加氫換熱器角焊縫密封接頭焊接工藝參數(shù)優(yōu)化
關(guān)鍵詞：超加氫換熱器;密封接頭;焊接工藝參數(shù);正交優(yōu)化試驗(yàn);殘余應(yīng)力
中圖分類號：TG115.28 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A 文章編號: 0253-360X(2009)07-0101-04
0 序 言
隨著石油、化工裝置向著大型化和高參數(shù)方向 發(fā)展,換熱器作為裝置系統(tǒng)能量平衡和能量回收中 不可缺少的關(guān)鍵設(shè)備,其長周期安全運(yùn)行已愈來愈 受到設(shè)備管理工程師們的重視.加氫裝置中的高壓 換熱器是該裝置的主要設(shè)備,擔(dān)負(fù)著原料油與反應(yīng) 生成油的熱量交換任務(wù).加氫換熱器的壓力和溫度 參數(shù)高,介質(zhì)是易燃、易爆的油氣、氫氣,換熱器一旦 泄漏,后果將十分嚴(yán)重,因而加氫高壓換熱器的密封 結(jié)構(gòu)較多地采用了角焊縫焊接密封接頭[1-3],該密 封結(jié)構(gòu)作為零泄漏密封,其密封可靠、壽命長,但在 長期的高溫、高壓和臨氫環(huán)境下,其焊縫結(jié)構(gòu)易出現(xiàn) 裂紋,甚至開裂而引起泄漏[4].因此研究焊接密封 接頭處殘余應(yīng)力[5]及其影響因素,并對焊接工藝參 數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,對延長密封結(jié)構(gòu)壽命,保證加氫裝置長 周期安全運(yùn)行具有重要的工程實(shí)際意義.
選擇焊接電流、電弧電壓、焊接速度以及焊接預(yù) 熱溫度4個(gè)焊接工藝參數(shù)作為試驗(yàn)對象,設(shè)計(jì)了一 組L25(56)的正交試驗(yàn)方案,利用大型非線性有限元 軟件ABAQUS[6]對加氫高壓換熱器焊接密封接頭的 焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行了數(shù)值模擬,對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行正 交分析,得到了一組角焊縫焊接密封接頭焊條電弧 焊的最佳工藝參數(shù),為進(jìn)一步研究焊接密封接頭的 開裂提供借鑒.
1 計(jì)算模型的建立
1.1 角焊縫焊接密封接頭幾何模型
研究對象為加氫高壓換熱器管箱法蘭的平板式 焊接密封結(jié)構(gòu).管箱法蘭與蓋板材料為16Mo5.實(shí)心 圓平板尺寸為1 212 mm×10 mm,材質(zhì)為0Cr18Ni9.
管箱法蘭表面有5 mm厚的0Cr18Ni9堆焊層,計(jì)算模 型如圖1所示,假設(shè)材料為線性強(qiáng)化彈塑性模 型[7-9].圖2為焊接密封結(jié)構(gòu)角焊縫的詳圖,焊接采 用三道焊完成,焊接工藝參數(shù)如表1[10]所示.
第一道焊為鎢極氣體保護(hù)焊,其工藝參數(shù)都是 確定的,因此只針對第二、第三道焊條電弧焊進(jìn)行正 交試驗(yàn)設(shè)計(jì).
1.2 板式焊接密封結(jié)構(gòu)的有限元模型
利用有限元軟件ABAQUS 6.5,開發(fā)了一個(gè)順次 耦合的熱應(yīng)力計(jì)算程序來模擬板式焊接密封結(jié)構(gòu)的 焊接殘余應(yīng)力.首先進(jìn)行熱分析,將各節(jié)點(diǎn)溫度場 的計(jì)算結(jié)果輸出到結(jié)果文件作為力分析的預(yù)定義 場,在力分析過程中從此預(yù)定義場中讀取各節(jié)點(diǎn)溫 度,進(jìn)行插值計(jì)算.通過施加內(nèi)生熱模擬電弧的加 熱作用,運(yùn)用單元激活技術(shù)(model change remove or add)模擬多道焊的情形.熱分析和力分析使用相同的單元和節(jié)點(diǎn).
