核電不銹鋼管道對接焊后殘余應力分布規律研究

付 明，韓明洋，張 超，鄭 煒，劉劍鋒，朱其猛，陳高詹，陳培俊

(中國核動力研究設計院 核燃料元件及材料研究所,四川 成都 610213)

0 前言

化石燃料燃燒利用率低，環境污染嚴重，與傳統火電廠相比，核電是一種非常清潔的能源[1]，管道作為核電站運行的主要設備之一，其制造、安裝的質量直接決定核電站安全運行的可靠性,影響核電站是否達到服役要求[2]。管道制造出廠前經過探傷確保符合使用要求，管道焊接工藝和焊接帶來的熱應力成為影響核電站運行必須考慮的因素之一[3,4]，主要原因是殘余應力對疲勞壽命和強度有影響[5-7]。隨著計算機硬件和有限元軟件技術的發展，很多學者用對焊接殘余應力進行了數值仿真，例如張國棟[8]基于Abaqus軟件開發了焊接殘余應力與蠕變損傷耦合計算程序對高溫用焊接接頭殘余應力作用下的蠕變損傷行為進行有限元模擬，發現焊接殘余應力最大值集中在焊縫和熱影響區處,并且軸向與環向殘余應力較高；徐君臣[9]和林方強[10]基于ANSYS軟件模擬了雙平板封頭結構焊接和核電管道異種金屬焊接接頭表面堆焊溫度場，獲得了焊接殘余應力的大小與分布規律，焊縫區環向應力水平高，易誘使焊縫開裂失效；李艷軍采用熱-彈-塑性有限元計算方法模擬了2219鋁合金平板變極性惰性氣體保護對接單道焊時的溫度場和應力場，結果表明軟化現象對焊接殘余應力的計算結果有顯著影響[11]。在實驗測試研究方面，江克斌[12]利用磁測應力儀對T型焊接試件焊縫附近不同層深處的焊接殘余應力進行了實際測量，發現焊縫附近區域殘余應力較大，隨著層深的增加，橫向和縱向殘余應力均由壓應力逐漸過渡為拉應力，而縱向殘余應力在遠離焊縫中心的區域內，則改由拉應力過渡為壓應力；李榮鋒[13]和黃永輝[14]分別用采用標準GB/T 31310-2014的高速鉆孔和盲孔法對大壁厚、小徑厚比、高強、高韌性的直縫埋弧焊管和整體節點鋼桁梁橋焊接進行了殘余應力測試，得到了殘余應力分布，并介紹了測試方法，值得借鑒。

1 不銹鋼管道對接焊殘余應力數值模型

1.1 殘余應力理論基礎

目前分析焊接殘余應力的理論有固有應變法、熱彈塑性分析法、粘彈塑性分析法等。其中熱彈塑性分析法是通過跟蹤整個焊接熱循環中每一步的熱應變行為來計算熱應力。該方法往往需要采用有限元法在計算機上實現。隨著計算機的發展，計算能力大幅度提高，為分析復雜結構的殘余應力提供了硬件基礎。熱彈塑性分析在對焊接應力場分析中廣泛使用。焊接熱彈塑性分析包括四個基本關系：(1) 應變-位移關系(相容性關系)；(2) 應力-應變關系(本構關系)；(3) 平衡條件；(4) 相應的邊界條件。在熱彈塑性分析時有一些假設：塑性區內的行為服從流變法則并顯示出應變硬化；材料的屈服服從米賽斯屈服準則；與溫度有關的機械性能、應力應變在微小的時間增量內線性變化。

1.2 對接焊殘余應力分析有限元模型的建立

1.2.1 試驗件幾何結構

為了保證計算過程中結果的準確性，采用3D單元進行網格離散，計算過程中采用基于順序耦合方式的熱循環曲線方法進行焊接接頭殘余應力的仿真計算。該方法首先是采用熱循環曲線進行焊接過程找指定點的瞬態溫度場，然后將此溫度場的歷史載荷作為初始條件加載到力學場的計算中，從而得到焊接過程的殘余應力場。焊接工藝的殘余應力計算過程中使用焊接結構的坡口形式如圖1所示。

