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电站锅炉异种钢接头应力分布的数值模拟 |
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| 电站锅炉异种钢接头应力分布的数值模拟 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2008-9-24 10:44:14  |
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摘要： 用Ansys有限元分析软件，分析了几种不同工艺条件下异种钢接头的应力。通过计算，验证了焊后热处理对于降低接头焊接残余应力的重要作用。通过对焊后热处理的异种钢接头在施加内压工作载荷时的应力模拟发现，在G102焊接热影响区存在严重的应力集中，是导致该部位组织性能恶化和早期断裂失效的重要因素。
关键词： 异种钢接头；应力场；数值模拟；锅炉 再热器和过热器炉管的爆管是锅炉的多发事故，原因之一是再热器、过热器炉管中的珠光体耐热钢12Cr2MoWVTiB(简称G102)与奥氏体不锈钢SUS304(相当于国产0Cr18Ni9)异种钢焊接接头的早期断裂失效造成的。通过对电站锅炉内异种钢接头失效机理的研究得知，异种钢接头中的G102侧焊接热影响区是早期断裂失效的多发部位［1］，其主要原因是：①由于接头两侧材料蠕变强度的不匹配，在G102侧焊接热影响区内应力集中较大并存在复杂的三向应力区。②由于接头合金元素分布的不均匀性，在G102侧熔合线两侧的碳元素的活度会产成梯度，使G102焊接热影响区中的碳元素向焊缝中迁移，形成低强度的脱碳区与高硬度的增碳区。③由于接头两侧材料线膨胀系数的差异，造成复杂的焊接残余应力分布。使用过程中焊接残余应力与工作应力迭加，将会增大接头局部的应力与应变，降低接头寿命。④接头的应力与应变会增加接头微观组织的不稳定性，加速该部位组织的蜕化和碳化物的粗化。⑤由于应力和氧化的综合作用，会在接头G102侧焊接热影响区表面形成氧化沟槽，减少承载面积，且在狭窄的沟槽根部会增加接头的应力集中程度［2］。
由以上原因可以看出，接头的早期断裂失效，与接头的应力分布状态和应力数值大小是密切相关的。由于接头的实际应力分布很难用实验方法检测，因此通过数值模拟的方法，对几种不同焊接工艺条件下的再热器炉管G102/SUS304焊接接头的动态应力场进行了模拟计算与分析比较。同时，对异种钢接头焊接后去应力热处理的作用以及在内压工作载荷下的接头应力分布状况也作了数值模拟。
1 数值模拟的方法
数值模拟过程利用了ANSYS大型有限元计算软件。ANSYS可以对工程应用领域，包括静态和动态结构分析、稳态和瞬态热传导问题、电磁场、耦合场分析等进行数值模拟［3］。
焊接应力场的计算，是建立在温度场基础上的。先计算出焊接动态温度场后，再对焊接过程的热应力场进行耦合计算。先将热单元转换为结构单元，相应补充材料库力学性能，再将温度计算结果作为热载荷重新建立载荷步文件和约束条件，之后进行计算与后处理。模拟步骤如下：
实体建模建 --> 立材料库文件 --> 网格划分 --> 加载 --> 计算 --> 数据后处理 --> 温度场 --> 耦合计算 --> 应力场
为了减少计算工作量，取试件的1/2圆周建模。模拟当焊接线能量与焊接层数、焊接坡口角度、焊后去应力热处理、施加内压工作载荷工艺条件改变时，G102/SUS304异种钢焊接接头动态温度场与应力场。
试件尺寸为Φ51×3.5×100，采用钨极氩弧焊，焊材为Inconel82镍基焊丝，焊接坡口形状是V形对接，钝边为0.5mm，坡口角度为70o。
2 不同条件下数值模拟的结果
