摘 要：利用有限元软件ABAQUS,针对加氢高压换热器焊接密封结构的焊接残余应力开发了一个 顺次耦合的焊接热应力计算程序,讨论焊缝角度及焊缝尺寸对焊接残余应力的影响,得到了加氢高 压换热器焊接密封结构温度场、应力场分布情况以及最大焊接残余应力的位置及大小,为预防加氢 高压换热器焊接密封结构的失效提供参考。
关键词：加氢换热器;密封接头;焊缝尺寸;正交试验;残余应力
中图分类号：TG 407 文献标志码：A
换热器作为装置系统能量平衡和能量回收中不可缺少的关键设备,随着石油化工装置向着大型化和高参数方向的不断发展,其体积和质量也越来越 大。为此,设备的长周期安全运行已越来越受到有 关行业的高度关注。高压加氢换热器作为加氢装置的主要设备之一,担负着原料油与反应生成油的热量交换任务,由于设备的操作压力和温度均较高,介质属于易燃、易爆的油气类,因此换热器一旦泄漏后果将十分严重。某公司加氢装置中有多台换热器的管箱密封结构采用了平板形焊接密封结构,其中 较多的采用了角焊缝焊接密封接头[1~3]。该密封结构具有密封可靠、寿命长的特点,但在长期的高温、高压和临氢环境下,此焊缝结构易出现裂纹,甚至开裂而引起泄漏[4]。因此,研究焊接密封接头处残余应力及其影响因素[5],并对焊接密封结构进行优化, 对延长密封结构寿命以及保证加氢装置长周期安全 运行具有重要的工程意义。
目前,国内外对焊接密封结构残余应力有限元 模拟及其影响因素研究尚未查到相关文献。文中利 用有限元软件ABAQUS[6],对加氢高压换热器管箱 法兰的角焊缝焊接密封接头的焊接残余应力进行了 数值分析,讨论了焊缝角度和焊缝尺寸的大小对焊 接残余应力的影响,得到了焊接部位的温度场和应 力场的分布规律。
1 计算模型
1.1 高压换热器管箱法兰参数
研究对象为加氢高压换热器管箱法兰的平板式 焊接密封结构。有关参数为,管程设计压力为 16.9 MPa,设计温度272℃。管箱法兰、盖板材料 均为16Mo5。实心圆平板尺寸为Φ1 212 mm× 10 mm,材质0Cr18Ni9。管箱法兰表面有5 mm厚 的0Cr18Ni9堆焊层,计算模型见图1。
1.2 角焊缝焊接密封接头几何模型
假设材料变形为线性强化弹塑性模型[7~9],管 箱法兰焊接密封结构角焊缝的详图见图2。从分析 应力角度出发,选取了2条路径(BC和AD),路径 BC为位于法兰上的焊缝(轴向),路径AD为在实 心圆平板上的焊缝(径向)。
焊接采用焊条电弧焊,共分3个焊道,焊脚高度 为7 mm。第1焊道焊条A302,第2和第3焊道的 焊条A132,焊接规范见表1[10]。需要注意的是,在 第1焊道、第2焊道焊接结束后应冷却5 min后再 进行下一道焊接,焊接结束后应自然冷却到常温。 由于是多道焊工艺,不能对每次焊接后焊缝的 实际尺寸进行测量,所以将每个焊道尺寸简化成如 图3所示形式。图中,MN为第1焊道的焊脚高度, NG为第2焊道的焊脚高度,并假设第2焊道和第3 焊道的焊脚高度相同。nextpage
1.3 板式焊接密封结构有限元模型
利用有限元软件ABAQUS6.5,开发一个顺次 耦合的热应力计算程序来模拟板式焊接密封结构的 焊接残余应力。计算过程如下:①进行热分析。将 各节点温度场的计算结果输出到结果文件作为力分 析的预定义场,在力分析过程中从此预定义场中读 取各节点温度,进行插值计算。②通过施加内生热 模拟电弧的加热作用,运用单元激活技术(model change remove or add)模拟多道焊的情形。③热分 析和力分析使用相同的单元和节点。
考虑到模型的对称性,取模型的1/2进行分析。 以中心面为对称面建立模型,采用结构性网格,生成 1 521个节点,1 422个单元。ABAQUS的热模拟 选用四节点对称单元DCAX4,残余应力模拟选用 CAX4单元,网格划分见图4,图中网格的疏密分别表示焊缝附近温度变化较小及很大。
2 正交试验表设计
