水煤氣變換反應器筒體焊接殘余應力數值模擬與實驗

殷文海，談金祝，王瑞卿，高志偉

（南京工業大學機械與動力工程學院，江蘇南京211816）

水煤氣變換反應器筒體焊接殘余應力數值模擬與實驗

殷文海，談金祝，王瑞卿，高志偉

（南京工業大學機械與動力工程學院，江蘇南京211816）

為研究水煤氣變換反應器筒體環焊殘余應力的分布規律，利用ANSYS軟件對含不銹鋼復合層的筒體焊縫進行焊接殘余應力的數值模擬，同時采用X射線衍射法對筒體焊縫進行殘余應力測定。數值模擬結果表明，過渡層焊接殘余拉應力遠高于復層與基層，形成明顯的應力梯度；殘余應力在復層表面垂直于焊縫方向上均為壓應力，且在焊縫中心壓應力最大，沿焊縫方向上為拉應力，最大值出現在焊縫邊緣部位；實驗測量結果與數值模擬結果一致，驗證了數值模擬結果的正確性。

數值模擬；復合鋼板；焊接殘余應力

0 前言

焊接是工業生產中必不可少的一部分。近年來，由于工業生產要求的不斷提高，對焊接技術的要求也越加苛刻，尤其是當焊接材料的厚度很大時，焊接接頭在焊接過程中所產生的殘余應力值會隨之增加[1]。焊接殘余應力是導致焊接氫致裂紋、脆性斷裂、疲勞斷裂、應力腐蝕裂紋等破壞形式的主要因素之一[2]。故此，對焊接接頭進行殘余應力的數值模擬顯得尤為重要。

焊接殘余應力的產生往往是造成結構最終破壞的主要原因，國內學者對單一材料的焊接模擬做了大量研究工作，通過模擬獲得焊接溫度場，應力場及變形[3-5]。國外學者對焊接數值模擬的研究在工程應用方面涉及較廣，通過模擬數據預測焊接殘余應力分布[6-7]，對確保設備安全運行具有指導意義。盡管國內外眾多學者針對焊接接頭殘余應力的分布情況進行了相關研究，但是在水煤氣變換反應器領域研究較少，尤其是不銹鋼復合板焊接殘余應力的數值模擬研究至今鮮有報道，在此基礎上，本研究對水煤氣變換反應器筒體焊接殘余應力進行數值模擬與實驗研究，利用生死單元技術，基于ANSYS有限元軟件建立不銹鋼復合板筒體環焊縫的數值模型，模擬研究其殘余應力分布，同時利用X射線衍射法（XRD）對筒體環焊縫表面進行殘余應力測定，并將實驗結果與數值模擬結果進行比較分析，結果可為服役中的水煤氣變換反應器的安全運行提供理論依據。

1 有限元模型的建立

1.1 數學模型

焊接溫度場以熱傳導為主，考慮輻射和對流作用。在焊接過程中隨著熱源移動，整個焊件的溫度發生劇變，同時材料的熱物理性能也隨之改變，故焊接溫度場分析是一個瞬態非線性熱傳導問題，其控制方程為[8]

式中 Rx、Ry、Rz為單位面積上的熱流密度（單位：W/m2）；T（x，y，z，t）為t時刻的溫度（單位：℃）；Q（x，y，z，t）為t時刻的內熱源強度（單位：W/m3）；ρ為密度（單位：kg/m3）；c為比熱（單位：J/kg·℃）。

在焊接殘余應力的有限元分析中，傳熱分析的結果作為溫度載荷代入力學分析中。在力學分析過程中要用到兩個基本方程[9]：

平衡方程

式中 σi，j為應力張量（單位：Pa）；bi為表面張力（單位：N/m）。

DWI技術檢測出534枚淋巴結，179枚淋巴結為良性，其中病理證實為惡性者57枚、良性者122枚；DWI技術檢測出355枚為惡性，其中病理證實為惡性者290枚、良性者65枚。統計檢測所得數據，并對結果進行分析，具體統計情況見表1。

熱彈塑性力學本構方程

式中 [De]為彈性剛度矩陣；[Dp]為塑性剛度矩陣；[Cth]為熱剛度矩陣；dσ為應力增量（單位：Pa）；dε為應變增量；dT為溫度增量（單位：℃）。

1.2 物理模型

本研究對象為水煤氣變換反應器筒體環焊縫，介質為水煤氣，操作溫度約230℃，操作壓力3.5MPa左右，設備尺寸φ3800×16730mm，壁厚δ=60+3mm，筒體材質為16MnR+0Cr18Ni10Ti復合鋼板。考慮到筒體為圓形對稱結構，為便于計算，模型可簡化為二維平板焊接問題，模型結構及尺寸如圖1所示，坡口形狀為X形坡口，依次按照基層、過渡層、復層的順序焊接不銹鋼復合板，如圖2所示。基層為16MnR的焊接，焊條選取E5015，過渡層為16MnR與321不銹鋼異種鋼焊接，此處易產生應力集中，焊條為E309-15，復層為321不銹鋼焊接，焊條選取E347-15。

