蒸發(fā)器耳式支座焊接的變形控制

梁化 舒寒芮 孫兆亮

[摘 ? ?要]介紹了某堆型核電蒸發(fā)器產(chǎn)品的耳式支座與筒體的焊縫情況，通過對(duì)焊接應(yīng)力的有限元分析模擬，分析焊接應(yīng)力分布和變形的趨勢(shì)，制定了對(duì)應(yīng)的防變形措施。通過模擬件的制造，在焊接工藝和操作方法上改進(jìn)，驗(yàn)證了耳式支座在筒體焊接的變形控制方法的有效性。

[關(guān)鍵詞]耳式支座焊接;有限元模擬;防變形措施;模擬件制造

[中圖分類號(hào)]P414.8+2 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）03–00–03

[Abstract]In this paper， the weld of the support lug and the shell of steam generator for a nuclear power station is introduced. Through the finite element analysis of the welding deformation， the distribution of stress and anti-deformation measures are prepared， and the welding process and method is improved on the simulator， so that the welding deformation of the shell is effectively controlled.

[Keywords]Welding of the lug support and the shell; Finite element analysis; Anti-deformation measures; Simulation of manufacturing.

某堆型核電蒸汽發(fā)生器（簡稱蒸發(fā)器）因其運(yùn)行工況特殊，承受整個(gè)產(chǎn)品重量的耳式支座與筒體的結(jié)合位置受力情況復(fù)雜，經(jīng)力學(xué)計(jì)算需加大耳式支座與筒體的焊縫面積才能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的強(qiáng)度要求[4]，因此該支座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[3]加大了各焊縫的面積和焊縫高度[1]，特別是支座墊板與筒體的連接焊縫，相對(duì)于筒體尺寸和材料，該處焊縫的焊接填充量大[2]，焊接變形難以控制，焊后筒體的外形難以滿足最終的尺寸精度要求，且該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不能變更。為保證材料的整體完整性，要求殼體材料在厚度上不得被機(jī)加，即外形尺寸不能通過厚度方向的機(jī)加達(dá)到要求，耳式支座與筒體連接的結(jié)構(gòu)形式見圖1。為此，本工作針對(duì)該結(jié)構(gòu)的耳式支座與筒體的連接焊縫情況，結(jié)合初步制定的焊接工藝方案，通過對(duì)產(chǎn)品焊接應(yīng)力分布情況的有限元模擬，分析制造過程中可能出現(xiàn)的變形趨勢(shì)，制定了對(duì)應(yīng)的防變形措施，并開展了模擬件制造，改進(jìn)了焊接工藝和操作方法，驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的耳式支座與筒體焊接的變形控制。

筒體通過支座上的墊板與耳式支座焊接連接，兩部分的材料及結(jié)構(gòu)尺寸見圖2，墊板裝焊在筒體中間位置，單個(gè)墊板在筒體周向方向約占筒體周長的1/4，墊板四周都開有很大的焊接坡口，外部焊縫的角高為40 mm。在筒體上支座底板高度位置處開有一個(gè)直徑622 mm的接管孔，后期裝焊接管[5]。

筒體與支座的主要材質(zhì)和尺寸見表1。

筒體與耳式支座的連接還包括了墊板和底板的焊縫，其中焊縫坡口最大的為墊板，焊接后對(duì)筒體的影響也最大，因此本文主要以墊板的焊接過程進(jìn)行模擬分析，忽略其他零件焊接的影響。

1 筒體與墊板的焊接變形模擬分析

通過產(chǎn)品初步制造方案確定的焊接參數(shù)，設(shè)置有限元模型計(jì)算方式，分析受力情況。

2 焊接應(yīng)力分析模型。

如圖3所示，在該模型上，目標(biāo)結(jié)構(gòu)沿筒體縱向（1/2開孔處）軸對(duì)稱，取1/2目標(biāo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析，為簡化計(jì)算過程，非相關(guān)性焊縫未考慮其焊接熱過程，將其按母材性能進(jìn)行定義。為降低建模難度，各個(gè)板之間的拐角處未建立焊縫。此外，各部件處于自由狀態(tài)，未進(jìn)行非結(jié)構(gòu)性約束。

2.1 焊接設(shè)置

對(duì)于該焊縫，根據(jù)制造及模擬數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)，其焊接參數(shù)設(shè)置如表2所示。

2.2 制造順序

根據(jù)已制定的方案，產(chǎn)品實(shí)際焊接時(shí)，墊板與筒體焊縫采用對(duì)稱施焊，四周焊縫同時(shí)焊接，對(duì)于單側(cè)焊縫，焊接凹槽區(qū)域時(shí)，凹槽寬度小于0～12 mm為單道焊，凹槽寬度12～27 mm采用分道焊，焊接順序?yàn)閴|板→筒體;焊接角焊縫區(qū)域時(shí)，由墊板側(cè)向筒體側(cè)焊接直至焊縫滿足尺寸要求。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 變形趨勢(shì)

圖4為焊接完成后筒體的最終變形情況，最大變形位置出現(xiàn)在筒體上端面的軸對(duì)稱面上，最小變形區(qū)域出現(xiàn)剛性較好的肋板、底板和墊板的交匯區(qū)域（這是由于肋板和底板的存在起到了加強(qiáng)筋的作用，限制了該區(qū)域的自由變形）。

