力也進(jìn)行了大量的研究[6-10]。李偉權(quán)等[11]對圓筒形高壓容器球形封頭與筒體2種常用焊接方式的選型進(jìn)行了探討，認(rèn)為在容器沒有盛裝腐蝕介質(zhì)或存在疲勞等工況要求時，宜選用中徑對齊焊接方式；若考慮容器盛裝腐蝕介質(zhì)或存在疲勞工況，宜選用內(nèi)徑對齊焊接方式。張祥等[12]運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件，利用生死單元技術(shù)對壓力容器上平板封頭與筒體的單面焊接進(jìn)行了研究和分析，揭示了溫度場、應(yīng)力場的分布規(guī)律。鮑陽[13]對某中壓蒸汽凝結(jié)水罐進(jìn)行了焊接變形模擬分析，發(fā)現(xiàn)不均勻的溫度場致使焊接殘余應(yīng)力集中分布在焊縫區(qū)域，殘余應(yīng)力的集中分布造成壓力容器變形較大。作者運(yùn)用ANSYS有限元軟件對高壓容器焊縫區(qū)的溫度場及殘余應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了研究，以期對壓力容器的工業(yè)應(yīng)用提供一定的指導(dǎo)。

1 建立幾何模型及劃分網(wǎng)格

建立的V型坡口二維幾何模型及網(wǎng)格見圖1。

a V型坡口幾何模型

b V型坡口網(wǎng)格圖1 V型坡口二維幾何模型及網(wǎng)格

筒體和球形封頭材料選用16MnR，其屈服強(qiáng)度為305 MPa，抗拉強(qiáng)度為480 MPa。焊縫填充材料選用鋁，其屈服強(qiáng)度為60 MPa，抗拉強(qiáng)度為80 MPa。設(shè)計壓力p=15.5 MPa，設(shè)計溫度t=300 ℃，公稱直徑DN=830 mm，筒體長L=1180 mm，筒體壁厚δ=70 mm，封頭厚度δ1=70 mm。在劃分網(wǎng)格時，選用Coupled Field-Vector Quad 13單元類型，在焊縫處進(jìn)行了局部細(xì)化，以提高計算精度[14]。

2 設(shè)置邊界條件與施加載荷

定義初始加載溫度為20 ℃，初始給定溫度應(yīng)施加在上下邊界上。定義2類約束條件，固定位移和溫度約束，在上端邊界施加X、Y方向固定約束、溫度約束，最下端邊界施加Y方向固定約束、溫度約束。分兩級焊接，對一級焊縫與二級焊縫施加1 500 ℃的溫度載荷。

3 結(jié)果與分析

3.1 球形封頭與筒體焊縫處溫度場分析

球形封頭與筒體焊縫處溫度云圖見圖2。

圖2 焊縫處溫度分布云圖

由圖2可知，熱影響區(qū)在焊縫及熔合區(qū)周圍，溫度從一級焊縫向二級焊縫呈遞增分布，從焊縫中心向封頭和筒體兩邊遞減分布，最高溫度達(dá)到595.86～668 ℃，分別出現(xiàn)在二級焊縫處、筒體與焊縫熔合區(qū)交匯處、封頭與焊縫熔合區(qū)交匯處，一級焊縫溫度較高，最高溫度達(dá)到523.72～595.86 ℃，熱影響區(qū)以外的區(qū)域?yàn)槭覝?，即不受焊縫溫度影響。

不同部位的節(jié)點(diǎn)隨溫度變化曲線見圖3。

由圖3a可知，施加溫度載荷并開始焊接，一級焊縫中心溫度達(dá)到最大值1 500 ℃。隨著焊接時間的推移，t<5 000 s，焊縫中心節(jié)點(diǎn)溫度下降幅度較小，t=5 000～25 000 s，溫度下降幅度較大，t>25 000 s直至焊接過程結(jié)束，溫度下降趨勢趨于平緩，最終下降至600 ℃。

t/sa 一級焊縫中心

t/sb 二級焊縫中心

t/sc 熔合區(qū)中心

t/sd 4節(jié)點(diǎn)溫度曲線圖3 不同節(jié)點(diǎn)處溫度分布曲線

由圖3b可知，施加溫度載荷并開始焊接，二級焊縫中心溫度最高約1 500 ℃。隨著焊接時間的推移，t<15 000 s,二級焊縫中心節(jié)點(diǎn)溫度下降幅度很大，t>15 000 s,溫度下降呈現(xiàn)平穩(wěn)趨勢，焊接完成后溫度下降至590 ℃。由圖3c可知，焊接開始后，t<15 000 s,熔合區(qū)溫度急速上升至450 ℃，t=15 000～35 000 s溫度上升比較緩慢，t>35 000 s,溫度開始緩慢下降，焊接過程結(jié)束后熔合區(qū)溫度約為460 ℃。由圖3d可知，球形封頭與筒體焊縫處不同節(jié)點(diǎn)的溫度變化不均勻，焊接開始階段，節(jié)點(diǎn)44溫度緩慢上升，直至焊接結(jié)束溫度上升至約100 ℃；節(jié)點(diǎn)474溫度緩慢上升，直至焊接結(jié)束溫度上升至約200 ℃；t<25 000 s,節(jié)點(diǎn)229溫度急速下降，t>25 000 s直至焊接結(jié)束溫度下降較為平緩，最終下降至約650 ℃；t<20 000 s,節(jié)點(diǎn)305溫度急速下降，t>20 000 s至焊接結(jié)束溫度下降較為平緩，最終下降至640 ℃。

