白鶴灘蝸殼與壓力鋼管封閉焊縫殘余應力研究

賈瑞燕， 段偉贊

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 前言

白鶴灘右岸蝸殼與引水壓力鋼管材料均為SX780CF鋼，其封閉焊縫直徑8 600 mm，厚度70 mm，為非對稱X 形坡口。蝸殼與壓力鋼管封閉焊縫焊接時，蝸殼側與座環裝焊完畢并通過基礎螺栓與機坑混凝土固定，壓力鋼管側混凝土澆筑完畢[1]，即該焊縫為兩側絕對拘束狀態下焊接的最后一道合攏縫，焊接接頭內形成較大熱應力及殘余應力，產生焊接裂紋風險大[2]；且該焊縫無法進行焊后消應熱處理，較大的焊接殘余應力將降低構件的剛度、穩定性和結構的疲勞強度，對后續機組運行存在質量隱患[3-6]。

文中利用有限元分析軟件MSC.Marc對蝸殼與壓力鋼管的封閉焊縫焊接工藝方案進行模擬研究，對無法進行試驗的重大部件焊接進行應力場分析，預估不同焊接路徑方案所得到的殘余應力，通過數據對比，優選工藝方案，減小焊接殘余應力值，節約制造成本，降低焊接質量風險和損失。該研究對實現白鶴灘蝸殼精品質量有十分重要意義。

1 有限元模型的建立

1.1 有限元建模及計算參數

壓力鋼管與蝸殼屬大型板殼類圓柱體結構,由于工件尺寸超大，為簡化計算，結合熱源作用區域和拘束條件，模型范圍選為橫向取蝸殼與壓力鋼管封閉環焊縫及兩側共520 mm , 如圖1所示。

焊接熱源產生的熱影響只存在于局部有限區域，不受遠處的熱源和拘束影響，故將環焊縫圓周均分8段，取l/8 圓周焊縫長度進行計算分析，得出L為3 375.5 mm。

圖1 蝸殼與壓力鋼管封閉焊縫有限元模型

x軸、y軸代表相互垂直的兩個徑向方向，z軸代表軸向方向。焊接過程溫度場分布非常不均勻，焊縫及熱影響區溫度梯度變化大，遠離焊縫處溫度梯度變化相對較小，劃分網格時采用焊縫及熱影響區共用網格節點，由于工件尺寸超大，焊縫及熱影響區采用相同尺寸的網格尺寸，單元寬度取10 mm，減少了整體網格數量，節省了計算成本,網格類型采用八節點六面體單元進行劃分。有限元模型網格單元數為41 065，采用生死單元[7]，隨熱源移動逐步激活焊縫單元。

選取雙橢球熱源模型進行數值模擬計算，焊接過程的熱效率設定為80%，熱源的分布參數根據熔池的尺寸選定。材料SX780CF密度為7 880 kg/m3,泊松比為0.3，熱膨脹系數1.4 × 10-5/℃，其他熱物理性能參數見表1。

表1 SX780CF材料性能參數

1.2 焊縫路徑規劃

現場焊接工藝制定時，為提高生產效率，通常由6～8名焊工在圓周方向上均布同時施焊。每人負責總長度約3 000～4 000 mm焊縫的焊接。根據現場施工特點，每名焊工焊接時，規劃出適于操作的兩種焊接路徑，如圖2所示，其中圖2a為順序焊，由1段至6段逐段順序焊接；圖2b為變序焊，由1段至6段跳躍變序焊接。順序焊操作簡單方便，生產效率高，但容易造成熱量累計；變序焊需要往復跳躍，操作較復雜，生產效率較低，但熱源作用區域分散，有利于工件散熱。

圖2 焊接路徑規劃示意圖

焊接順序對殘余應力的分布有重要影響[8]，由于應力釋放作用的存在，先焊接一側的殘余應力低于后焊接側的殘余應力，且多次熱循環是導致焊接變形的主要原因。

2 模擬結果與分析

2.1 不同路徑模擬結果對比分析

基于以上建立的蝸殼與壓力鋼管封閉焊縫有限元模型和規劃的兩種不同路徑方案，通過后處理得到殘余應力云圖，并選擇不同路徑節點殘余應力值，進行對比分析。

圖3所示為不同焊接路徑下壓力鋼管環縫等效殘余應力分布情況，其中圖3a 為順序焊殘余應力，圖3b 為變序焊殘余應力。不同焊接順序導致應力分布不同，變序焊比順序焊殘余等效應力分布低。

