蒸汽流量計(jì)焊縫開裂數(shù)值模擬研究

劉剛 應(yīng)嘉聰 孫安安

摘要：某企業(yè)檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)12Cr1MoV鋼的蒸汽流量計(jì)焊縫根部存在大量環(huán)向裂紋，通過對流量計(jì)焊接接頭進(jìn)行化學(xué)成分分析、金相實(shí)驗(yàn)，材料選擇符合要求。通過有限元計(jì)算模擬出焊接后蒸汽流量計(jì)殘余應(yīng)力的分布，指出了根部產(chǎn)生大量環(huán)向裂紋和裂紋擴(kuò)展的原因，并對改善蒸汽流量計(jì)焊縫開裂提出了建議。

關(guān)鍵詞：蒸汽流量計(jì);焊縫;開裂;有限元計(jì)算;殘余應(yīng)力

近年來，鍋爐及相關(guān)部件時(shí)常發(fā)生事故，給企業(yè)帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人身安全事故。如2016年湖北省當(dāng)陽市馬店矸石發(fā)電有限責(zé)任公司發(fā)生的蒸汽管道流量計(jì)焊縫開裂，導(dǎo)致22人死亡的嚴(yán)重高壓蒸汽外泄事故。因此從2018年起市場監(jiān)管總局要求電站鍋爐涉及的壓力管道元件應(yīng)當(dāng)符合壓力管道安全技術(shù)規(guī)范的要求。蒸汽管道中的流量計(jì)一直處于監(jiān)管之外，沒有具體的制造標(biāo)準(zhǔn)，也缺乏統(tǒng)一的設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)、安裝、使用管理等方面的相關(guān)技術(shù)要求，因此流量計(jì)焊接接頭質(zhì)量成為了蒸汽管道最大的隱患之一。聞強(qiáng)研究了蒸汽管道主流量計(jì)在降壓、降溫過程中的開裂原因，認(rèn)為流量計(jì)材料熱處理狀態(tài)不符合要求以及介質(zhì)存在有害離子導(dǎo)致流量計(jì)處于局部應(yīng)力腐蝕開裂環(huán)境導(dǎo)致流量計(jì)快速開裂失效。王立坤等研究了孔板流量計(jì)導(dǎo)壓管失效原因，認(rèn)為流量計(jì)在安裝應(yīng)力、震動和環(huán)境中的CI元素共同導(dǎo)致了應(yīng)力腐蝕形成裂紋源，其后又以疲勞的形式擴(kuò)展導(dǎo)致斷裂。此外，還有一些學(xué)者對12Cr1MoV鋼的焊接性和工藝性展開相關(guān)試驗(yàn)研究。

某熱電企業(yè)蒸汽流量計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸如圖1 所示。在定期檢測時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)焊縫根部存在環(huán)向裂紋，裂紋從根部延伸到第二道焊縫。為了安全起見，對蒸汽流量計(jì)焊縫材料進(jìn)行了能譜和金相分析。從圖2和表1中可以看出，焊縫處材料與國標(biāo)GB/T3077規(guī)定的12Cr1MoV標(biāo)準(zhǔn)一致，表明焊縫材料與母材吻合，出現(xiàn)焊縫處開裂并不是焊縫選材的問題。

1.焊接過程溫度場建立

為了能更深入地分析焊縫根部出現(xiàn)裂紋的原因，對焊接過程使用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行了有限元模擬。由于流量計(jì)為軸對稱結(jié)構(gòu)，且邊界條件，幾何形狀及載荷都對稱于同一對稱軸，因此在ABAQUS中使用軸對稱模型，如圖3所示。分析步選擇熱傳遞分析步，并選擇瞬態(tài)求解。單元類型采用DCAX4，單元形狀以四邊形為主。模型網(wǎng)格如圖4所示。其中模型總體單元總數(shù)31763，節(jié)點(diǎn)總數(shù)32387。由于焊接過程分4道完成，因此將焊縫區(qū)域劃分為4層，結(jié)構(gòu)見圖5如圖所示。焊接過程中電弧熱功率為4kw。并將流量計(jì)焊接前溫度場設(shè)置為20℃。由于流量計(jì)工作過程溫度為540℃，在焊接結(jié)束后將內(nèi)壁溫度設(shè)置為540℃，獲得工作狀態(tài)下流量計(jì)內(nèi)部的溫度場分布，如圖6所示。