圖1 計算模型Fig.1 Computational model

圖2 不銹鋼復合板焊接順序Fig.2 Welding sequence of stainless steel clad plate

1.3 有限元模型的建立

為了研究水煤氣變換反應器筒體環焊殘余應力，采用有限元方法對反應器筒體環焊縫進行焊接殘余應力分析，模型采用二維平板對接焊模型。由于單元plane13具有二維磁、熱、電和結構場分析能力，并能在各場之間實現有限耦合，具有大變形、應力剛度以及大應變的能力，故采用plane13作為本次研究的模擬單元。本單元有4個節點，每個節點可以有4個自由度。

網格劃分如圖3所示，為節省模擬時間，保證模擬精確度，焊縫網格劃分較密，單元長度取0.001 m，兩邊平板為0.003 m。劃分單元為不規則形狀，采用自由網格劃分。將劃分后的每個單元按質心的Y坐標排序，利用ANSYS的生死單元技術，依次激活焊接單元，每激活一個單元即完成一次分析。當完成所有單元的分析后，為模擬其冷卻過程，指定一個較長的冷卻時間，最終殘留在模型上的應力即為焊接殘余應力。

1.4熱源模型

選用高斯熱源作為該結構數值模擬熱源模，其表達式為[10]

式中 k為熱源集中度系數；Q為熱源在瞬時給焊件的熱能；R為電弧有效加熱半徑；r為加熱區某一點離電弧加熱斑點中心的距離。根據焊接速度選擇適當的時間步，使焊縫單元逐漸“復活”，通過apdl將焊接熱源逐步施加到“復活”的焊接單元中。

圖3 網格劃分Fig.3 Finite element meshing

1.5 邊界條件

焊接模擬初始溫度為室溫20℃，焊接過程中，焊件與外界同時存在熱對流和熱輻射，取對流系數10 W/m2·K，輻射發射率為0.85[11]。在間接耦合應力分析場中，焊縫中心面為對稱面，需要施加對稱約束。為了確保焊件不發生剛性移動，在遠離焊縫的平板左右兩端點處約束所有自由度。

2 實驗

2.1 試驗材料與儀器

試驗材料為變換反應器筒體試塊，試塊取自退役后的變換反應器筒體環焊縫部位。表面殘余應力采用加拿大Proto公司研發的高精度的iXRD.Combo型X射線殘余應力分析儀（iXRD）測量，測量選用的參數為：靶材Mn_K-Alpha，曝光時間2 s，曝光次數10次，1 mm光圈，X射線彈性常數-S1及1/2S2分別為1.20×10-6MPa-1及7.18×10-6MPa-1，波長為2.10314 A，測量晶面為hkl（311），X射線管電壓及電流分別為18.0 kV和4.0 mA。

2.2 試塊測點位置

為研究筒體環焊縫表面殘余應力的分布情況，利用X射線衍射法對變換反應器筒體環焊縫進行測定。如圖4所示，試塊取自水煤氣變換反應器筒體，切割部位為反應器筒體環焊縫區域。焊縫寬40 mm，以焊縫中心為原點，每隔4 mm取一點，共取9個點，分別測出這9個點在沿焊縫和垂直于焊縫方向上的殘余應力。

圖4 焊縫測試點布置Fig.4 Location of test points on the welding joints

3 結果與分析

水煤氣變換反應器筒體焊接殘余應力數值模擬結果如圖5所示。由圖5可知，殘余應力集中分布在焊縫區域，由于模型兩側施加對稱約束，應力分布以焊縫中心兩邊對稱。由圖5還可知，過渡層殘余應力較大。在焊縫及近縫區焊后冷卻收縮過程中，由于受到兩側相鄰金屬的約束，在基層與復層表面形成較高水平的焊接殘余拉應力，并且焊縫中心拉應力最大，靠近焊縫邊緣部位，拉應力逐漸減小。過渡層為321不銹鋼與16MnR低合金鋼的交界處，此處為異種鋼焊接。由于不銹鋼與低合金鋼的線膨脹系數、熱導率存在差異，因此，在焊接高溫下會產生熱應力，造成較大的焊后殘余應力，使得復合板基層與復層之間產生較高的應力梯度，對界面開裂有較大的影響。

