李凌,郭瀟瀟,忻紅波,虞世君,葉志高

(鎮(zhèn)海石化建安工程股份有限公司,浙江 寧波 315200)

常減壓蒸餾是煉油化工裝置中第一道工序,由于原油質(zhì)量下降,作為常減壓蒸餾裝置中的原油-常頂油氣重要設(shè)備的換熱器,也面臨著更為惡劣的工況[1]。換熱器最主要的失效形式為管子與管板的連接失效,換熱管與管板接頭也是換熱器腐蝕泄露最嚴(yán)重的部位,這是換熱管與管板接頭處結(jié)構(gòu)連接形式以及復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境導(dǎo)致的。本次論文即來源于國(guó)內(nèi)某常減壓蒸餾裝置中的換熱器由于工況惡劣,經(jīng)常性發(fā)生管子管口泄漏及管板應(yīng)力腐蝕開裂的問題,為提高設(shè)備使用周期,換熱器管子管板均更換為TA2材質(zhì)[2],為了從制造階段提高管子管口質(zhì)量,降低泄漏風(fēng)險(xiǎn),本文擬運(yùn)用CAE仿真分析結(jié)合實(shí)驗(yàn)分析手段對(duì)目前合理的焊接工藝進(jìn)行優(yōu)化,通過探究出最優(yōu)焊接工藝參數(shù),指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn),進(jìn)而提高產(chǎn)品質(zhì)量[3]。

通過前人經(jīng)驗(yàn)及本文試驗(yàn)性研究[4],發(fā)現(xiàn)焊接工藝參數(shù)中的電流無論是對(duì)焊后殘余應(yīng)力或是接頭強(qiáng)度都有較大的影響,因此本文擬將目前合理的焊接工藝中的電流參數(shù)細(xì)化為三種,通過ANSYS Workbench仿真分析軟件模擬三種工藝參數(shù)下鈦制管子管板焊后殘余應(yīng)力及變形情況,再通過試驗(yàn)手段對(duì)不同焊接工藝參數(shù)下的試樣進(jìn)行機(jī)械性能分析和金相分析,結(jié)合模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證進(jìn)而得出結(jié)論[5]。

1 有限元分析

本文使用SolidWorks三維建模軟件進(jìn)行建模,建模完成后將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench進(jìn)行網(wǎng)格劃分及仿真分析得到管子管板焊后殘余應(yīng)力分布情況[6]。

1.1 有限元模型建立及網(wǎng)格劃分

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況,取模型管板厚度δ=20 mm,換熱管規(guī)格φ25 mm×1.5 mm,同時(shí)考慮到本次用于模擬的硬件能力有限,建立完整的管子管板模型分析不切實(shí)際,因此本文有限元模型是依據(jù)實(shí)際鈦管板厚度、材質(zhì)、布管形式等,建立單一管口模型,模型選取直徑φ55 mm,確保熱影響母材等在分析區(qū)域內(nèi),模型繪制如圖1所示。

圖1 三維模型

將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分,單元格尺寸確定為1 mm,單元格類型選擇20節(jié)點(diǎn)六面體單元。應(yīng)該注意的是,網(wǎng)格的精度、密度決定了模擬分析結(jié)果的準(zhǔn)確性,也決定著計(jì)算效率和計(jì)算成本,本文借鑒前人的經(jīng)驗(yàn),在網(wǎng)格劃分過程中,進(jìn)行反證驗(yàn)證計(jì)算,通過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證,最終確定網(wǎng)格的劃分尺寸及單元格類型[7]。網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分圖

1.2 熱源模型及邊界條件設(shè)置

本次熱源模型選用高斯表面熱源,實(shí)際試焊時(shí)采用脈沖氬弧焊,根據(jù)預(yù)制件取樣測(cè)定熔深、熔寬等數(shù)據(jù)后,設(shè)定熱源模型[8]。工藝參數(shù)劃分見表1。

表1 焊接工藝參數(shù)

