管殼式換熱器內孔焊接殘余應力特性研究

劉晨璐* 劉國榮 候青林 諶家豪

（中國石油大學（華東））

0 前言

在管殼式換熱器中，常規焊接會使換熱管與管板之間存在一定的間隙。換熱器在腐蝕性環境中易產生間隙腐蝕以及應力腐蝕開裂等問題[1]。內孔焊接采用對接焊縫的形式，從設計結構上有效避免了常規焊接形成的縫隙，優化了焊件的應力分布情況[2-3]。

采用數值模擬的分析方式，探究了Q245 材料管殼式換熱器中不同深孔焊接結構的殘余應力分布情況和變形差別，總結了焊接工藝參數對深孔焊接殘余應力的影響規律。

1 模型構建

內孔焊接中換熱管與管板的接頭形式分為全對接式和準對接式[4]，根據GB/T 151—2014 《熱交換器》標準建立了4 種內孔焊接頭模型，具體如圖1 所示。

圖1 內孔焊接頭形式

換熱管規格為 48 mm×4.5 mm，熱端管板厚度為36 mm，換熱管與熱端管板之間采用對接焊接。為了限制焊縫附近的熱量流失，得到質量較高的焊縫，在管板上加工一個接口，具體尺寸如圖2 所示。采用鎢極脈沖氬弧焊，控制脈沖電流和基值電流的比值為2.3～3.5。模型建立時采用如下假設[5-6]：（1）材料保持各向同性，材質均勻；（2）忽略金屬熔化后液態金屬的流動性及組織變化；（3）僅考慮材料彈塑性變形，不考慮材料蠕變帶來的影響；（4）耦合過程只考慮熱對流影響；（5）忽略母材與焊條的不一致性和化學反應；（6）假設金屬填充過程是勻速的。根據上述條件，建立二維軸對稱模型，在溫度場中定義網格類型為4 節點四邊形軸對稱傳熱型網格，采用一道焊方式，利用“生死單元格”進行結合分析。其中設定環境溫度為20 ℃，換熱系數為0.02。

圖2 厚壁換熱管與管板坡口型式（單位：mm）

2 模擬分析

2.1 溫度場模擬分析

初始時設定模型熱通量q=3 MW/m2，時間周期設置為10。不同焊接形式的溫度模擬云圖如圖3 所示。當焊縫開始被“激活”，熱量向焊縫兩端傳遞。焊接過程完成后，焊件逐漸冷卻，焊縫中心溫度逐漸降低，熱量向換熱管和管板方向傳遞。對焊縫中心路徑進行分析，焊縫中心處溫度隨時間的變化情況如圖4 所示，從圖4 可見，焊接是一個局部快速加熱的過程。

圖3 不同結構下的模擬溫度云圖

圖4 不同結構下焊縫焊接熱循

2.2 應力場模擬分析

將溫度場的分析結果作為載荷導入應力場，通過序貫耦合解法進行求解得到模型的應力云圖，如圖5所示。

無論是全對接型接頭還是準對接型接頭，由于接頭處結構不連續，徑向應力S11 和軸向應力S22 均集中在換熱管與管板的開槽處（圓角過度），軸向應力S22 在換熱管外壁、管板的內壁處為壓應力，在焊縫處、圓角過渡處則為拉應力。由于焊接過程中，焊縫處集中受熱，局部熔化后與周圍材料溫度形成巨大的溫度梯度，因此焊縫處的金屬受到周圍材料的約束作用后產生熱應力，且該作用力有可能超過材料的屈服極限，導致焊縫區域產生塑性變形。焊件冷卻過程中，焊縫區域相比周圍區域會縮短或變窄，因此焊縫區域會產生拉伸殘余應力，周圍區域則會受到壓縮殘余應力作用。

圖5 不同焊接形式的應力模擬云圖

由于接頭型式不同，全對接型接頭的應力分布情況與準對接型接頭有明顯區別。準對接型接頭的應力較大值集中分布在焊縫處、換熱管與管板連接處以及管板的底部，沿著管板方向擴展，形成較大的應力過該區。同時選取沿焊縫方向以及沿內壁方向兩條路徑對不同結構的焊接型式進行分析，具體如圖6 所示。

圖6 應力分布情況

從三向應力分布情況可以看出，在沿內壁方向，徑向應力S11 幾乎沒有改變，基本等于零；軸向應力S22 與環向應力S33 變化趨勢相同，在焊縫及熱影響區應力變化劇烈，顯示出焊接殘余應力的局限性。沿焊縫方向，全對接型接頭的徑向應力S11 仍然維持在零左右；軸向應力S22 則受到焊接溫度和材料變形的影響，在近縫區內產生了拉伸殘余應力，其周圍區域則出現了壓縮殘余應力。環向應力S33 與軸向應力S22 的變化趨勢相同，且環向應力值較大。由于管板與換熱管之間存在間隙，準對接型接頭易產生應力集中現象，使得換熱管外壁處產生了徑向拉伸應力，S11 沿著換熱管內壁逐漸延伸呈現下降趨勢。

2.2.1 應力場對比

焊縫處的Mises 應力如圖7 所示。無論是全對接型接頭還是準對接型接頭，沿焊縫路徑的Mises 應力大小均呈現下降趨勢。全對接型接頭靠近換熱管外壁處應力值較大，準對接型接頭的應力較大值則位于焊縫中心處。全對接型接頭的應力集中區域面積小于準對接型接頭，主要集中在焊縫處以及結構不連續處，大小約為320～330 MPa。準對接型接頭殘余應力主要集中在焊縫、裝配間隙以及管板的底部，其大小約為295 MPa。全對接型接頭應力值與準對接型接頭的應力值相差不大，而且由于換熱管與管板的裝配方式不同，準對接型接頭應力集中區域主要在管板底部，相比全對接型接頭應力集中區域更廣，因此全對接型接頭的應力條件比準對接型接頭更好。在工程運用中，全對接型焊接接頭具有較強的連接強度和承載能力，同時應力集中區域較小，抗疲勞能力強，在腐蝕環境中，抗應力腐蝕的能力也很強，且全對接型焊縫接頭質量較高，更利于貼片進行射線檢測[7-8]。

圖7 焊縫處Mises應力

2.3 變形分析

在外力或溫度的影響下，焊件會發生尺寸和形狀變化。變形大多集中在焊縫與管板的結構不連續處以及管板的開槽處，且具有一定的規律，具體如圖8 所示。焊件內壁以及焊縫中心處的變形位移如圖9 所示。全對接型接頭焊縫處位移變形最大，沿焊縫中心從焊縫外壁到內壁變形量呈現增加趨勢。準對接型接頭的變形量沿焊縫中心呈現先減小后增大的趨勢。

圖8 應變分布

圖9 變形位移

3 結論

（1）全對接型接頭的焊縫以及換熱管與管板連接處應力值最大，且沿管板厚度方向以及換熱管底部逐漸降低。除準對接型接頭焊縫和管板連接處以外，在管板的底部同樣存在大范圍應力集中現象。因此，全對接型接頭具有較小的應力集中區域，且性能更穩定。

（2）全對接型接頭最大變形位于焊縫處，同時沿著焊縫向管板以及換熱管的端部擴展；準對接型接頭的最大變形位于換熱管與管板的焊接坡口處，同時變形逐漸向焊件內壁擴展，且準對接型接頭的應力變形值于全對接型接頭結構。

因此，全對接型接頭的應力集中范圍更小，應力分布更均勻對稱，變形量小，焊縫質量較高、傳熱更平衡、承載能力更強。