316NG核電主管道焊接工藝分析

楊炎川

江蘇安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院 江蘇徐州 221011

1 序言

目前，核電作為一種清潔能源得到了大家的廣泛重視和關(guān)注。據(jù)研究統(tǒng)計，核電在世界發(fā)電量中的占比在逐年增加，并且有快速上升的趨勢[1]。核電與其他化石燃料相比，具有污染小、利用率高的特點，且能夠長時間工作和運行[2]。在國家戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃中，雖然核電早就占據(jù)著重要的地位，但是有利就有弊，核電安全一直是核電的重要研究課題和一直存在的問題，否則就會帶來災(zāi)難性的破壞，因此，確保核電安全運行至關(guān)重要。

焊接是一種以高效靈活見長的連接方法，在核電設(shè)備中被廣泛應(yīng)用。相關(guān)研究表明，焊接方法在生產(chǎn)中具有重要的作用，同時因焊接工藝不完善而導(dǎo)致的核電安全事故占比不容忽視[5]。此外，因為焊接工藝要求極高，操作不當(dāng)則會導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生應(yīng)力集中，最后導(dǎo)致出現(xiàn)不可修復(fù)的裂紋和損傷[6，7]。目前，對于316NG材料的焊接工藝研究應(yīng)用在國內(nèi)還處于不成熟階段，很多方法還有待進(jìn)一步去探索和發(fā)現(xiàn)[8]。

本文通過ANSYS Workbench有限元軟件對焊接過程進(jìn)行數(shù)值模擬，利用極差分析法研究各焊接參數(shù)對316NG核電壓力管道焊接接頭各個部分存在殘余應(yīng)力的影響，獲得數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，對比不同參數(shù)組合的焊接效果，最后得到最佳的焊接參數(shù)，為保證焊接質(zhì)量、提高設(shè)備的可靠性提供保障。

2 316NG核電主管道焊接平板模型

316NG核電主管道焊接平板數(shù)值模型如圖1所示，該幾何模型主要由母材區(qū)、焊縫區(qū)組成，其中焊縫區(qū)位于2個母材區(qū)的中央位置。模型的建立與實際幾何模型的形狀以及比例大小均相同。其中，焊縫區(qū)的坡口傾斜角度為20°，焊縫總長為1000mm，寬度取500mm，板厚與管厚一致，均為60mm的316NG平板焊接模型[9]。為了保證焊接效果，根據(jù)工藝需求將焊縫區(qū)域劃分為6道焊道。

圖1 316NG核電主管道焊接平板數(shù)值模型

3 拉丁方試驗設(shè)計

3.1 因素、水平、指標(biāo)的確定

考慮到數(shù)值模擬的精確性，為保證最終的結(jié)果與實際結(jié)果相符合，本文在充分考慮實際影響因素的條件下，將試驗因素統(tǒng)一用實際影響因素進(jìn)行替換。此外，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗可知，焊接效果主要受4種因素影響，分別為焊接速度、焊接電流、電弧電壓及層間冷卻時間[10]。該4種影響因素對焊接效果具有較大影響，尤其表現(xiàn)在對焊接殘余應(yīng)力的影響上，因此本文以此4種影響因素作為重要的考察因素來設(shè)計試驗方案。同時，結(jié)合實際生產(chǎn)經(jīng)驗，各因素的水平取值范圍與實際相符，力求保證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可驗證性。

核電管道焊接工藝規(guī)程手冊對焊接工藝具有明確的說明和指導(dǎo)建議，本文決定采用埋弧焊方式，對焊縫模型在焊縫處簡化處理為6層模型[11]。具體的焊接參數(shù)結(jié)合焊接手冊以及實際的工作經(jīng)驗選取，見表1。4種重要影響因素的試驗水平數(shù)值見表2。

表1 數(shù)值模擬所采用的焊接參數(shù)