在焊接模擬過程中,邊界條件是極為重要的,邊界條件的合理與否決定了模擬結(jié)果能否真實(shí)反映實(shí)際焊接情況[9]。為確保試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性,在熱傳導(dǎo)邊界條件上,將模型與空氣接觸的面施加10 W/(m2·K)的對(duì)流換熱系數(shù),在側(cè)向整個(gè)環(huán)面施加20 W/(m2·K)的對(duì)流換熱系數(shù),模擬鈦材之間的熱量傳遞。在約束方面,模擬采用單管口模擬,相當(dāng)于從整個(gè)管板中切割出受力分析模型,因此在模型柱坐標(biāo)“切割面”上施加Y方向的位移約束,同理在模型底面施加X、Z方向的位移約束,模擬切割件與管板主體連接時(shí)的受力情況。

1.3 材料參數(shù)設(shè)定

焊接仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性同樣依賴于準(zhǔn)確的材料性能參數(shù),本次模擬使用的是TA2材質(zhì),且焊接仿真是熱固耦合的一個(gè)分析過程,因此材料性能參數(shù)隨溫度變化是同樣重要的,本文經(jīng)過資料查閱,其抗拉強(qiáng)度約為500 MPa,屈服強(qiáng)度約為520 MPa,泊松比0.33,其隨溫度變化的材料參數(shù),包括比熱容、彈性模量、導(dǎo)熱系數(shù)及線膨脹系數(shù),見圖3。

圖3 材料參數(shù)隨溫度變化曲線

1.4 模擬結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

焊接是一個(gè)對(duì)焊件局部迅速加熱繼而逐漸冷卻的過程。在實(shí)際焊接過程中,焊件各個(gè)部位的溫度不一,不均勻溫度分布導(dǎo)致不均勻變形,焊件內(nèi)部靠近焊縫部分變形較大,而遠(yuǎn)離焊縫部位變形較小,從而在焊件內(nèi)部產(chǎn)生了焊接殘余應(yīng)力[10]。焊接殘余應(yīng)力的危害有很多,但主要體現(xiàn)在對(duì)構(gòu)件變形的影響、對(duì)受壓焊接穩(wěn)定性的影響、對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響、對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響。本文在軟件中設(shè)定好焊接相關(guān)參數(shù)、邊界條件及熱源參數(shù)后,進(jìn)行熱固耦合分析,本文焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)云圖是通過以溫度場(chǎng)作為溫度載荷,進(jìn)行熱-固耦合分析得到的[11],其依據(jù)是第四強(qiáng)度理論(Von Mises),焊后殘余應(yīng)力分布見圖4。

圖4 焊后殘余應(yīng)力分布圖

分析焊后殘余應(yīng)力云圖,隨著焊接電流的增大,焊后殘余應(yīng)力最大值也越大,環(huán)焊縫引起的焊接區(qū)域應(yīng)力分布具有局部性特點(diǎn),具有較高的應(yīng)力值區(qū)域集中在焊縫及焊縫周圍區(qū)域。焊縫及焊縫周圍較大的集中應(yīng)力分布是焊縫及熱影響區(qū)是管板出現(xiàn)裂紋重災(zāi)區(qū)的主要原因,因此考察不同焊接工藝參數(shù)這一區(qū)域下的應(yīng)力分布特征是具有一定意義的[12]。同時(shí)考慮到起焊處會(huì)受到更多的焊接熱循環(huán),為進(jìn)一步分析焊縫及熱影響區(qū)的應(yīng)力分布情況,本文通過結(jié)果后處理在起焊處提取圖5所示的路徑R1、R2的節(jié)點(diǎn)及其殘余應(yīng)力值。

圖5 路徑R二維示意圖

將提取出來的結(jié)果,利用origin制圖軟件繪制成圖6所示的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力曲線。

