管道環(huán)焊縫焊接及焊后熱處理過(guò)程模擬分析

李志宏 于 磊

（安徽省特種設(shè)備檢測(cè)院）

焊接是壓力管道系統(tǒng)最為常用的熱加工工藝，焊接質(zhì)量直接關(guān)系到管道的服役安全性與可靠性。 大量實(shí)踐證明，焊接接頭是壓力管道系統(tǒng)最為薄弱的部位之一，而焊接殘余應(yīng)力是導(dǎo)致焊接接頭產(chǎn)生氫致裂紋、脆性斷裂、疲勞斷裂和應(yīng)力腐蝕斷裂的重要因素［1，2］。 因此，有效控制焊接殘余應(yīng)力，準(zhǔn)確把握焊接接頭中焊接殘余應(yīng)力的大小、 分布等對(duì)管道的安全服役具有重大意義。焊接模擬作為一種有效獲取焊后殘余應(yīng)力與殘余變形的方法，被大量專(zhuān)家學(xué)者所使用，由此產(chǎn)生許多有價(jià)值的科研成果［3～5］。

1 12Cr1MoVG 焊接過(guò)程模擬

1.1 焊接工藝

材料為12Cr1MoVG 的兩個(gè)管段， 每段長(zhǎng)度均為0.5 m，管段外徑60 mm，壁厚9 mm，采用氬弧焊打底后焊條電弧焊填充蓋面的工藝進(jìn)行焊接，坡口形式為V 形（圖1），間隙尺寸為2 mm，鈍邊高度為1 mm， 坡口角度為55°， 焊接3 層（道），每層（道）的焊接規(guī)范見(jiàn)表1。

圖1 焊接坡口形式示意圖

表1 12Cr1MoVG 鋼管焊接規(guī)范

1.2 焊接熱物性能參數(shù)

焊接過(guò)程模擬屬于高度非線性瞬態(tài)模擬過(guò)程，在實(shí)際焊接過(guò)程中材料的物理性能會(huì)隨著溫度的變化而變化， 根據(jù)12Cr1MoVG 鋼管的化學(xué)成分等信息并利用JMatPro 軟件獲得的熱物性能參數(shù)如圖2 所示。

圖2 12Cr1MoVG 鋼管熱物性能參數(shù)

1.3 有限元模型建立與網(wǎng)格劃分

以管道中心所在軸線為對(duì)稱(chēng)軸建立2D 軸對(duì)稱(chēng)模型，為兼顧計(jì)算精度和運(yùn)算效率，對(duì)所關(guān)心的區(qū)域即焊縫及其附近受熱影響的區(qū)域劃分細(xì)的網(wǎng)格，管道遠(yuǎn)端則劃分粗的網(wǎng)格，中間實(shí)現(xiàn)由細(xì)到粗的網(wǎng)格過(guò)渡劃分方法。 有限元模型使用的網(wǎng)格單元類(lèi)型為CAX4RT，共有單元3 212 個(gè)。有限元模型的網(wǎng)格劃分如圖3 所示。

圖3 有限元模型的網(wǎng)格劃分

1.4 焊接過(guò)程模擬分析思路

采用熱-力完全耦合方式進(jìn)行模擬分析，即焊接過(guò)程中不僅考慮溫度場(chǎng)對(duì)應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生的影響，同時(shí)又考慮到應(yīng)力場(chǎng)對(duì)溫度場(chǎng)的影響，分析過(guò)程中使用的網(wǎng)格單元兼有溫度和位移的自由度。 這種分析方式相對(duì)于先計(jì)算溫度場(chǎng)然后計(jì)算應(yīng)力場(chǎng)即熱-力順序耦合方式來(lái)講， 其計(jì)算精度較高。

為更好模擬實(shí)際焊接材料的填充過(guò)程，采用“生死單元”控制技術(shù)。 焊接之前位于焊縫處的單元是不存在的，處于“被殺死”狀態(tài)，隨著焊接熱源的周向移動(dòng)，各層（道）中的焊縫單元被逐步激活，賦予其材料屬性并使其參與運(yùn)算分析，而未被激活的單元?jiǎng)t不參與運(yùn)算。

模型設(shè)置焊縫金屬的起始填充溫度為1 500 ℃，采用斜坡加載方式。 焊件初始溫度為20 ℃，焊接過(guò)程中同時(shí)考慮熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射作用。 管道兩端設(shè)置位移/轉(zhuǎn)角邊界條件以限制剛體位移達(dá)到分析收斂且不產(chǎn)生因剛體位移帶來(lái)的分析精度問(wèn)題［6］。