圖5 殘余應力分布Fig.5 Distribution of residual stress

表1為復層不銹鋼表面殘余應力實驗測定結果。在表1中，x為測試點離焊縫中心的距離，σx為垂直于焊縫方向上（x方向）的殘余應力，σz為沿焊縫方向上（z方向）的殘余應力。由表1可知：在垂直于焊縫方向上，由于對接焊縫橫向收縮的主要部分是由于母材收縮引起的。母材在焊接過程中膨脹，當焊縫金屬凝固時，已膨脹的母材必然受到塑性壓縮，這就是橫向收縮的主要部分。同時焊縫中心部位為后焊焊道，先冷卻的焊縫限制后冷卻焊縫的橫向收縮，使得焊縫中心部位存在最大應力-467 MPa，遠離焊縫中心時，應力值逐漸減小，且均為壓應力；沿焊縫方向上均為拉應力，在焊縫邊緣σz有最大值314MPa，靠近焊縫中心，應力值逐漸減小至167MPa，而后又增大至205 MPa。

表1 復層表面殘余應力測定結果Tab.1 Result of residual stress on composite layer surface

為了驗證數值模擬結果有效性和正確性，將有限元分析結果與試驗結果進行對比，如圖6、圖7所示。圖6為距離焊縫中心不同位置x方向殘余應力測定的試驗結果與數值模擬結果的比較，圖7為距離焊縫中心不同位置z方向殘余應力測定的試驗結果與數值模擬結果的比較。

圖6 不銹鋼表層x方向殘余應力分布Fig.6 Distribution of x direction residual stress in stainless steel surface

圖7 不銹鋼表層z方向殘余應力分布Fig.7 Distribution of z direction residual stress in stainless steel surface

由圖6和圖7可知，該模型可以較好地預測焊縫中殘余應力的分布情況，尤其是在z方向上，數值模擬所得出的殘余應力數據與實驗測定值較為接近。在x方向，實驗值略高于模擬值，但是就整體趨勢而言，無論在x方向上還是在z方向上，數值模擬得出的殘余應力變化趨勢與實驗均較為一致，能夠真實地反應出焊縫中殘余應力的變化，可為服役中的水煤氣變換反應器筒體環焊殘余應力提供參考數據。

4 結論

（1）焊后復層表面存在較高水平的殘余應力，應力集中分布在焊縫區域，在垂直于焊縫方向上，中心部位壓應力最高為-467 MPa，且遠離焊縫中心應力逐漸減小，而在沿焊縫方向上，焊縫邊緣部位存在最大拉應力為314 MPa。

（2）過渡層為不銹鋼與16MnR異種鋼焊接，存在較大的拉應力，從而使得復層與基層之間產生明顯的應力梯度，在與復層和基層接觸的上下表面處拉應力最大，此處極易成為開裂的起始點。

（3）基于ANSYS軟件，針對水煤氣變換反應器筒體焊接殘余應力進行分析，數值模擬結果與實驗測定值一致，驗證了數值模擬結果的準確性。

[1]王紅梅，王秀芹，李建國.20R+0Cr18Ni10Ti不銹復合鋼板的焊接[J].山東化工，2007，36（4）：31-33.

[2]田錫唐.焊接結構[M].北京：機械工業出版社，1981.

[3]遲露鑫，麻永林.核電SA508-3鋼大型筒

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Numerical simulation and experimental study on the welding residual stresses of the cylinder for the water gas shift reactor

YIN Wenhai，TAN Jingzhu，WANG Ruiqing，GAO Zhiwei
（School of Mechanical and Power Engineering，Nanjing Tech.University，Nanjing 211816，China）

In order to study the distribution of residual stresses in circumferential welding of the cylinder for the water gas shift reactor，ANSYS code is used to simulate welding residual stresses of the welds on the water gas shift reactor cylinder with stainless steel clad plate.In addition，the welding residual stresses are measured by X-ray diffraction instrument.The simulated results show that the tensile residual stresses of the transition layer are higher than that of the cladding layer and base layer，and form obvious stress gradient.The X direction residual stresses on the cladding layer surface are compressive stress and the maximum value appears in the center of the weld.However，the Z direction residual stresses on the clad layer surface are tensile stress and the maximum value appears at the edges of the weld.The numerical simulated results agree are in accordance with the experimental results.

numerical simulations；clad plate；welding residual stress

TG113

：A

1001-2303（2015）09-0088-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.09.19

2014-09-18

殷文海（1988—），男，江蘇儀征人，在讀碩士，主要從事核工程焊接設計與技術管理工作。