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        過載法消除矩形壓力蒸汽滅菌器焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值分析

        2015-05-14 07:11:26宇慧平趙爾冰韓長(zhǎng)錄
        壓力容器 2015年6期
        關(guān)鍵詞:不銹鋼焊縫區(qū)域

        宇慧平,楊 柳,趙爾冰,馮 峰,韓長(zhǎng)錄

        (1.北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院,北京 100124;2.北京市朝陽(yáng)區(qū)特種設(shè)備檢測(cè)所,北京 100122)

        0 引言

        奧氏體不銹鋼具有良好的耐腐蝕性、塑性、高溫性能、低溫性能和焊接性能,通過焊接制成奧氏體不銹鋼內(nèi)壁的蒸汽滅菌器,廣泛應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生等行業(yè)。奧氏體不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)小、熱膨脹系數(shù)大,使其焊接殘余應(yīng)力大于碳鋼,而醫(yī)用滅菌器內(nèi)壁長(zhǎng)期接觸氯離子,二者共同作用,發(fā)生應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致開裂的現(xiàn)象十分普遍。降低焊接殘余應(yīng)力已經(jīng)是奧氏體不銹鋼壓力容器的重要研究?jī)?nèi)容之一[1]。

        降低焊接殘余應(yīng)力的方法有熱處理法、過載法、溫差變形法和電脈沖法等,如:宋天民[2]對(duì)焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生與消除進(jìn)行了系統(tǒng)介紹;陳曉冬[3]對(duì)消除壓力容器中焊接殘余應(yīng)力的幾種方法進(jìn)行了分析比較;汪建華等[4]對(duì)焊接殘余應(yīng)力形成機(jī)制與消除原理進(jìn)行了討論。通過拉伸抵消固有壓縮應(yīng)變?cè)吹倪^載法具有基礎(chǔ)分析依據(jù)[4]。對(duì)于不宜進(jìn)行熱處理的奧氏體不銹鋼壓力容器而言,通過過載水壓產(chǎn)生拉伸變形是利于降低殘余應(yīng)力的方法。

        Ji等[5]研究了焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬;遲露鑫等[6]研究了工藝參數(shù)對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響;徐連勇等[7]研究了焊后熱處理對(duì)焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響;王和慧等[8]模擬了還原爐撓性?shī)A套的焊接殘余應(yīng)力。然而,針對(duì)奧氏體不銹鋼焊接殘余應(yīng)力的模擬與過載消除的數(shù)值仿真比較少見。

        SYSWELD是模擬焊接過程的專業(yè)軟件,可獲得焊接殘余應(yīng)力分布[9]。文中使用此軟件對(duì)奧氏體不銹鋼矩形壓力蒸汽滅菌器進(jìn)行焊接數(shù)值模擬,得到焊后殘余應(yīng)力的分布,然后導(dǎo)入NASTRAN軟件對(duì)滅菌器夾套和內(nèi)壁加壓后卸載模擬殘余應(yīng)力的變化情況,從而尋求比較適宜的過載載荷,為生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

        1 矩形壓力蒸汽滅菌器模型

        按照YY/T 0084.2—2009《矩形壓力蒸汽滅菌器主要受壓元件強(qiáng)度計(jì)算及其有關(guān)規(guī)定》,設(shè)計(jì)了0.5 m3矩形滅菌器實(shí)驗(yàn)樣品,為了便于對(duì)比和節(jié)省試驗(yàn)費(fèi)用,內(nèi)腔采用了304和316L兩種材料,分別設(shè)有304之間、316L之間和304與316L之間3種對(duì)接焊縫。外殼為Q235鋼,中間支撐筋為Q235槽鋼,內(nèi)板與槽鋼通過搭接焊、T型焊焊接為一體,這些搭接焊和T型焊采用的是斷續(xù)焊的方式,槽鋼通過塞焊與外板連接,其幾何模型如圖1所示。該矩形壓力容器的工作內(nèi)壓為0.21 MPa。數(shù)值仿真采用相同的模型和焊接工藝。

        圖1 滅菌器結(jié)構(gòu)示意

        2 焊接殘余應(yīng)力的模型數(shù)據(jù)

        文中采用SYSWELD軟件對(duì)滅菌器焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行仿真,所采用的熱源模型及焊接工藝如下所述。

