承压容器焊接接头残余应力测试及有限元分析(3)

承压容器焊接接头残余应力测试及有限元分析

阳等学者采用弹塑性的有限元理论和生死单元技术对具有多个接管的核压力容器上的马鞍形焊缝进行焊接残余应力数值模拟，不考虑应力应变场对温度场的作用，采用了弱耦合算法，结果显示，焊接顺序对各个接管的温度场产生的影响。张样等人对平封头上的多级焊缝与压力容器壳体进行了残余应力的模拟研究，，得到了焊接残余应力关于焊缝对称分布的特征规律的结论。

数值模拟的主要内容有焊接热传导分析，焊接溶池流体动力学，电弧物理现象，焊接应力及变形以及焊接接头的力学行为。一些特殊的焊接过程如陶瓷金属连接、电阻点焊、激光焊接也是近年来学者们涉及的研究领域。但是发展数值模拟技术更应该重视试验验证的工作，对于目前存在的问题，主要是一些新型材料不断涌现，越来越复杂的焊接结构也越来越多，接头形式也不局限于一般的接头形式，也应该重视高温下材料的参数和性能对焊接数值模拟技术的问题。

1.3研究思路与方法

本文首先按照承压容器材质制作一套焊接样件，并对其进行焊接应力分析，然后对焊接接头的应力、应变等进行研究，再对其建模进行有限元分析。然后选取承压容器中的锅炉进行同样分析，先对锅炉焊接缝进行应力分析，然后建模进行有限元分析，最终通过分析获得应力的消除方式，以及最佳应力状态。

本文通过理论与试验模拟相结合的方法对承压容器的焊接残余应力进行测试和有限元分析，并将试验测得的结果与数值模拟的结果进行对比。先对厚板进行模拟局部焊后热处理试验，在试验过程中测量其热处理前后的应力分布情况。后对承压容器的焊缝应力进行试验测量，得出分布规律。利用ANSYS有限元软件来模拟承压容器，得到了焊接接头残余应力的分布规律。

1.4研究的创新之处

国内外的学者对承压容器都做了很多研究，对不一样厚度板材的热处理工艺也做过分析。但很少进行实际的残余应力消除效果试验，来判定热处理工艺。另外也很少对其它消除残余应力的方式进行研究，因此理顺焊后消除残余应力的有效方式是非常有实际研究意义的。

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综上，能够开展基于残余应力消除效果的板热处理试验，获得相关应力与板材厚度、焊缝宽度的关系。对承压设备的焊接接头进行生产现场的应力测试也能够为装备制造过程中的质量保证环节提供经验。对承压容器的焊接残余应力研究及有限元分析对今后关于承压容器焊接接头的研究，尤其是厚板的研究，有重大的科研意义，同时，也对焊接接头的施工工艺及设计尺寸等提供工程借鉴。

通过压容器的焊接残余应力研究及有限元分析对得出焊后焊缝应力的分布，为以后的工作提供借鉴，同时提高了能源的利用率，减少能源的浪费。总之，本文会对影响承压容器焊接应力的原因进行分析，并最终为承压容器的焊接应力的消除提出对策。

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2理论基础

2.1承压容器介绍

承压容器的现状以及发展趋势，承压容器是以流程性材料(粉粒体、液体、气体等)的压力为基本载荷、应用广泛并且具有潜在泄漏和爆炸危险的特种设备，如压力管道、压力容器(含气瓶)、锅炉等。承压设备是煤化工、天然气化工和石油化工等过程工业的关键设备。如果没有安全可靠的承压设备，那就不可能有先进的工业。此外，一些高新技术的领域，如先进防御技术、能源技术、航空航天技术等，也离不开安全可靠的承压设备。因此，开展承压设备的研究对国家安全、人民生命财产安全、经济发展和社会稳定都具有主要意义。

随着科学技术的飞速发展，压力容器也出现了新的发展趋势。（1）大型化与小型承压设备相比而言，大型承压设备不但生产效率高，而且具有制造成本低、运行和维修费用低、占地面积小等优点。但是大型承压设备的投资巨大，介质的储存量大，一旦发生泄漏、爆炸等大型事故，将会造成人员大量伤亡、严重的环境污染和重大的经济损失，因此要求确保大型承压设备长寿命、长周期地安全可靠运行非常必需。（2）应用越来越广的能源技术和资源环境技术、先进制造与自动化技术、新材料、生物和现代农业技术、信息技术等高新技术是国家高技术研究发展计划(863计划)确定的6个高技术领域。这些研究领域大都与承压设备学科有着紧密的关系。（3）标准全球化为使安全可靠的运行承压设备，承压设备的设计、制造、检验必须满足安全技术规范的要求。为促进承压设备在欧盟范围内自由贸易，消除贸易技术壁垒，在工业领域内尽可能广泛实施统一的技术法规，在相互标准认可的基础上，实现全球自由贸易的承压设备产品。（4）对承压设备防止突发爆炸事故提出更高的要求。近年来，刑事犯罪呈现出职业化、智能化、动态化和组织化的发展趋势。 为了防止突发性的爆炸事故，给压力容器的设计制造提出了新的要求。（5）安全可靠性要求越来越高，大多数承压设备是大型化连续生产，停产能够造成巨大的经济损失。此外，承压设备的服役条件千差万别，有高温、深冷、低温; 有强酸、强碱、剧毒、易燃和易爆介质; 有超高压、高压、中压、低压和真空等，因而一旦发生泄漏或爆炸事故，不仅会造成经济损失，而