圖6 路徑R上等效應(yīng)力分布曲線圖

通過觀察曲線圖,可以發(fā)現(xiàn):1)分析路徑R1上焊后殘余應(yīng)力分布情況,三種工藝參數(shù)沿著管橋方向分布情況基本一致,逐漸減小,在焊縫與管板相接位置殘余應(yīng)力最大;2)編號(hào)a、b的焊接工藝參數(shù)最大殘余應(yīng)力值基本相同,約320 MPa左右,編號(hào)c最大殘余應(yīng)力約為374 MPa,明顯上升;3)分析路徑R2上焊后殘余應(yīng)力分布情況,沿著焊縫方向,焊后殘余應(yīng)力分布趨勢(shì)相同都逐漸減小,但在距離管子管板相接位置處約1.5 mm位置處出現(xiàn)一個(gè)短暫的波峰,考慮本次模擬焊縫為兩道,第一道焊縫應(yīng)力沿管橋方向未完全釋放時(shí),第二道焊縫的加載使得應(yīng)力出現(xiàn)短暫值上升,這與實(shí)際情況是吻合的,焊縫上層級(jí)熱影響區(qū)域的焊后殘余應(yīng)力較大,可以間接驗(yàn)證實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)力腐蝕開裂主要集中在這一區(qū)域中。通過對(duì)編號(hào)a、b、c三組工藝進(jìn)行橫向比較,可以發(fā)現(xiàn)編號(hào)c的焊后殘余應(yīng)力明顯高于編號(hào)a、b,因此就焊縫應(yīng)力分布結(jié)果來看,當(dāng)焊接電流過大超過某一范圍時(shí),焊后應(yīng)力會(huì)極具增大。

2 試驗(yàn)分析

通過有限元仿真分析以及焊后殘余應(yīng)力的分析,可以得出編號(hào)a、b焊接工藝參數(shù)更優(yōu),為進(jìn)一步確定編號(hào)a、b工藝參數(shù)的優(yōu)良,本文通過制備焊接試樣,驗(yàn)證試樣的機(jī)械性能,同時(shí)對(duì)金相組織進(jìn)行分析。試樣預(yù)制如圖7所示。其中分別以編號(hào)a、b、c焊接工藝進(jìn)行常規(guī)布孔焊接4個(gè)管孔,同時(shí)制備2件拉伸試件。

圖7 焊后實(shí)物圖

2.1 拉脫力試驗(yàn)

拉脫試件依據(jù)GB/T 228進(jìn)行拉脫試驗(yàn),測(cè)定抗拉強(qiáng)度Rm及Rp0.2(0.2%非比例延伸強(qiáng)度),試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 拉脫試驗(yàn)(試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn):GB/T 228)

通過拉脫力試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),編號(hào)b的焊接工藝參數(shù)下的試樣抗拉強(qiáng)度及0.2%非比例延伸強(qiáng)度要優(yōu)于編號(hào)a及編號(hào)c。

2.2 金相檢測(cè)

對(duì)檢測(cè)完畢后的管板進(jìn)行線切割,在適當(dāng)位置切取金相試樣,試樣的切取應(yīng)完整保留焊縫,以便對(duì)焊縫的金相組織進(jìn)行進(jìn)一步的分析。取樣是通過切割,在較大的材料或結(jié)構(gòu)件上取下所選擇的樣品,目前切割的方法主要有砂輪片切割、刃具切割、電火花切割、激光切割、火焰切割等,本文選取線切割的方式從管板接頭上切取金相試樣。