        2.1 熱源模型

        焊接熱分析的溫度場(chǎng)決定了焊接結(jié)構(gòu)分析的應(yīng)力場(chǎng)和變形場(chǎng),而焊接力學(xué)場(chǎng)對(duì)溫度場(chǎng)的影響較小,因此進(jìn)行順序耦合熱力分析。雙橢球熱源分布考慮了電弧在熔深方向的加熱作用,能夠真實(shí)地體現(xiàn)焊接熱過程,計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確,因此文中選擇雙橢球熱源作為焊接熱源。

        2.2 焊接工藝

        5 mm厚的內(nèi)腔焊接坡口形式為V形,35°半坡角3道焊接。第1道采用φ2.5 mm的304焊絲進(jìn)行鎢極氬弧焊,鈍邊間隙2 mm,高1.5 mm,焊接速度2 mm/s,焊接電流100 A;第2道采用φ3.0 mm的A102焊條進(jìn)行焊條電弧焊,焊接速度為2 mm/s,焊接電流 120 A;第3道采用 φ3.0 mm 的A102焊條進(jìn)行焊條電弧焊,焊接速度2 mm/s,焊接電流120 A。焊縫背面余高0.5~1.0 mm,焊縫寬4 mm;正面余高0.5 ~1.0 mm,焊縫寬10 mm;內(nèi)板與4.5 mm厚的支撐筋采用 φ4.0 mm的A302焊條進(jìn)行焊條電弧焊,焊接速度2 mm/s,焊接電流110 A。

        按照矩形壓力滅菌器幾何尺寸建立有限元模型如圖2所示。考慮到焊接過程中焊縫及近焊縫區(qū)的溫度梯度較大,在焊縫處采用較小的網(wǎng)格單元,遠(yuǎn)離焊縫區(qū)采用較大的單元尺寸,如圖3所示。

        圖2 有限元網(wǎng)格模型

        由于是按實(shí)體建模,長(zhǎng)度約為1.2 m,并且是非線性的瞬態(tài)問題,焊接時(shí)間比較長(zhǎng),焊縫比較多,包括內(nèi)腔對(duì)接三層多道焊、很多支撐筋與內(nèi)壁的斷續(xù)焊,熱源又為移動(dòng)的雙橢球熱源,這樣的網(wǎng)格密度在主頻2.83 GHz,4G內(nèi)存機(jī)器上計(jì)算約6天,獲得焊接殘余應(yīng)力。

        圖3 槽鋼與不銹鋼焊縫處網(wǎng)格模型

        3 過載法消除殘余應(yīng)力實(shí)施方法

        理論上,對(duì)結(jié)構(gòu)施加機(jī)械載荷,當(dāng)結(jié)構(gòu)隨機(jī)械載荷的增加而發(fā)生變形時(shí),焊接過程中產(chǎn)生的塑性區(qū)材料,由于已經(jīng)發(fā)生塑性變形,局部材料強(qiáng)度較高、變形較小,而原來未進(jìn)入屈服的材料,隨載荷的增大進(jìn)入屈服,從而在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生二次變形協(xié)調(diào)。該變形協(xié)調(diào)有利于消除因溫差導(dǎo)致的焊接殘余應(yīng)力。當(dāng)撤去所施加的機(jī)械載荷后,由于同時(shí)存在塑性區(qū)和彈性區(qū),結(jié)構(gòu)內(nèi)部同樣會(huì)存在殘余應(yīng)力,但此時(shí)的殘余應(yīng)力場(chǎng)與原殘余應(yīng)力場(chǎng)相比,原高應(yīng)力區(qū)部位的應(yīng)力會(huì)下降,而低應(yīng)力區(qū)部位的應(yīng)力會(huì)上升,殘余應(yīng)力分布更加均勻。圖4示出試驗(yàn)測(cè)得的316L和304的真應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖。

        圖4 兩種不銹鋼材料真應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線

        在矩形蒸汽滅菌器內(nèi)壁或夾套打壓后,即使壓力很小,對(duì)內(nèi)壁而言,除了承受內(nèi)壁或夾套的薄膜應(yīng)力外,還要承受由于支撐筋的約束引起的較大的彎曲應(yīng)力。薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力及焊接殘余應(yīng)力共同作用,達(dá)到過載消除殘余應(yīng)力的目的。