圖1 焊接坡口結構

實際建模過程中，筒體兩端的長度為200 mm。焊縫采用V型坡口，單邊坡口角度為30°，坡口采用多道焊縫進行填充。為了保證模擬的計算精度和計算效率，在網格處理的過程中采用了漸變網格的處理方法，即焊縫區采用較小的網格尺寸，隨著離焊縫距離的增加，網格尺寸逐漸增加。因為在焊接過程中，焊縫區的溫度梯度較大，為了更好的控制溫度場的形態，焊縫區的網格尺寸需要進行控制，同時為了提高計算效率，在遠離焊縫的區域用較大網格尺寸。焊縫區域和整體焊接結構的網格示意圖如圖2、圖3所示。最后網格一共包含55 360個3D單元和20 928個2D單元，其2D單元主要用于加載工件和周圍環境進行熱交換和熱輻射模型。

圖2 焊縫區域網格

圖3 整體焊接結構網格

1.2.2 材料參數和熱源模型

在焊接工藝計算過程中，材料參數是重要的輸入條件之一，材料性能參數包括力學參數和熱學參數兩大類，其中力學參數主要有屈服強度、泊松比、彈性模量、應力應變曲線；熱學參數主要包括比熱容、導熱系數、對流系數、線膨脹系數。

焊接數值模擬是利用理論公式結合邊界條件、材料性能參數等因素對焊接過程的各種現象進行模擬。模擬過程引用的材料參數是否準確直接影響計算結果的可靠性。因此，在進行焊接模擬之前，必須建立相應的材料性能數據庫，方便計算時的程序調用。本次有限元仿真選用的管道母材參照SA-312 Grade TP304不銹鋼。雙橢球形熱源一般用于對常規的手工電弧焊、TIG、MAG等進行模擬，也是目前使用最多的一種熱源模式，如圖4所示。

圖4 雙橢球形熱源模型

雙橢球體熱源模型由前后兩個半橢球體構成，分別對熱源前半部分和后半部分進行模擬，前后兩個半橢球體的尺寸不一樣，在實際焊接熱源的前段熱源密度更大。

在不銹鋼管道的焊接過程中的多道焊模擬中，對使用熱循環曲線加載的熱源加載方式進行了簡化，首先使用對應的焊接工藝和模型構件進行了雙橢球熱源的溫度場計算，在該溫度場的計算中通過調整雙橢球熱源的各個參數確保了溫度場計算的準確性。在得到溫度場分布之后，提取出對應焊道的熱循環曲線。然后將熱循環曲線一次加載到對應的焊道上進行熱彈塑性有限元分析計算。最終用于計算的熱循環曲線如圖5所示。

圖5 熱循環曲線

2 有限元仿真結果及實驗驗證

2.1 逐層剝離的小孔法實驗測量殘余應力

本文采用外形尺寸為φ355.6 mm×31.8 mm，長度200 mm的不銹鋼管道作為實驗樣件，采用對接焊工藝將兩根相同管道焊接成形。由于小孔法適用于測定各向同性線彈性材料近表面的殘余應力，所以采用逐層剝離與小孔法結合的方式進行殘余應力的測試，分兩次沿管道內壁向外壁方向去除10 mm的材料開展實驗。考慮到小孔法的測量工藝需要先使用線切割將管道對剖并且在完成內表面測量后同樣需使用線切割去除內壁材料，過程中管道的內部殘余應力釋放影響最終測量結果，為了對此過程管道殘余應力的釋放量進行修正補償，采用SYWELD中的Machining功能進行機加工過程的數值模擬，以此盡可能逼近對接焊后管道的真實應力狀態。

2.1.1 試驗流程

不銹鋼管道殘余應力測試需在管道內壁進行，采用線切割將管道沿60°與240°連線位置對剖，對剖后管道受內部殘余應力影響發生微變形并釋放部分應力。結合GB/T13130-2014關于小孔法實驗的要求，實驗選擇低速鉆殘余應力方法。通過實驗能夠得到對剖后管道內壁殘余應力分布情況，即σx1、σy1。為求得管道焊接后殘余應力σx、σy，需要計算出對剖過程殘余應力的釋放量，通過有限元仿真模擬管道焊接后的對剖過程，計算出殘余應力的變化量，即Δσx、Δσy。由此可以計算出焊接后管道的殘余應力分布情況

(1)

本次實驗主要采用設備為江蘇東華測試DH3821靜態應變測試分析系統，測量用電阻應變計選用中航電測BE120-2CA-K(11)-Q30P400，6 000 r/min手提鉆等。具體方案為：