2 12Cr1MoVG 焊后熱處理過(guò)程模擬

2.1 焊后熱處理工藝

焊后熱處理具體方式為焊后消應(yīng)力退火熱處理，分為整體熱處理和局部熱處理兩種，因焊件較小，采取整體爐內(nèi)消應(yīng)力退火熱處理，其工藝參數(shù)主要包括進(jìn)爐溫度、 進(jìn)爐后加熱速率、熱處理溫度、保溫時(shí)間、出爐前降溫速率和出爐溫度。 這里進(jìn)出爐溫度均為300 ℃，加熱速率和冷卻速率參照文獻(xiàn)［7］，當(dāng)熱處理溫度為750 ℃時(shí)的爐內(nèi)消應(yīng)力退火熱處理工藝曲線如圖4 所示。

圖4 爐內(nèi)消應(yīng)力退火熱處理工藝曲線

2.2 焊后熱處理過(guò)程模擬分析思路

焊后熱處理過(guò)程的模擬分析以焊接過(guò)程模擬分析結(jié)果的應(yīng)力場(chǎng)作為焊后熱處理過(guò)程模擬的初始載荷狀態(tài)。 為比較不同熱處理溫度下的消除應(yīng)力效果， 選取600～750 ℃之間以25 ℃為溫度間隔的一系列溫度值進(jìn)行模擬分析。

3 模擬結(jié)果及結(jié)果分析

3.1 焊接溫度場(chǎng)

圖5 為焊接完成后焊縫截面的溫度場(chǎng)云圖，施加的等密度焊接熱源溫度為1 500 ℃，3 道焊縫 上69#、116#、179#3 個(gè) 節(jié) 點(diǎn) 處 的 焊 接 溫 度 循 環(huán)歷程如圖6 所示。

圖5 焊接完成后焊縫截面的溫度場(chǎng)云圖

圖6 焊縫上3 個(gè)節(jié)點(diǎn)處的焊接溫度循環(huán)歷程

由圖6 可以看出，焊接熱源的輸入是一個(gè)極不均勻的熱輸入過(guò)程，先受熱位置處的溫度急劇升高，然后隨著熱源的離開(kāi)溫度逐漸降低。 這種局部加熱-熔化-冷卻的劇烈變化過(guò)程決定了焊接過(guò)程和焊縫形成后特有的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)即焊接殘余應(yīng)力與殘余應(yīng)變場(chǎng)。

3.2 殘余等效應(yīng)力

經(jīng)750 ℃熱處理后焊縫的殘余等效應(yīng)力分布如圖7 所示。 由圖7 可看出，管道環(huán)焊縫及其附近區(qū)域等效應(yīng)力均為拉應(yīng)力， 應(yīng)力峰值達(dá)到268.4 MPa；經(jīng)熱處理后殘余等效拉應(yīng)力峰值降低到134.6 MPa，降幅為49.9%。

圖7 熱處理前/后殘余等效應(yīng)力分布云圖

為比較不同熱處理溫度下的殘余應(yīng)力消除情況，分別模擬了600～750 ℃之間以25 ℃為溫度間隔的熱處理情況。 通過(guò)記錄不同熱處理溫度下的殘余等效應(yīng)力峰值， 得到了不同熱處理溫度下的殘余等效應(yīng)力消除情況，結(jié)果如圖8 所示。 由圖8可看出，當(dāng)熱處理溫度為600、625、650 ℃時(shí)，熱處理效果基本一致， 殘余等效應(yīng)力降低約13%；隨著熱處理溫度的進(jìn)一步升高，殘余等效應(yīng)力消除效果進(jìn)一步加大。 這是因?yàn)殡S著熱處理溫度逐漸逼近下臨界相轉(zhuǎn)變溫度，產(chǎn)生附加塑性變形和高溫蠕變使得應(yīng)力進(jìn)一步松弛所致。