2.1 改变焊接线能量与焊道层数
模拟中分别采用以下3种焊接工艺方案：①单道直流焊。焊接电流为80A，电弧电压为14V，焊接速度为1.2mm/s。②单道脉冲焊。焊接峰值电流为105A，基值电流为55A，脉宽比为35%，电弧电压为14V，焊接速度为1.2mm/s。③双道脉冲焊。电流波形与单道焊相同，双道连续焊，焊接速度为1.5mm/s。
3种情况下的焊接线能量分别为9.3、8.4、6.74kJ/cm。3种工艺方案下接头焊接残余应力分布的计算结果如图1～4所示。
图1 内表面周向残余应力
图2 外表面周向残余应力
图3 内表面径向残余应力
图4 外表面径向残余应力
从上述图中可以看出：①从焊接残余应力总体分布状况来看，焊缝及近缝区承受拉伸应力，而远离焊缝的母材承受压缩应力，由于是异质接头，残余应力分布关于轴线是不对称的，应力峰值位于G102侧焊接热影响区内。②接头受三向残余应力作用，其中沿 管子的圆周方向应力为最高，达到200MPa以上；其次为沿管子壁厚方向的径向应力，其幅值不超过65MPa，由于焊接时沿管子轴向无约束，因此轴向应力为最低。③管外表面周向残余应力峰值明显小于内表面的周向残余应力，这主要是因为管材的形状约束作用的结果。④不同的焊接工艺对焊后的残余应力的影响有比较显著的不同。直流焊后的残余应力明显高于脉冲焊后的残余应力；双道脉冲焊的影响明显小于单道焊。单道脉冲焊的线能量小于单道直流焊，因此前者的焊后残余应力小于后者。而双道脉冲焊时第一焊道对第二焊道焊能起到预热作用，第二焊道焊又相当于对第一焊道进行了回火处理，降低了残余应力峰值和应力梯度，所以双道脉冲焊焊后的残余应力最小。
2.2 改变G102侧坡口角度
据文献［4］分析, 增大坡口角度将会增加填充金属数量，降低异种钢之间由线膨胀系数差别引起的热应力，减弱了耐热钢与不锈钢之间蠕变强度的差别，有利于提高接头的寿命，因此，分别构造了70o和80o(G102侧为45o)2种坡口角度的模型，采用单道直流焊接工艺，对其残余应力分布状况进行对比性分析。图5、图6分别为2种状况下接头内表面周向残余应力和外表面径向残余应力的分布图。由图可以看出，坡口角度为80o时，残余应力峰值较坡口角度为70o时的要小，G102侧焊接热影响区内的周向应力峰值约降低60MPa，且应力分布区域有所变化，在SUS304侧HAZ出现了新的应力峰值。由于材料SUS304的高温力学性能显著优于G102，因此增加G102侧的坡口角度会有利于延长接头的使用寿命。通过图6得知，坡口角度改变后对径向残余应力峰值的影响不大。
图5 内表面周向残余应力
图6 外表面径向残余应力
总体看来，增加G102侧的坡口角度，可以在一定程度上缓解该侧的应力集中，但坡口角度的增加势必会增加填充金属，在不改变焊接层数的情况下则要求焊接线能量增大，这对于接头组织与性能将产生不利影响，因此坡口角度的增大对于延长接头寿命意义不大。
2.3 焊后去应力热处理
焊后热处理是为了降低焊接接头的残余应力，改善焊缝金属的组织与性能。一般认为，异种钢接头焊后去应力热处理的效果不明显，因为在热处理降温过程中，由于接头两侧材料的线膨胀系数有差异，冷却后还会形成新的残余应力，尤其对于锅炉中使用的钢管，其管壁较薄，去应力热处理意义不大。为此，笔者对单道脉冲焊的接头模拟了焊后热处理的应力。热处理规范：780℃下保温1h,加热速率为220℃/h,冷却速率为300℃/h。
图7、图8为单道脉冲焊接头在热处理前后管子内、外表面周向残余应力场的分布情况。由图可以看出，热处理使接头的应力重新分布，周向应力辐值降低约一半，应力梯度减小，因此焊后热处理对于降低接头应力、稳定接头组织与性能的作用不可低估。另外还可以看出，热处理前，残余应力峰值均出现在G102侧焊接热影响区。而热处理后，残余应力重新分布，应力峰值出现在镍基焊缝中或SUS304侧的焊接热影响区。由于这些部位的材料性能（尤其是高温韧性）显著高于G102，因此，热处理后的残余应力分布有利于延长接头的使用寿命。可见对该类接头进行焊后热处理的工艺制度必须严格执行。