(1)在管道對剖過程中，采用貼片法對管道內表面的殘余應力變化值進行測量，獲得對剖過程殘余應力變化值用于對剖過程殘余應力有限元仿真模型的修正。

(2)采用小孔法測量管道內壁對應位置的釋放應變，通過計算得到對應位置周向和軸向的應力，即σx1、σy1。根據數值模擬得到的殘余應力差值，對實測計算結果進行補償，獲得焊接后管道內壁殘余應力。

(3)采用線切割方式，沿管道內壁線切割去除10 mm深度材料，采用小孔法獲得10 mm深度管道對應位置殘余應力，通過數值模擬提供補償值與實測值擬合。

(4)采用線切割方式，再次沿管道內壁線切割去除10 mm深度，獲得20 mm深度管道內部殘余應力，采用小孔法獲得10 mm深度管道對應位置殘余應力，通過數值模擬提供補償值與實測值擬合。工藝流程如圖6所示。

圖6 工藝流程圖

2.1.2 實驗方法

實驗首先將不銹鋼管道沿60°方向切割成兩部分后，在內壁周向30°、90°、150°、180°、270°、330°劃線標記，其中60°位置為對剖位置。分別選取不同角度處的焊縫、熱影響區、母材所對應的A、B、C、D、E、F、G七個位置粘貼應變花，其中D點位于焊縫中心；在線切割去除厚度方向材料后采用同樣方法貼片測量在10 mm、20 mm的測量每個角度采五個點，如圖7、圖8所示。

圖7 實驗測點圖

圖8 管道貼片示意圖

隨后使用低速小孔法采集數據，由于鉆孔法適用于測量金屬材料面內應力梯度較小的應力狀態，這種狀態下的殘余應力可能沿深度方向無變化，也可能沿深度方向有明顯變化，所以小孔法僅能測量材料近表面的、鉆孔洞附近局部的殘余應力值。結合應變花尺寸選擇鉆頭φ1.5 mm，鉆孔深度2 mm。內表面采集數據后線切割去除10 mm進行第二層布點，分別選取焊縫、熱影響區、母材所對應的H、I、J、K、L五個位置粘貼應變花，其中J點位于焊縫中心，進行數據采集。第三層布點位置與第二層一致。實驗具體操作步驟符合GB/T13130-2014的要求。值得注意的是，由于在焊縫中心和熱影響區的應變片布點位置距離10 mm，相對較小。為了最大限度的規避打孔對其他位置數值的影響，采用分段對稱的打孔采集方式進行，打孔流程如圖9所示。

圖9 數據采集流程圖

2.1.3 試驗結果分析

完成數據采集后，對數據進行初步整理。由于在管道對剖過程及在厚度方向材料的去除過程中釋放殘余應力，而且并未通過有限元仿真為其實測值提供補償，此時的數據只能反映對剖后管道內壁不同深度下應力分布情況，僅選取管道內表面殘余應力數據進行分析。內表面周向殘余應力如圖10所示，內表面軸向殘余應力如圖11所示。

圖10 內表面周向殘余應力

圖11 內表面軸向殘余應力

通過分析可以發現，在距焊縫中心位置60 mm處的母材區周向和軸向的殘余應力數值離散度最小，數值大小約200～300 MPa之間，此處的殘余應力是制造過程中就基本確定的，所以數據一致性較好。在距焊縫中心位置10～20 mm的熱影響區內周向和軸向殘余應力數值離散度最大，分析認為一方面由于此處的殘余應力值沒有用有限元分析進行補償，另一方面由于焊接過程工藝決定熱影響區溫度無法有效穩定控制，導致離散度大；同時由于在10～20 mm的熱影響區數值相較于其他位置數值偏大，符合金屬焊接過程中材料特性。在焊縫中心位置殘余應力數值離散度適中，數值大小低于熱影響區。數據整體圖形呈“W”形，在熱影響區殘余應力最大，焊縫中心與母材殘余應力值基本穩定在同一范圍。由此初步認為本次管道對接焊殘余應力實驗的方法和工藝是可行的。

2.2 仿真與實驗的對比驗證

2.2.1 不銹鋼管道對接焊殘余應力仿真

通過有限元仿真將得到的焊接過程瞬態溫度場的分析結果耦合到結構的靜力分析中，得到管道焊縫殘余應力分布。管道周向殘余應力如圖12～圖15所示。軸向殘余應力采用相同方法一并提取得到。

圖12 周向焊接殘余應力分布云圖

圖 13 周向焊接殘余應力分布云圖(對剖)