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且还会造成严重的环境污染。

2.2焊接应力与检测方法理论

焊接变形和残余应力的存在是影响构件或结构脆性断裂强度、结构稳定性、疲劳强度等的主要原因。就管道结构而言，导致管道发生应力腐蚀开裂的主要原因之一是在内表面存在的拉伸残余应力。

（1）应力概念

根据提出的德国学者马赫劳赫提出的分类，应力应分为三类：第一类内应力存在于材料中的内部较大面积，并保持内应力在每个部分的平衡。当应力平衡和对象的平衡的第一时刻内的内部类被破坏，对象将产生宏观尺寸变化。第2类内部应力应力存在于小范围（晶粒或晶粒内部区域）。内的3类应力存在于内部应力的一个非常小的范围内（几原子间距离）。

通常所说的残余应力在工程上就是第1类内应力。到现在，最为完善的是第1类内应力的测量技术，他们对构件质量和材料性能的影响也研究得颇为透彻。

除了这样分类的方法，工程界也按产生残余应力的工艺过程来归类和命名，例如磨削应力、喷丸应力、热处理应力、铸造应力、焊接应力等等，而且一般指的都是第1类内应力。

（2）应力作用

大型机械构件和机械零部件中的残余应力对其使用寿命、尺寸稳定性、抗应力腐蚀能力和疲劳强度有着十分主要的影响。分布合理的、适当的残余压应力可能成为提高抗应力腐蚀能力、提高疲劳强度，从而延长零件和构件的使用寿命的原因；而不恰当的残余应力则会失去尺寸精度，产生应力腐蚀、甚至导致变形、开裂，降低疲劳强度等早期失效事故。

（3）应力的产生

在机械制造中，各种工艺都会产生残余应力。但是，从本质上讲，残余应力的原因为：

1.不均匀的塑性变形； 2.不均匀的温度变化； 3.不均匀的相变

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（4）应力的调整

针对工件的服役条件，采取一定工艺措施，消除或降低性能不利的残余拉应力，有时引入有益的残余压应力的分布，这是残余应力调整问题。

通常调整残余应力的方法有： ① 自然时效

把置于室外的构件，经温度、气候的反复变化，在温度应力的作用下，尺寸精度获得稳定，使残余应力松弛。一般认为，经过一年的自然时效的工件，残余应力仅下降2%～10%，但较大地提高了工件的松弛刚度，因而工件的尺寸稳定性很好。但由于时效的时间过长，则一般不采用。

② 热时效

热时效是传统的时效方法，利用热处理中的退火技术，将工件加热到500～650℃进行较长时间的保温后再缓慢冷却至室温。在热作用下通过原子扩散及塑性变形使内应力消除。从理论上讲采用热时效，只要退火时间和温度适宜，应力可完全消除。但在实际生产中通常能够消除残余应力的70～80%，但是它有工件材料表面氧化、硬度及机械性能下降等缺陷。

③ 振动时效

振动时效是工件在激振器所施加的周期性外力的作用下产生的共振，松弛残余应力，获得尺寸精度稳定性。也就在机械作用下，构件产生了局部的塑性变形，从而残余应力得到了释放，达到了调整和降低残余应力的目的。其特点是处理时间短、适用范围广、能源消耗少、设备投资小，操作简便，因此振动时效在70年代从发达国家引进后在国内被大力推广。

④ 静态过载法

以静力矩或静力的形式，暂时加载于构件之上，并且在这种载荷下保持了一段时间，从而使零件的尺寸精度获得稳定的时效方法称为静态过载法。用于焊接件时需要将载荷加大到使原来应力与附加应力之和接近于材料的屈服极限，消除残余应力。静态过载法的精度稳定性效果，取决于应力下保持时间及附加应力的大小。特别指出，静态过载法处理后构件中仍然保持着相当大的残余应力。

⑤ 热冲击时效法

一种新颖的稳定的工件尺寸精度的时效工艺法在1970年前后出现。其实质就

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