图7 热处理前后管内表面周向残余应力
图8 热处理前后管外表面周向残余应力
2.4 施加内压工作载荷
在实际使用中，异种钢接头除自身焊接后存在残余应力之外，还有高温、高压的蒸汽载荷作用。本课题模拟再热器管道工作时管内蒸汽压力为2.65MPa。仍然取单道脉冲焊的接头模型，在完成焊后热处理模拟后接着在管道内表面施加对应于管道工作内压的面压力载荷和整体均匀工作温度载荷(取620℃)。
当管道受内压作用时，由于周向应力一般远高于其余方向，因此与工作应力叠加后的异种钢接头的应力状态，仍以周向应力为主要方向。
图9为再热器管道单道脉冲焊接头内表面周向在实际使用过程中所承受的总应力（即工作应力和焊后热处理后的接头剩余应力的叠加）。从图中可以看出，接头在实际工作状况下会出现较为严重的应力集中。拉伸应力峰值出现在G102侧熔合线及焊接热影响区，应力峰值高达180MPa，远高于再热器管道的周向平均工作应力。笔者认为：在工作载荷下出现这种接头局部的应力集中现象，主要是异种钢接头中不同材料间高温性能的差异所引起，至于焊接残余应力的影响则是次要的。不过，由于在实体建模中没有考虑焊缝余高，因此，没有计入由接头几何形状（特别是焊缝背面的余高）所引起的应力集中。这是因为焊缝余高虽然会增大焊趾部位的轴向应力集中系数，但是对周向应力的影响不大。
图9 工作载荷作用下的焊接头内表面周向应力分布
综上所述，从应力角度来看，无论是焊后焊接残余应力的分布，还是工作载荷作用下的接头应力分布，异种钢接头中G102侧焊接热影响区都是出现拉伸应力峰值的部位。由于异种钢接头化学成分分布的不均匀性和接头组织分布的不均匀性，G102焊接热影响区在长期高温使用过程中，会出现严重的组织与性能的蜕变，使得该部位成为接头中的薄弱环节。本文通过对接头的应力分析，从另一个侧面补充说明了G102焊接热影响区之所以成为断裂失效的多发部位的重要原因。高水平的应力集中除了增大该部位的蠕变损伤之外，还会加速该区域组织与性能蜕变以及氧化速率。
3 结论
对电站锅炉再热器管道异种钢焊接接头进行数值模拟，可以得知异种钢接头焊接残余应力场分布有如下特征：
(1) 异种钢接头中沿管件圆周方向的焊接残余应力较其他2个方向大得多，且管子内表面的周向残余应力值要高于外表面，拉伸应力峰值一般出现在G102侧焊接热影响区。
(2) 采用低的焊接线能量（或增加焊缝层数），能够有效地降低异种钢接头的焊接残余应力峰值。
(3) 增大G102侧的焊接坡口角度对于延长接头使用寿命意义不大。
(4) 焊后热处理能够改善残余应力的分布状况，明显降低接头的焊接残余应力，因此对该类接头进行焊后热处理是完全必要的。
(5) 在工作载荷作用下，异种钢焊接接头存在较大的应力集中，拉伸应力峰值出现在G102侧焊接热影响区。造成这一现象的主要原因在于异种钢接头中不同材料间高温性能的差异。
4 参考文献
［1］ Dooley R.B. et al.Ontarion Hydro Experience with dissimilar metal welds in boiler tubing,Welding Journal,1982,(2).
［2］ 谭建国.使用ANSYS 6.0 进行有限元分析.北京：北京大学出版社，2002.
［3］ 章应霖，杨厚君，吕文厂，等.焊接工艺因素对电站铁素体/奥氏体异种钢接头早期失效的影响［J］，电力建设,1999（2）：13～16.
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