在数值模拟中,为了减少模拟次数,安排一组 L9(33)的正交试验方案,同时对试验结果进行正交 分析,找到一组角焊缝焊接密封接头最优的焊缝角 度及尺寸,为进一步研究焊接密封接头的开裂提供 借鉴。
为了尽可能减少模拟次数,考察焊缝角度α、 MN及NG对焊接残余应力的影响,宜选用正交试 验法[11]。考虑到上述4个焊接工艺参数之间没有 交互作用,因此以它们作为因子,每个因子取3个值 作为水平,共进行9组试验,如此设计的L9(33)正交表见表2。
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3 数值模拟结果和正交分析
3.1 数值模拟结果
根据正交试验表,通过有限元软件ABAQUS 的计算依次得出了路径BC在每组焊缝结构下的焊 接残余应力值。表2中序号1~9在不同焊缝结构 下,路径BC焊接残余应力数值模拟结果的比较见 图5。路径BC和路径AD在同一焊接结构下的焊 接残余应力的比较见图6,其对应的焊缝结构角度 α=45°,MN=3 mm,NG=4 mm。
由图5可以看出,①在不同的焊缝结构下,路径 BC各点焊接残余应力的变化趋势是相同的,焊接 残余应力极值分布在距焊缝0~5 mm内,距离焊缝 越远焊接残余应力越小。②图5a的焊接残余应力 极值的最小值出现在第2组,数值为256 MPa。③ 图5b的残余应力极值的最小值出现在第5组,数值 为257 MPa。④图5c的残余应力极值的最小值出 现在第7组,数值为248 MPa。⑤图5c的焊接残余 应力与其他两图相比,应力集中且应力变化梯度较 大,并出现了序号1~9组中焊缝应力的最大值和最小值。
由图6可以看出,①焊缝连接的2个部件,其焊 接残余应力的变化在0~30 mm内是相似的。②在 焊缝及焊缝附近,路径BC和路径AD有同样大的 焊接残余应力极值,其数值均为257 MPa。但路径 BC极值位于距焊缝0~5 mm,路径AD极值位于 距焊缝0~11.6 mm。③路径BC的焊接残余应力 随着距离焊缝越远,焊接残余应力逐渐递减,在3 mm附近出现最小值35 MPa。④路径AD的焊接残 余应力在距离焊缝20 mm处出现最小值66 MPa。 由以上分析可知,实心圆平板垫片的焊接残余 应力极值范围比法兰要大。在远离焊缝处,实心圆 平板垫片的焊接残余应力值比法兰部位的焊接残余 应力值要大,且实心圆平板垫片的焊接残余应力分 布比法兰上的焊接残余应力分布复杂得多。
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3.2 正交分析
以每组模拟结果中应力极值作为考察目标,根 据正交试验数据处理方法,就可以分析焊缝角度a、 尺寸MN及NG的大小对焊接残余应力的影响,正 交分析结果见表3。表中,Ki(i=1,2,3)为每列因 子在每个水平上的Mises应力极值之和,ki(i=1, 2,3)为Ki的平均值,Δi为极差,Δi= maxki- minki,MPa。
以表3中每列因子为例,有下式成立:
表3列出了每组模拟结果中的应力极值计算ki 和Δi,从中可以看出,ΔNG>Δα>ΔMN。由此说 明在3个因子中,NG对焊接残余应力的影响最大, 角度α的影响其次,MN影响最小。因素NG的第 3水平对应的应力值最小,即第3水平最好。同理 得到因素角度α的2水平,因素MN的2水平为最 好。因此,得到使得残余应力极值最小的最佳焊缝 结构,即NG=4 mm,MN=2 mm,α=45°。
4 结语
加氢高压换热器角焊缝焊接密封接头在不同组 合的焊缝结构下的焊接过程和冷却过程的焊接应力 中,在焊缝及焊缝热影响区内的焊接残余应力最大。 而且这些部位受力复杂且受力不均匀,极易发生裂 纹。设计时,应采取必要的焊后热处理以降低焊接 残余应力,防止发生泄漏失效。
此计算分析结果可对加氢高压换热器角焊缝焊 接密封接头的实际焊缝结构选择提供参考,也为进 一步研究和分析该类换热器焊接密封接头的开裂失 效提供了一定的依据。