        文中基于SYSWELD軟件計(jì)算得到蒸汽滅菌器焊后殘余應(yīng)力,通過編程,將基于SYSWELD計(jì)算得到的壓力容器焊后殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成NASTRAN中的初始應(yīng)力。利用NASTRAN對(duì)壓力容器中夾套加壓卸載、內(nèi)壁加壓卸載消除殘余應(yīng)力這一過程進(jìn)行模擬。

        4 模擬結(jié)果與分析

        4.1 焊接殘余應(yīng)力模擬結(jié)果及分析

        對(duì)滅菌器模型焊接溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行三維模擬,分析焊接時(shí)多場(chǎng)耦合對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響,得到如圖5所示的焊后von Mises等效殘余應(yīng)力分布圖(以下圖中應(yīng)力的單位都是MPa)。

        圖5 焊后等效殘余應(yīng)力分布

        由圖5可以看出,沿焊縫方向有最大殘余應(yīng)力,并且最大值出現(xiàn)在焊縫區(qū),且由焊縫向母材殘余應(yīng)力逐漸減小,并過渡為殘余壓應(yīng)力。這是因?yàn)?,焊縫殘余應(yīng)力是根據(jù)焊縫收縮受約束的機(jī)理產(chǎn)生的,其最大值高于母材屈服極限,距焊縫越遠(yuǎn)、應(yīng)力值越小,在周圍的母材區(qū)有相對(duì)較低的壓應(yīng)力存在。這與文獻(xiàn)[10]通過試驗(yàn)得出的結(jié)果近似。316L內(nèi)壁區(qū)域與304內(nèi)壁區(qū)域焊后殘余應(yīng)力的差別不大。

        4.2 過載法殘余應(yīng)力的模擬結(jié)果與分析

        通過多次試算,發(fā)現(xiàn)當(dāng)滅菌器夾套內(nèi)施加0.55 MPa的壓力并卸載,內(nèi)壁施加 0.41 MPa的壓力并卸載后,其殘余應(yīng)力的峰值降低明顯。圖6,7分別示出夾套加壓0.55 MPa后卸載和對(duì)內(nèi)壁加壓0.41 MPa后卸載的整體及局部等效殘余應(yīng)力云圖。

        圖6 夾套內(nèi)加壓0.55 MPa卸載后等效殘余應(yīng)力分布圖

        圖7 內(nèi)壁加壓0.41 MPa卸載后矩形等效應(yīng)力圖

        對(duì)比分析圖5(a)和圖6(a)可以看出,對(duì)夾套施加0.55 MPa的壓強(qiáng)并卸載,殘余應(yīng)力分布情況得到改善。內(nèi)壁材料316L區(qū)域的von Mises等效殘余應(yīng)力明顯減少,焊接模擬后應(yīng)力最大值主要分布在槽鋼與內(nèi)壁焊縫處,在夾套加壓卸載后,應(yīng)力最大值區(qū)域轉(zhuǎn)移至兩槽鋼之間;內(nèi)壁材料304區(qū)域的von Mises等效殘余應(yīng)力也有所減少,加壓前后應(yīng)力最大值都在焊縫與內(nèi)壁焊縫處,但是最大值有所降低。

        對(duì)比分析圖5(b)和圖6(b)可以看出:焊接模擬后應(yīng)力主要集中在T型焊和搭接焊兩個(gè)焊縫處。加壓卸載后,316L搭接焊區(qū)域,峰值降低,應(yīng)力分布更加均勻;T型焊區(qū)域,應(yīng)力集中區(qū)域變小;焊縫中部,殘余應(yīng)力峰值進(jìn)一步減小。

        對(duì)比分析圖5(c)和圖6(c)可以看出:槽鋼與304焊縫處的殘余應(yīng)力分布的變化趨勢(shì)和槽鋼與316L焊縫處殘余應(yīng)力變化相同。但夾套加載0.55 MPa卸載后,槽鋼與304焊接的最大值要偏大,同時(shí)其殘余應(yīng)力大值區(qū)域也比316L的偏大,尤其是在搭接焊處。