考慮到模型的對稱性,取模型的1/2進(jìn)行分析. 以中心面為對稱面建立模型,采用結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格,生成 2 966個(gè)節(jié)點(diǎn),2 815個(gè)單元. ABAQUS的熱模擬選用 四節(jié)點(diǎn)對稱單元DCAX4,殘余應(yīng)力模擬選用CAX4 單元,網(wǎng)格劃分如圖3所示.焊縫附近溫度變化很 大,網(wǎng)格較密;遠(yuǎn)離焊縫處溫度變化較小,網(wǎng)格稀疏.
2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析
2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)
為了盡可能減少模擬次數(shù),考察焊接電流、電弧 電壓、焊接速度以及焊接預(yù)熱溫度對焊接殘余應(yīng)力 的影響,宜選用正交試驗(yàn)法[11].取上述4個(gè)焊接工 藝參數(shù)作為因子,每個(gè)因子取5個(gè)值作為水平,共進(jìn) 行25組試驗(yàn),如此設(shè)計(jì)的L25(56)正交表見表2.
2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算及分析
以每組模擬結(jié)果中應(yīng)力極值作為考察目標(biāo),根 據(jù)極差分析方法,就可以分析焊接電流、電弧電壓、 焊接速度以及焊接預(yù)熱溫度對焊接殘余應(yīng)力的影 響.正交分析結(jié)果如表3所示,其中σmises應(yīng)力的單 位為MPa.記Ki(i=1,2,3,4,5)為每列因子在每個(gè) 水平上的σmises應(yīng)力極值的和,單位為MPa.ki(i=1 2,3,4,5)為Ki的平均值,單位為MPa;△i為極差 Δi=maxki-minki,單位為MPa.
以表3中第一列因子為例,有
K1I= K1+K2+K3+K4+K5
K2I= K6+K7+K8+K9+K10
K3I= K11+K12+K13+K14+K15
K4I= K16+K17+K18+K19+K20
K5I= K21+K22+K23+K24+K25
表3列出了每組模擬結(jié)果中的應(yīng)力極值計(jì)算和 △i.從表3可以得到△Ⅲ>△Ⅳ>△Ⅰ>△Ⅱ.由此 說明在4個(gè)因子中,焊接速度對焊接殘余應(yīng)力的影 響最大,預(yù)熱溫度的影響其次,焊接電流的影響再 次,電弧電壓的影響最小.因此得到殘余應(yīng)力極值 最小的最優(yōu)工藝參數(shù)組合為Ⅲ1Ⅳ5Ⅰ4Ⅱ4,即焊接速 度21 cm/min、預(yù)熱溫度為240℃、焊接電流114 A、 電弧電壓29 V.
3 數(shù)值模擬結(jié)果分析
3.1 最優(yōu)焊接工藝參數(shù)的數(shù)值模擬結(jié)果
根據(jù)正交試驗(yàn)表的安排,得到了一組理論上最 小焊接殘余應(yīng)力的最優(yōu)焊接工藝參數(shù),即焊接速度 21 cm/min、預(yù)熱溫度為240℃、焊接電流114 A、電 弧電壓29 V.由于在試驗(yàn)中這組參數(shù)沒有出現(xiàn),為 了驗(yàn)證正交試驗(yàn)的正確性,對最優(yōu)的焊接工藝參數(shù) 組合進(jìn)行數(shù)值模擬.通過有限元軟件ABAQUS的計(jì) 算,得到在最優(yōu)焊接工藝參數(shù)下焊接殘余應(yīng)力的模 擬結(jié)果,如圖4所示.定義σs11為模型徑向焊接殘余應(yīng)力,σs22為軸向焊接殘余應(yīng)力,σs33為環(huán)向焊接殘余 應(yīng)力.