圖14 周向焊接殘余應力分布云圖(10 mm深度)

圖15 周向焊接殘余應力分布云圖(20 mm深度)

2.2.2 不銹鋼管道殘余應力實測結果的補償分析

通過有限元分析提取不銹鋼管道對接焊后對剖過程殘余應力的變化量以及管道在深度方向去除10 mm、20 mm后的殘余應力變化量。通過公式進行補償計算得到管道對接焊后的殘余應力分布情況。不銹鋼管道對接焊后內表面周向殘余應力如圖16所示；內表面軸向殘余應力如圖17所示。

圖16 對接焊后內表面周向殘余應力

圖 17 對接焊后內表面軸向殘余應力

通過與數值模擬前的實測值進行對比分析發現，不銹鋼管道內表面焊接后兩個方向的殘余應力數值均有明顯降低，平均降低32%。在熱影響區，經過有限元仿真提取補償量修正后的殘余應力離散度降低，熱影響區的殘余應力值約200～300 MPa之間。焊縫中心由于工藝原因無法準確保證溫度均衡，實測殘余應力數值較大，經補償后均有所降低，測點數值相對集中，殘余應力降低約30%。管道內表面周向和軸向殘余應力測點數值曲線均為“W”形，同樣符合金屬焊接過程中的材料特性。

提取10 mm深度管道殘余應力，經補償繪制散點圖。10 mm深度和20 mm深度的殘余應力測點分別選取30°、330°、180°三個角度線上的五個點，將每個角度的周向應力和軸向應力進行對比，其中σx為周向殘余應力，σy為軸向殘余應力。如圖18～圖20所示。

圖18 10 mm深度30°測點

圖19 10 mm深度330°測點

圖20 10 mm深度180°測點

分析10 mm深度三個位置的測點，發現周向殘余應力與軸向殘余應力在相同測點數值大小幾乎一致，個別點存在軸向應力大于周向應力的情況，殘余應力散點圖依然有在焊縫熱影響區數值較大但整體殘余應力分布平穩，平均殘余應力值在220～280 MPa之間，說明焊接過程對于較厚材料的內外表面應力影響大，對較厚材料的中間部分應力影響最小。

提取20 mm深度管道殘余應力，經補償繪制散點圖。因為已經線切割兩次去除20 mm厚的管道材料，此時管道凈厚度ζ<11 mm。將實測值與數值模擬的補償值擬合后繪制散點圖。如圖21～圖23所示，其中σx為周向殘余應力，σy為軸向殘余應力。

圖21 20 mm深度30°測點

圖22 20 mm深度330°測點

圖23 20 mm深度180°測點

分析20 mm深度三個位置的測點，發現20 mm深度時周向殘余應力和軸向殘余應力明顯增大，測點平均應力值集中在350～500 MPa間。首先從理論進行分析認為由于焊接過程對管道內外表面應力影響最大，同時由于管道已經采用線切割的方式從內壁向外壁的方向去除20 mm厚的材料，此時的管道更容易發生應力釋放并引起變形。進一步分析有限元仿真結果，提取去除20 mm厚度材料后管道的殘余應力分布云圖，如圖24所示。

圖24 軸向焊接殘余應力分布云圖(20 mm深度)

從圖24中可以明顯觀察出，對剖后的管道經去除20 mm厚的材料后應力值達到峰值，此時在距焊縫中心20 mm左右的位置應力集中最明顯，并在材料切除后釋放量最大。一方面說明有限元分析的方法在一定程度上可以指導工程實驗結果的論證，另一方面說明采用逐層剝離的小孔法與有限元仿真計算為實驗結果進行補償的方法，進行管道焊接后的應力狀態分析是可行的。

3 結論

(1)工程中使用的大型管道經焊接后在管道外表面和內表面應力較集中，在管道材料芯體分布較均勻平穩。

(2)焊接后的管道在熱影響區應力最大；在母材區應力分布平穩，其應力狀態主要由管道生產、制造階段決定；在焊縫區應力分布離散度較高，分析認為是由于焊接工藝無法實現對管道局部及整體溫度的精準控制導致的。焊接后管道在厚度方向的應力值呈“W”形。

(3)采用逐層剝離的小孔法開展管道應力測量實驗，同時采用有限元仿真計算的方式為實測值提供因對剖、材料去除過程中應力釋放量的補償的方法是可行的，對于相關工程項目具有一定的借鑒意義。