2. 焊接應(yīng)力場分析

將求解的溫度場作為預(yù)定義場導(dǎo)入模型中，將分析步改為靜力分析步。單元類型更改為CAX4R。在焊接過程中在流量計(jì)筒體兩側(cè)施加約束，限制其軸向的位移，在焊接結(jié)束后解除約束。由于工作過程中流量計(jì)工作壓力為9.8Mpa，在流量計(jì)內(nèi)壁施加9.8Mpa的應(yīng)力，在流量計(jì)兩側(cè)施加14.7Mpa的應(yīng)力，如圖7所示。

在焊縫中間位置自底部向上做一路徑，如圖8所示。獲得正常工作狀態(tài)下（內(nèi)壓為9.8MPa）該路徑中沿徑向（S11），沿軸向（S22），沿周向（S33）應(yīng)力分布，如圖9所示。

由圖9可知，流量計(jì)在沿軸向方向應(yīng)力最大，因此裂紋萌生與擴(kuò)展受軸向應(yīng)力影響最大。對軸向應(yīng)力進(jìn)行具體分析。

圖10為流量計(jì)在工作過程中沿軸向的應(yīng)力分布云圖。圖11為流量計(jì)焊縫部位沿軸向應(yīng)力分布圖。圖11為第一層焊縫沿軸向應(yīng)力分布圖。由應(yīng)力分布云圖可以看出，在流量計(jì)工作過程中，第一層焊縫區(qū)域在軸向方向受到拉應(yīng)力作用，到了第四層焊縫區(qū)域，沿軸向應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)閴簯?yīng)力。

圖13為在各道焊接結(jié)束后，在工作溫度下（內(nèi)壁溫度為540℃）以及正常工作狀態(tài)下（內(nèi)壓為9.8MPa）該路徑中沿軸向應(yīng)力（S22）分布。

由圖13可以看出，在工作狀態(tài)下，第一層焊縫底部沿軸向應(yīng)力達(dá)到最大值，為370Mpa。在第一道焊縫區(qū)域，軸向應(yīng)力由370MPa逐漸減小到167Mpa，但仍然超過了焊材在該工作溫度下的許用應(yīng)力，因此導(dǎo)致裂紋萌生進(jìn)而擴(kuò)展。在第二道焊縫區(qū)域，沿軸向應(yīng)力值逐漸減少;而到了第三，第四道焊縫區(qū)域處所承受的應(yīng)力為壓應(yīng)力，不會產(chǎn)生裂紋。因此實(shí)際裂紋只會擴(kuò)展至第一道焊縫和第二道焊縫交界處，如圖14所示。

3.結(jié)論

（1）流量計(jì)在制造焊接時(shí)，熔合區(qū)熱溫度高，尤其是流量計(jì)焊接處厚度較厚，整體結(jié)構(gòu)尺寸較短，焊接時(shí)散熱效果較差，溫度梯度較大，容易在焊接接頭處產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。與工作應(yīng)力疊加后，會形成較大的軸向應(yīng)力，從而在服役一段時(shí)間后，在焊縫處產(chǎn)生裂紋。

（2）軸向應(yīng)力從第一層焊縫區(qū)域到第四層焊縫區(qū)域數(shù)值不斷減小，軸向應(yīng)力狀態(tài)也由拉應(yīng)力逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力。這也解釋了為什么根部的裂紋往往只在第一道焊縫處發(fā)現(xiàn)，大多止裂于第一道焊縫的原因。

（3）為了防止根部裂紋的產(chǎn)生，流量計(jì)在焊接后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行焊后熱處理，改善焊接接頭性能，從而從根本上防止蒸汽管道流量計(jì)出現(xiàn)安全事故。

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作者簡介：劉剛 1982年生，2005年畢業(yè)于鞍山科技大學(xué)，現(xiàn)從事設(shè)備備件采購。