圖8 不同熱處理溫度下的殘余等效應(yīng)力峰值

3.3 內(nèi)表面殘余應(yīng)力

以沿著管道軸線方向的應(yīng)力作為軸向應(yīng)力，沿著焊縫圓周方向的應(yīng)力作為環(huán)向應(yīng)力，750 ℃溫度下熱處理前/后其內(nèi)表面軸向殘余應(yīng)力與環(huán)向殘余應(yīng)力分布如圖9 所示。 由圖9 可看出，熱處理前/后焊縫及其附近區(qū)域內(nèi)表面軸向殘余應(yīng)力和環(huán)向殘余應(yīng)力均為拉應(yīng)力，環(huán)向殘余應(yīng)力峰值大于軸向殘余應(yīng)力峰值，離開(kāi)該區(qū)域后軸向殘余應(yīng)力和環(huán)向殘余應(yīng)力均由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，在遠(yuǎn)離該區(qū)域的部位軸向殘余應(yīng)力與環(huán)向殘余應(yīng)力均趨于零；熱處理前內(nèi)表面軸向殘余拉應(yīng)力峰值為192.1 MPa,熱處理后內(nèi)表面軸向殘余拉應(yīng)力峰值降為73.8 MPa，降低幅度為61.6%；熱處理前內(nèi)表面環(huán)向殘余拉應(yīng)力峰值為312.5 MPa，熱處理后內(nèi)表面環(huán)向殘余拉應(yīng)力峰值降為150.8 MPa，降低幅度為51.7%；熱處理前內(nèi)表面環(huán)向殘余壓應(yīng)力峰值為232.7 MPa,熱處理后內(nèi)表面環(huán)向殘余壓應(yīng)力峰值降為149.2 MPa， 降低幅度為35.9%； 熱處理對(duì)改善內(nèi)表面軸向壓應(yīng)力的作用幾乎為零；熱處理在降低內(nèi)表面焊縫及其附近區(qū)域拉應(yīng)力作用方面效果顯著。

圖9 熱處理前/后內(nèi)表面軸向和環(huán)向殘余應(yīng)力分布

750 ℃溫度下熱處理前/后外表面軸向殘余應(yīng)力與環(huán)向殘余應(yīng)力分布如圖10 所示。 由圖10可看出，熱處理前/后焊縫及其附近區(qū)域外表面軸向殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，熱處理前/后焊縫及其附近區(qū)域外表面環(huán)向殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，離開(kāi)該區(qū)域后軸向殘余應(yīng)力由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力、環(huán)向殘余應(yīng)力由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力， 在遠(yuǎn)離該區(qū)域的部位軸向殘余應(yīng)力和環(huán)向殘余應(yīng)力均趨于零；熱處理前外表面軸向殘余壓應(yīng)力峰值為225.6 MPa,熱處理后外表面軸向殘余壓應(yīng)力峰值降為114.8 MPa，降低幅度為49.1%； 熱處理前外表面環(huán)向殘余拉應(yīng)力峰值為239.3 MPa， 熱處理后外表面環(huán)向殘余拉應(yīng)力峰值降為146.0 MPa， 降低幅度為39.0%； 熱處理前外表面軸向殘余拉應(yīng)力峰值為189.0 MPa，熱處理后外表面軸向殘余拉應(yīng)力峰值降為122.3 MPa，降低幅度為35.3%；熱處理前外表面環(huán)向殘余壓應(yīng)力峰值為92.6 MPa，熱處理后外表面環(huán)向殘余壓應(yīng)力峰值降為44.4 MPa，降低幅度為52.1%； 熱處理對(duì)改善外表面壓應(yīng)力相對(duì)于拉應(yīng)力效果較為顯著。

圖10 熱處理前/后外表面軸向和環(huán)向殘余應(yīng)力分布

綜上所述，熱處理雖然不能改變內(nèi)/外表面軸向殘余應(yīng)力和環(huán)向殘余應(yīng)力分布形態(tài)，但能起到減小并均勻軸向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力的作用，可使應(yīng)力分布區(qū)間進(jìn)一步變窄；熱處理在改善內(nèi)表面焊縫及其附近區(qū)域拉應(yīng)力方面效果顯著，在改善外表面壓應(yīng)力方面效果顯著。

4 結(jié)束語(yǔ)

管道環(huán)焊縫及其附近區(qū)域等效應(yīng)力為拉應(yīng)力；高溫產(chǎn)生的附加塑性變形和蠕變能使得應(yīng)力進(jìn)一步松弛， 因此對(duì)12Cr1MoV 鋼管道焊后熱處理應(yīng)盡量選擇較高的熱處理溫度；熱處理雖然不能改變內(nèi)外表面殘余應(yīng)力分布狀態(tài)，但能起到減小并均勻應(yīng)力的作用，可使應(yīng)力分布區(qū)間進(jìn)一步變窄；熱處理在改善內(nèi)表面焊縫及其附近區(qū)域的拉應(yīng)力方面效果顯著，在改善外表面壓應(yīng)力方面效果顯著。