3.2 球形封頭與筒體焊縫處應(yīng)力場分析

球形封頭與筒體焊縫處應(yīng)力云圖見圖4。

圖4 殘余應(yīng)力分布云圖

由圖4可知，應(yīng)力沿焊縫中心大致呈現(xiàn)對稱分布，最大殘余應(yīng)力出現(xiàn)在焊縫及熔合區(qū)處，其值約為1 750 MPa，殘余應(yīng)力沿焊縫中心向筒體與封頭方向先增加后衰減，與焊縫距離達(dá)到一定距離時殘余應(yīng)力變?yōu)榱?，即不受殘余?yīng)力的影響。這是由于焊接殘余應(yīng)力與外載荷產(chǎn)生的應(yīng)力相疊加，在焊接區(qū)造成局部區(qū)域應(yīng)力過高，而遠(yuǎn)離焊縫區(qū)不連續(xù)效應(yīng)的影響則較小[15]。

殘余應(yīng)力隨時間變化曲線見圖5。

由圖5a可知，開始焊接后，t<10 000 s,應(yīng)力變化有輕微波動但大體呈現(xiàn)上升趨勢，t>10 000 s,應(yīng)力變化保持平穩(wěn)上升，直至焊接結(jié)束一級焊縫中心所受應(yīng)力升至最大約為275 MPa。由圖5b可知，開始焊接后，二級焊縫中心所受應(yīng)力整體呈現(xiàn)上升趨勢，t<20 000 s,應(yīng)力上升比較緩慢且有略微波動。t>20 000 s,所受應(yīng)力基本呈現(xiàn)直線上升趨勢。焊接結(jié)束時所受應(yīng)力達(dá)到最大值，約為130 MPa。由圖5c可知，開始焊接后，t<8 000 s,熔合區(qū)所受應(yīng)力大致呈現(xiàn)直線上升趨勢，t=8 000 s,達(dá)到最大應(yīng)力約為990 MPa。t>8 000 s,所受應(yīng)力開始緩慢下降，直至焊接結(jié)束，熔合區(qū)所受應(yīng)力下降至約900 MPa。由圖5d可知，各節(jié)點(diǎn)所受應(yīng)力隨時間變化差異很大，t<20 000 s,節(jié)點(diǎn)301所受應(yīng)力變化不明顯，t>20 000 s,所受應(yīng)力開始緩慢上升，最大應(yīng)力約為110 MPa；節(jié)點(diǎn)240所受應(yīng)力在整個焊接過程中隨時間逐漸增加，最大值約為200 MPa；t<25 000 s,節(jié)點(diǎn)44所受應(yīng)力迅速上升，t>25 000 s,開始平緩上升，最大應(yīng)力約為1 050 MPa；t<7 000 s,節(jié)點(diǎn)371所受應(yīng)力迅速增長，最大應(yīng)力約為1 000 MPa，t>7 000 s,開始緩慢下降，焊接結(jié)束后所受殘余應(yīng)力下降至約為900 MPa。

t/sa 一級焊縫中心

t/sb 二級焊縫中心

t/sc 熔合區(qū)中心

t/sd 4節(jié)點(diǎn)應(yīng)力曲線圖5 不同節(jié)點(diǎn)處殘余應(yīng)力分布曲線

焊縫處各項(xiàng)殘余應(yīng)力隨焊縫中心距離變化的分布規(guī)律見圖6。

X/mm圖6 各項(xiàng)殘余應(yīng)力隨焊縫中心距離變化的分布規(guī)律

由圖6可知，第一主應(yīng)力最大，達(dá)到1 600 MPa，橫向殘余應(yīng)力最大值在焊縫的中心邊緣處約為500 MPa，遠(yuǎn)離焊縫中心，殘余應(yīng)力逐漸減小?？v向殘余應(yīng)力最大約為800 MPa，等效應(yīng)力在焊縫中心位置最小，遠(yuǎn)離焊縫中心逐漸增大，最大應(yīng)力約為500 MPa。

4 結(jié) 論

(1)在焊接過程中，筒體和封頭焊接區(qū)產(chǎn)生不均勻的溫度場，焊縫及熔合區(qū)溫度最高，其周圍區(qū)域的金屬溫度急速下降，并產(chǎn)生不均勻的伸縮，使焊縫及附近區(qū)域產(chǎn)生焊縫殘余應(yīng)力；

(2)焊接殘余應(yīng)力均集中在焊縫及熔合區(qū)，焊接殘余應(yīng)力關(guān)于焊縫中心呈對稱分布，焊接殘余應(yīng)力在焊縫及熔合區(qū)達(dá)到最大約為1 750 MPa，在遠(yuǎn)離焊縫處殘余應(yīng)力較小，在熱影響區(qū)內(nèi)，焊接殘余應(yīng)力變化最大。