        對(duì)內(nèi)壁施加0.41 MPa的壓強(qiáng)并卸載,對(duì)比分析圖6(a)和圖7(a)可知:殘余應(yīng)力分布情況得到進(jìn)一步改善。內(nèi)壁材料為316L的區(qū)域,應(yīng)力最大值區(qū)域仍為兩槽鋼之間,內(nèi)壁材料為304的區(qū)域應(yīng)力最大值仍在內(nèi)壁焊縫處,最大值繼續(xù)降低,分布進(jìn)一步均勻。對(duì)比分析圖6(b)和圖7(b)可以看出:在槽鋼與316焊縫處,盡管von Mises等效應(yīng)力的最大值有所增加,但其最大值點(diǎn)變?yōu)楹缚p起始處非常小的區(qū)域,而原來焊接殘余應(yīng)力大的焊縫處明顯減少。對(duì)比分析圖6(c)和圖7(c)可以看出:槽鋼與304焊縫處的殘余應(yīng)力分布的變化趨勢(shì)和槽鋼與316L焊縫處殘余應(yīng)力變化相同,但內(nèi)壁施壓對(duì)304與槽鋼處殘余應(yīng)力的改善效果不如316L的好。

        因?yàn)楹缚p處一般為焊接殘余應(yīng)力較大的區(qū)域,因此,文中關(guān)注夾套內(nèi)槽鋼與316L、304焊縫處X方向和第一主應(yīng)力的最大值,模擬結(jié)果整理如表1所示。由于內(nèi)壁和氯離子進(jìn)行接觸,因此,還需關(guān)注內(nèi)壁最大殘余應(yīng)力的變化情況,將內(nèi)壁殘余應(yīng)力變化的模擬結(jié)果整理如表2所示。

        表1 槽鋼與316L、304焊縫處加壓卸載前后最大應(yīng)力對(duì)比

        表2 內(nèi)壁區(qū)域加壓卸載前后內(nèi)壁最大應(yīng)力對(duì)比

        由表1,2可以看出,矩形滅菌器夾套內(nèi)施加0.55 MPa的壓強(qiáng)并卸載后,滅菌器各個(gè)位置的X方向應(yīng)力和第一主應(yīng)力最大值均有減小,316L區(qū)域比304區(qū)域減小更為明顯。

        316L區(qū)域比304區(qū)域減少更為明顯,這是因?yàn)椋瑯訔l件下316L的變形比304大,使得316L區(qū)域的殘余應(yīng)力釋放比304區(qū)域多。因此,對(duì)于加壓卸載法降低殘余應(yīng)力,對(duì)于內(nèi)壁全為304的消毒柜,若要進(jìn)一步消除殘余應(yīng)力,可適當(dāng)提高載荷。

        另外,在0.5 m3矩形滅菌器實(shí)驗(yàn)機(jī)上,在方便測(cè)量的拉筋角焊縫對(duì)應(yīng)內(nèi)壁部位進(jìn)行X射線殘余應(yīng)力測(cè)試,測(cè)試結(jié)果中該部位焊后最大值為335.2 MPa,通過過載法處理后降低為 95.6 MPa,殘余應(yīng)力減少70%左右,且無影響外觀的變形,這與數(shù)值仿真的減少比例基本相當(dāng)。

        綜合以上滅菌器應(yīng)力變化情況的分析可得出:在夾套加壓卸載后,焊縫處和內(nèi)壁區(qū)域殘余應(yīng)力均明顯減小;在內(nèi)壁加壓卸載后,焊縫處和內(nèi)壁區(qū)域殘余應(yīng)力進(jìn)一步減小;不同材料通過加壓卸載后,殘余應(yīng)力的變化量不同但都有減小。所以,過載法可以有效改善奧氏體不銹鋼矩形壓力容器的焊接殘余應(yīng)力。

        5 結(jié)論

        通過對(duì)奧氏體不銹鋼矩形壓力蒸汽滅菌器焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬,得到如下結(jié)論:

        (1)對(duì)于矩形壓力容器,可通過對(duì)夾套加壓卸載、隨后對(duì)內(nèi)壁加載卸載的方法消除殘余應(yīng)力。

        (2)不同材料通過加壓卸載的方法消除殘余應(yīng)力的效果不同,316L鋼的殘余應(yīng)力消除比304鋼的殘余應(yīng)力消除更容易。

        (3)過載法能有效降低焊接處殘余應(yīng)力的峰值,改善奧氏體不銹鋼矩形壓力容器內(nèi)壁殘余應(yīng)力的分布情況,使其更加均勻。

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