圖3 應力場分布

圖4所示為焊縫中間處垂直于焊縫分布的殘余等效應力路徑曲線，順序焊和變序焊殘余應力分布趨勢基本一致，順序焊應力峰值高于變序焊。圖5所示為沿焊縫分布的殘余等效應力路徑曲線，順序焊大部分區域殘余應力較高，變序焊在后一半的焊縫長度上殘余應力值相對順序焊降低。焊接過程，先焊焊縫對后焊焊縫造成拘束，順序焊由1段至6段逐段焊接，先形成焊縫拘束大，工件殘余應力較高。變序焊跳躍焊接，后焊焊縫受先焊焊縫拘束較小，殘余應力較低。

壓力鋼管和蝸殼屬于壓力管道部件，工作中承受循環交變壓力，降低環縫的殘余應力有利于提高壓力鋼管和蝸殼連接處的疲勞性能。

圖4 應力路徑曲線(焊縫中間處垂直焊縫)

圖5 應力路徑曲線(沿焊縫)

2.2 焊接方案優化

基于以上分析，焊接路徑優化為變序焊，即將壓力鋼管與蝸殼封閉環縫均分為8份，每1/8圓再均分為6段，每段長563 mm，8名焊工沿圓周均布，對各自負責的1/8圓采取圖2b所示的變序焊同時施焊。

對路徑優化后的封閉環焊縫焊接全過程進行數值模擬計算，得出殘余應力。如圖6所示為封閉環焊縫整體焊接完畢后冷卻至室溫的殘余應力場分布，殘余應力在圓周方向分布較為一致，殘余應力峰值集中在焊縫中間位置，殘余應力最大值為643.8 MPa，小于母材SXB780CF的屈服強度690 MPa。如圖7所示為封閉環焊縫整體焊接完畢后冷卻至室溫的位移場，即焊縫變形分布情況，可見焊縫兩側熱影響區為變形量集中分布地帶，最大變形量為1.547 mm。該變形量對于機組安裝精度未造成不良影響。

圖6 封閉環焊縫冷卻后殘余應力場

圖7 封閉環焊縫冷卻后位移場

3 現場驗證

現場焊接選取優化后的焊接方案，采用焊條電弧焊方法，焊接材料為E11018-G，焊接速度100 mm/min，具體焊接工藝參數見表2。先焊接大坡口側，背面清根再焊小坡口側。為保證高強鋼焊接質量，避免冷裂紋，通常采取預熱溫度150 ℃[9-10]，層間溫度200 ℃，后熱溫度230 ～ 280 ℃。

表2 現場焊接工藝參數

對蝸殼與壓力鋼管封閉焊縫進行焊接殘余應力測試，應力測試方式采用X射線應力測試[11]，檢測依據為GB/T 7704—2008《無損檢測 X射線應力測定方法》標準，殘余應力測區布置為圓周均布12區，各區測點分布示意圖如圖8所示。殘余應力測試值見表3。測點編號沿水流方向為正，測點編號對應測點距焊縫中心的距離，如圖8所示。殘余應力測試結果應力值為正數是拉應力，為負數是壓應力。

對比分析白鶴灘工地現場實測壓力鋼管蝸殼封閉焊縫殘余應力值與數值模擬值，按實測點位置在數值模型上提取對應點殘余應力計算值。實測殘余應力最大值648.1 MPa，與模擬值接近。

焊接變形測量采用焊縫兩側刻線樣沖點測量方式完成，測點圓周均布測量8點，測量工具游標卡尺。焊接變形測量值見表4。

圖8 殘余應力測點分布示意圖

表3 殘余應力測試值MPa

表4 焊接變形測量值 mm

根據現場對蝸殼和壓力鋼管對接焊縫變形值的測量，變形值最大為2.12 mm。該數值與模擬值接近。

4 結論

利用有限元分析軟件MARC，對蝸殼與壓力鋼管對接封閉焊縫建立焊接熱過程的數學模型，按照不同的焊接路徑，進行模擬研究。通過比對分析不同焊接路徑下焊接殘余應力分布，優選出焊接工藝方案，預估出焊后殘余應力。工地現場進行了殘余應力和變形實測，驗證了數值模擬結果。通過該研究實現了白鶴灘蝸殼與壓力鋼管封閉焊縫殘余應力的有效控制。