表2 4種重要影響因素的試驗水平數(shù)值

3.2 試驗方案的擬定

為了保證試驗效果且減少試驗過程中的誤差，決定將拉丁方試驗的次數(shù)控制為9次，不同的水平因素組合及具體的數(shù)值配對見表3。此外需要注意的是，各因素組合之間是相互獨立的，不會對最終的數(shù)值模擬結(jié)果產(chǎn)生影響，且試驗順序的給定是隨機(jī)設(shè)定的，并無人為因素。

表3 拉丁方試驗方案

4 ANSYS數(shù)值模擬

4.1 有限元模型

有限元的模型采用 SOLID186 單元[12]，整體網(wǎng)格劃分情況如圖2所示，焊縫處網(wǎng)格劃分情況如圖3所示。

圖2 幾何模型的整體有限元網(wǎng)格

圖3 焊縫區(qū)域的網(wǎng)格模型

值得注意的是，在進(jìn)行數(shù)值模擬過程中，316NG控氮不銹鋼材料始終作為母材與焊縫的使用材料，其相關(guān)材料屬性為已知參數(shù)[13]。

4.2 邊界條件

在數(shù)值模擬中，熱量的傳遞符合按高斯函數(shù)分布的熱源公式規(guī)律[14]，即

式中q（r）——距熱源中心r處的熱流（J.m2.s）；

q——熱源瞬時熱能（W）；

R——電弧有效加熱半徑（m）；

r——某點距離熱源中心的距離（m）。

為了保證結(jié)果的可靠性，其余邊界條件的設(shè)置均參照實際工作條件，環(huán)境溫度采取室溫22℃，此外還需對管道進(jìn)行預(yù)熱處理，預(yù)熱溫度設(shè)置為150℃[15]。

5 結(jié)果分析與討論

5.1 焊接溫度場

以拉丁方試驗方案編號6為例，計算結(jié)束后通過ANSYS后處理功能得出溫度場分布云圖，如圖4所示。圖4給出了焊接過程中熱源的變化過程及詳細(xì)的移動狀態(tài)。從圖4可發(fā)現(xiàn)，隨著時間的推移，第一條焊縫首先處于較熱狀態(tài)、被激活，而后熱源隨著焊縫的延伸不斷地出現(xiàn)后移現(xiàn)象，逐漸將后續(xù)焊縫激活。當(dāng)然，也不難發(fā)現(xiàn)，在焊接過程中熱源中心處的形狀呈現(xiàn)獨特的彗星形狀，而熱源掃過的位置溫度會迅速下降并再次恢復(fù)到常溫狀態(tài)，該現(xiàn)象與式（1）完全吻合。

圖4 焊接過程中各層焊道溫度云圖

5.2 焊接應(yīng)力場

每層焊道在焊接完成并冷卻后應(yīng)力分布情況如圖5所示。從圖5可發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力在焊縫中心處最大，然后向焊縫兩邊進(jìn)行分散，這就解釋了裂紋出現(xiàn)的原因和機(jī)理。

圖5 各層焊道焊完冷卻后應(yīng)力場分布圖

為了便于對數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行分析，可設(shè)置如圖6所示的空間位置坐標(biāo)，各個平面的具體走向和方位安排從圖6中可以得到。其中，路徑A設(shè)置在上表面，且垂直于焊縫軸線；路徑B為分析焊縫軸線的路徑；路徑C設(shè)置在下表面，且垂直于焊縫軸線；路徑D設(shè)置在下表面且平行于焊縫軸線。4條路徑的具體空間位置排布可從圖6中得到。