3.2 模擬結(jié)果

整體變形趨勢(shì)為：筒體端面呈橢圓形，橢圓長軸為模型對(duì)稱中心截面，短軸為模型對(duì)稱中心法向截面;筒身沿模型對(duì)稱中心法向截面軸向（上端面起始）先凹陷后凸起，而后又產(chǎn)生凹陷，直至下端面;筒身沿模型對(duì)稱中心截面軸向（上端面起始）先凸起后凹陷，而后又產(chǎn)生凸起，直至下端面。

局部變形情況如下。

上端面：y向膨脹量4.025 mm，x向收縮量3.879 mm;

下端面：y向膨脹量3.556 mm，x向收縮量3.487 mm。

4 模擬件制造

根據(jù)筒體與耳式支座的焊縫變形有限元分析結(jié)果，焊接過程中墊板焊縫區(qū)會(huì)產(chǎn)生很大的變形，墊板周圈位置向筒體內(nèi)部塌陷，形成類似凸臺(tái)的外形。為詳細(xì)掌握焊接變形趨勢(shì)，制定后續(xù)制造方案，特開展了模擬件制造，模擬件的防變形措施及制造的結(jié)果如下。

4.1 防變形措施

對(duì)變形趨勢(shì)進(jìn)行限制，采取必要的防變形措施，在焊接應(yīng)力最大的幾個(gè)位置增加防變形工裝，主要結(jié)構(gòu)所下：

（1）筒體兩端使用環(huán)板支撐，并點(diǎn)焊固定，保證整體剛性，待最終熱處理后再拆除。

（2）中間部分使用剛性較強(qiáng)的厚環(huán)板撐住，最大限度地?fù)尉o筒體，環(huán)焊縫區(qū)域全撐，縱向焊縫區(qū)使用墊板頂住，墊板與兩個(gè)環(huán)板之間牢固焊接。

（3）支座墊板的焊接預(yù)熱方式，采用筒體內(nèi)壁整圈加熱，以減小溫差的影響。

（4）墊板焊縫在焊接到2/3厚度時(shí)，增加一次中間消應(yīng)力熱處理，整體進(jìn)熱處理爐加熱保溫，保溫時(shí)間2 h，以消除整體焊接應(yīng)力。

4.2 模擬件變形情況）

在模擬件制造過程中，對(duì)其變形情況時(shí)時(shí)檢查測(cè)量，發(fā)現(xiàn)整體變形趨勢(shì)與有限元模擬結(jié)果較接近，因防變形工裝的使用，筒體的變形數(shù)據(jù)小于模擬情況（模擬分析的模型是建立在未加任何約束的筒體上），筒體不同高度的變形數(shù)據(jù)趨勢(shì)見圖5（縱軸為變形數(shù)據(jù)，橫軸為測(cè)量日期，焊接填充量隨日期往后逐步增加），最終變形數(shù)據(jù)從大到小的位置點(diǎn)依次是：2 140、1 700、900、1 380、1 050、1 500、0、500 mm（數(shù)值代表測(cè)量位置距離筒體上端面的距離），變形隨著焊接量的增加逐漸累積，當(dāng)熱輸入量達(dá)到一定數(shù)值時(shí)變形趨勢(shì)突然增大，中間熱處理后應(yīng)力被部分消除，從圖5可明顯見到變形趨勢(shì)減緩，此外筒體在開孔后應(yīng)力釋放最為明顯，筒體變形部分得到恢復(fù)。

5 結(jié)束語

因?yàn)樵O(shè)計(jì)原因，不能對(duì)變形的筒體采取機(jī)加等其他工藝手段破壞材料的完整性，或是更改材料或設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，以獲得必要的外形.只能按原結(jié)構(gòu)制造，采取相應(yīng)的防變形措施。該蒸發(fā)器筒體通過模擬件的制造，發(fā)現(xiàn)了對(duì)筒體變形影響最大的因素，主要包括預(yù)熱方式、熱輸入量、焊接操作位置等，并在立式焊接評(píng)定完成后，將焊接操作位置由平焊位改為了立焊位，較好地完成了產(chǎn)品制造。針對(duì)類似情況有如下建議：

（1）有限元分析只能建立在無剛性約束的模型上，因此其模擬結(jié)果僅供后續(xù)的分析及制定對(duì)應(yīng)的防變形措施。

（2）如果條件允許，可選擇性制造模擬件，對(duì)有限元的分析結(jié)果做充分論證，找到影響變形最大的因素，該結(jié)構(gòu)的最大影響因素是焊接熱輸入量。

（3）針對(duì)導(dǎo)致變形最大的因素，采取必要的工藝手段，該材料使用了立式操作位置的手工焊條焊接，有效減小了焊接變形。

（4）焊接的預(yù)后熱方式，在產(chǎn)品中改為了電加熱，比火焰加熱更加均勻，降低了該區(qū)域的熱輸入量。

（5）接管位置的開孔，也使得支座區(qū)域內(nèi)應(yīng)力降低，合理選擇開孔時(shí)機(jī)對(duì)變形的控制非常關(guān)鍵。

（6）焊接過程中應(yīng)力不均勻?qū)е碌淖冃卧谕搀w上有一定規(guī)律，筒體徑向變形有大有小，因筒體本身的橢圓度，焊接前可以適當(dāng)調(diào)整支座在筒體的方位。

參考文獻(xiàn)

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