厚壁316LN不锈钢管焊接接头中残余应力的有限元模拟

发布时间：2020-03-14 17:29

【摘要】：采用有限元模拟的方法,对厚壁316LN不锈钢管焊接接头中的焊接残余应力进行研究,分析了焊道合并对模拟结果的影响,并采用X射线应力测试对模拟结果进行了验证。结果表明:在考虑钢管初始应力的条件下,模拟结果与实测结果吻合;轴向残余拉应力主要出现与盖面焊道毗邻的钢管外壁以及最后一道盖面焊道下方,其中钢管焊接在工装上、受工装拘束较大的管道一侧,拉应力数值和范围都较大;焊道合并简化对残余压应力的分布和数值影响较大,对主要分布在盖面焊道附近的残余拉应力的影响较小;选择合适的简化模型可以在保证较高计算准确度的同时缩短计算耗时,可用于大型焊接结构残余应力场的模拟。
【图文】：

拟方法对该钢管焊接接头中的残余应力进行了分析，并采用Ｘ射线应力测试方法对模拟结果进行了验证。１试样制备与试验方法对两根外径为９５２．５ｍｍ、壁厚为８０ｍｍ、长度为５００ｍｍ的３１６ＬＮ不锈钢管进行５Ｇ位置对接，以钢管最高点为０°，最低点为１８０°。采用脉冲ＴＩＧ（惰性气体钨极保护焊）焊，焊丝为ＥＲ３１６Ｌ，共７０道焊缝，其中盖面焊道为４道。将其中一根钢管一端的部分区域焊接在工装上，并将该钢管命名为管Ａ，另一根命名为管Ｂ。图１Ｘ射线应力测试点位置示意Ｆｉｇ．１ＳｃｈｅｍａｔｉｃｆｏｒＸ－ｒａｙｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎｓｔｒｅｓｓｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｐｏｉｎｔｓ采用加拿大Ｐｒｏｔｏ公司生产的ｉＸＲＤ－ＭＧ４０Ｐ型应力测试仪进行焊接残余应力的测试，选用铬靶，衍射晶面选取（３１１）晶面。残余应力测试点选取在管Ｂ外壁的６０°处，由焊趾处沿管轴线远离坡口向外依次取１５个测试点，测试点到焊趾的距离分别为０ｍｍ（焊趾处），１ｍｍ，２ｍｍ，３ｍｍ，…，１０ｍｍ，１５ｍｍ，２０ｍｍ，３０ｍｍ，５０ｍｍ，如图１所示。此外，在钢管远离坡口的一端随机取三个测试点，将这三个点处的应力平均值作为钢管外表面的初始应力。２有限元分析２．１有限元模型的建立采用二维轴对称热弹－塑性有限元模型进行热－应力顺序耦合计算，以ＡＢＡＱＵＳ软件为计算平台，考虑每道次焊缝的截面形貌，热分析单元选用ＤＣＡＸ４，应力分析单元选用ＣＡＸ４Ｒ，单元总数为２０８１５，节点数为２１０１７。接头横截面中部部分有限元网格划分情况如图２

０ｍｍ，１５ｍｍ，２０ｍｍ，３０ｍｍ，５０ｍｍ，如图１所示。此外，在钢管远离坡口的一端随机取三个测试点，将这三个点处的应力平均值作为钢管外表面的初始应力。２有限元分析２．１有限元模型的建立采用二维轴对称热弹－塑性有限元模型进行热－应力顺序耦合计算，以ＡＢＡＱＵＳ软件为计算平台，考虑每道次焊缝的截面形貌，热分析单元选用ＤＣＡＸ４，应力分析单元选用ＣＡＸ４Ｒ，单元总数为２０８１５，节点数为２１０１７。接头横截面中部部分有限元网格划分情况如图２所示。图２部分焊接接头有限元模型网格划分示意Ｆｉｇ．２Ｔｈｅｍｅｓｈｉｎｇｏｆｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆｐａｒｔｉａｌｗｅｌｄｅｄｊｏｉｎｔ为了研究焊道合并方法对最终应力场计算结果的影响，在二维轴对称模型的基础上，通过将五条、十条、十五条焊道合并一组的方法分别形成１８道模型、１２道模型以及１０道模型，将原始模型命名为７０道模型。由于打底焊道具有熔透钝边的作用，盖面焊道的铺展方式较特殊，因此打底焊道和盖面焊道不进行合并，只将填充焊道进行合并。如在１８道模型中，第１道至第１８道焊缝分别是７０道模型的第１，２～６，７～１１，，１２～１６，１７～２１，２２～２６，２７～３１，３２～３６，３７～４１，４２～４６，４７～５１，５２～５６，５７～６１，６２～６６，６７，６８，６９，７０道焊缝。２．２温度场计算模型图３打底焊道的热循环曲线Ｆｉｇ．３Ａｐｐｌｉｅｄｔｈｅｒｍａｌｃｙｃｌｅｏｆｂａｃｋｉｎｇｗｅｌｄ在实体模型单道焊接过

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本文编号：2587021