從圖4最優(yōu)工藝參數(shù)的焊接殘余應(yīng)力的結(jié)果來 看,正交試驗(yàn)得到的最優(yōu)焊接工藝參數(shù)確實(shí)得到了 最小的焊接殘余應(yīng)力為233.9 MPa.從圖4可以看 出最大的σ焊接殘余應(yīng)力和最大環(huán)向拉應(yīng)力分布在 焊縫及熱影響區(qū)部位,在熱影響區(qū)附近還出現(xiàn)了最 大徑向壓應(yīng)力.這個(gè)部位受力最復(fù)雜且受力極不均 勻,極易發(fā)生裂紋,從而導(dǎo)致泄漏失效.
3.2 不同路徑的焊接殘余應(yīng)力分析
為了直觀而又清楚的表達(dá)最優(yōu)焊接工藝參數(shù)下 焊縫附近的焊接殘余應(yīng)力,分別取圖2所示的路徑 1、路徑2和路徑3進(jìn)行比較,其焊接殘余應(yīng)力分布 如圖5所示.
從圖5可以看出應(yīng)力最大值都集中在焊縫及熱 影響區(qū)部位,隨著距焊縫中心的距離增大,焊接殘余 應(yīng)力逐漸變小.路徑2為焊縫與墊片接觸部位,距 焊縫中心位置0·004 m處,其徑向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力 由拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力.路徑3在距離焊縫0·02 m 處,出現(xiàn)了最大壓應(yīng)力為168·0 MPa;在距離焊縫 0·01 m附近出現(xiàn)了最大環(huán)向殘余應(yīng)力為308·9 MPa. 路徑1即焊縫與堆焊層接觸的部分,距離焊縫中心 0·02 m處,出現(xiàn)了最大的徑向拉應(yīng)力為228·6 MPa. 這些位置的殘余應(yīng)力、環(huán)向殘余應(yīng)力、軸向殘余應(yīng)力 和徑向殘余應(yīng)力受力復(fù)雜且應(yīng)力值都比較大,極易 發(fā)生裂紋,從而導(dǎo)致泄漏失效,在實(shí)際工程中應(yīng)引起 重視.
4 結(jié) 論
(1)利用有限元軟件ABAQUS,編寫了順序耦合 的焊接熱應(yīng)力計(jì)算程序,得到了加氫高壓換熱器角 焊縫焊接密封接頭在不同組合的焊接工藝參數(shù)條件 下的焊接過程和冷卻過程的焊接殘余應(yīng)力.
(2)通過正交試驗(yàn)分析和數(shù)值模擬方法,設(shè)計(jì) 一組L25(56)正交試驗(yàn),通過極差分析法得到了使加 氫換熱器角焊縫焊接密封接頭殘余應(yīng)力極值最小的 最優(yōu)工藝參數(shù).其中焊接速度對焊接殘余應(yīng)力的影 響最大,預(yù)熱溫度的影響其次,焊接電流的影響再 次,電弧電壓的影響最小.
(3)對最優(yōu)焊接工藝參數(shù)下的焊接殘余力進(jìn)行 數(shù)值模擬,得到角焊縫密封接頭的最大殘余應(yīng)力主 要集中在焊縫和熱影響區(qū)處,而且這些部位受力復(fù) 雜且受力不均勻,極易發(fā)生裂紋,應(yīng)采取必要的焊后 熱處理以降低焊接殘余應(yīng)力,防止發(fā)生泄漏失效.
(4)研究結(jié)果可對加氫高壓換熱器角焊縫焊接密封接頭的實(shí)際焊接工藝參數(shù)選擇提供參考,也為進(jìn)一步研究和分析該類換熱器焊接密封接頭的開裂失效提供了理論依據(jù).
參考文獻(xiàn):略
本文地址：http://www.kjdzwh.cn/tech-detail/t213102.html