鈦及鈦合金的金相制備與一般金相試樣的研磨方法不同,用普通的方法研磨后的金相試樣表面暗淡無光,也無法進(jìn)行拋光[13]。結(jié)合前人經(jīng)驗(yàn),本文采用機(jī)械研磨加化拋光的方法,利用800#-2000#砂紙、金剛石研磨膏、氧化鋁拋光劑、絲絨拋光布以及一種化學(xué)溶液,其中溶液為V(HF)∶V(HNO3)∶V(乳酸)=1∶1∶3。第一步,使用浸水砂紙將試樣從800#-2000#進(jìn)行打磨,注意打磨過程中需要保持砂紙始終處于潤(rùn)濕狀態(tài);第二步,利用金剛石研磨膏(顆粒度為2.0 mm)及金相研磨機(jī)進(jìn)行粗拋光后再使用氧化鋁拋光機(jī)進(jìn)行精拋光;第三步,用化學(xué)溶液擦拭試樣表面幾秒,再利用顆粒度為1 mm和帶有絲絨拋光布的研磨機(jī)將試樣拋光至有光澤的鏡面。若經(jīng)過上述第一步,已得到較為光滑的金屬表面,可略去第二步,直接進(jìn)行第三步驟即可。侵蝕液的選取依據(jù)《金屬材料金相圖譜》選擇溶液V(HF)∶V(HNO3)∶V(H2O)=1∶12∶50,侵蝕時(shí)間為20～30 s,侵蝕完畢后應(yīng)立即用酒精擦拭并進(jìn)行風(fēng)干。

按上述操作方法制備完成后,采用LEICA金相顯微鏡對(duì)侵蝕好的試樣進(jìn)行金相觀察得到圖8～10所示的金相組織圖。

(a)焊縫;(b)熱影響區(qū)

(a)焊縫;(b)熱影響區(qū)

(a)焊縫;(b)熱影響區(qū)

通過對(duì)金相組合圖進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn),編號(hào)a、b、c焊接工藝參數(shù)下金相組織成份基本相同,焊縫組織主要有α′相(六方馬氏體)、少量片狀α組織及針狀α[14];其次,發(fā)現(xiàn)電流越大,熱輸出越大,而鈦的導(dǎo)熱系數(shù)小,高溫停留時(shí)間長(zhǎng),焊縫及熱影響區(qū)組織明顯粗化,馬氏體組織增多、增大,這對(duì)接頭質(zhì)量顯然是有影響的,適當(dāng)增大電流可以增加焊縫中的這種針狀馬氏體α′,通過觀察編號(hào)a、b焊縫金相組織圖可以發(fā)現(xiàn),后者焊縫金相圖中針狀馬氏體α′數(shù)量較多,且較為粗壯,分布狀態(tài)以多向針或呈籃網(wǎng)狀,這在一定程度上提高了焊接接頭的強(qiáng)度。當(dāng)電流進(jìn)一步增大后,觀察編號(hào)c焊縫金相組織圖,可以發(fā)現(xiàn)針狀α′馬氏體組織繼續(xù)長(zhǎng)大,成為板條狀,這種粗大的組織反而會(huì)降低接頭的強(qiáng)度及塑性。金相組織圖的分析結(jié)果也在一定程度上印證拉脫試驗(yàn)結(jié)果。因此就金相組織圖觀察結(jié)果而言,編號(hào)b的焊接工藝參數(shù)要優(yōu)于編號(hào)a、c。

3 結(jié)論

本文通過運(yùn)用模擬與試驗(yàn)相結(jié)合的方法,研究了平接接頭形式下合理的焊接工藝范圍內(nèi)更優(yōu)的工藝參數(shù)并得出以下結(jié)論:

1)在本文所描述的接頭形式、規(guī)格參數(shù)等條件下的TA2管子管板,使用上述編號(hào)b代表的焊接工藝參數(shù)可以得到更優(yōu)異的焊接質(zhì)量,不但有效降低焊縫及管橋上的焊后殘余應(yīng)力,同時(shí)能提高焊接接頭強(qiáng)度。

2)利用CAE仿真分析手段對(duì)管子管板焊后殘余應(yīng)力進(jìn)行分析提高了驗(yàn)證效率,降低了試驗(yàn)難度,為后續(xù)相關(guān)工藝性探究提供了一定借鑒依據(jù)。

3)文中對(duì)于焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬結(jié)果,由于受到計(jì)算機(jī)CPU處理數(shù)據(jù)能力的限制,不能處理復(fù)雜的網(wǎng)格結(jié)構(gòu),因此對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,只模擬了單個(gè)管頭的模型,若是可以按照排列形式模擬1/4管板,模擬結(jié)果將會(huì)更加具有說服力。