圖6 模型分析路徑

沿路徑A、路徑C縱向殘余應(yīng)力分布如圖7所示。從圖7不難發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力的分布呈現(xiàn)不對稱的情況，這與原先的理論認(rèn)知相異，位于焊縫中心上表面的殘余應(yīng)力值要明顯大于下表面的應(yīng)力值。造成這種現(xiàn)象的主要原因還是焊縫冷卻存在先后差異導(dǎo)致的。上表面的溫度要大于下表面的溫度，且上表面的散熱速度要低于下表面。另外，還可從圖7發(fā)現(xiàn)，焊接過程中所出現(xiàn)的應(yīng)力情況在熱源區(qū)域表現(xiàn)為壓應(yīng)力，而在焊接材料的兩邊因距焊縫較遠(yuǎn)，故其應(yīng)力狀態(tài)表現(xiàn)為無應(yīng)力情況，這種現(xiàn)象與實際工況條件下的焊接情況完全相符。因此，在實際操作中，應(yīng)該尤其注意對焊縫處的保護(hù)以及采取相應(yīng)的措施快速地使熱量散去，使溫升變得均勻，從而消除應(yīng)力分布不均的情況，保護(hù)焊接效果。

圖7 路徑 A、路徑C縱向殘余應(yīng)力分布

路徑B、路徑D橫向殘余應(yīng)力分布如圖8所示。從圖8可清楚地發(fā)現(xiàn)，2條路徑中的應(yīng)力情況大致相當(dāng)，主要表現(xiàn)在分布和變化趨勢上。同時，關(guān)于2條路徑中的應(yīng)力種類也不難發(fā)現(xiàn)，在焊縫的中間區(qū)域主要表現(xiàn)為拉應(yīng)力；而在焊縫的兩側(cè)主要體現(xiàn)為壓應(yīng)力。出現(xiàn)應(yīng)力情況不同的原因歸結(jié)起來主要是由于溫度變化不一致造成的，由于在中間位置更加接近熱源，所以溫度下降緩慢，而在兩測的位置溫度下降得更快[16，17]，這與實際情況相符合。

圖8 路徑B、路徑D橫向殘余應(yīng)力分布

5.3 試驗設(shè)計優(yōu)化結(jié)果

如前文所述，本文對拉丁方試驗中的第6組焊接參數(shù)組合進(jìn)行了數(shù)值模擬工作，現(xiàn)在采用同樣的數(shù)值模擬方法，給定同樣的邊界條件，對剩余的焊接參數(shù)組合進(jìn)行數(shù)值模擬，并得到最后的結(jié)果，且在得到9組試驗結(jié)果后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，試驗結(jié)果見表4。

表4 拉丁方試驗結(jié)果

由表4可看出，對焊接效果的影響中，影響最大的因素是電弧電壓，其對焊接效果具有決定性的作用，其次是焊接電流和層間冷卻時間，此兩者對焊接效果的影響作用幾乎相當(dāng)，這是由于兩者對焊接的溫度分布均會產(chǎn)生影響；最次的影響因素是焊接速度。此外不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電弧電壓取值為30V、焊接電流取值為490A、焊接速度取值為10.5mm/s、焊接層間冷卻時間取值為100s時，具有最佳的焊接效果，此時應(yīng)力最小。

為了更加清楚地描述焊接效果與焊接因素之間的函數(shù)關(guān)系，以焊接殘余應(yīng)力為因變量，其余4種影響因素為自變量，采用Minitab進(jìn)行擬合可以得到函數(shù)關(guān)系式，即

F=346.478＋2.083I＋3.65U－1.75v＋1.867Δt（2）

對式（2）進(jìn)行計算求解，使F最小，求解得到：I=490A，U=30V，v=10.5mm/s，Δt=100s，該結(jié)果與上述分析的結(jié)果一致。

6 結(jié)束語

本文以316NG核電主管道為研究對象，通過使用ANSYS數(shù)值模擬，結(jié)合熱-結(jié)構(gòu)間接耦合的方法對其焊接工藝開展研究，得出各個焊接參數(shù)對焊接殘余應(yīng)力影響的大??；最后采用拉丁方試驗的方法對數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行分析。通過分析，得出了最優(yōu)的焊接參數(shù)配比：當(dāng)電弧電壓取值30V、焊接電流取值490A、焊接速度取值10.5mm/s、焊接層間冷卻時間取值100s時，具有最佳的焊接效果。