劉晨璐* 劉國(guó)榮 候青林 諶家豪

（中國(guó)石油大學(xué)（華東））

0 前言

在管殼式換熱器中，常規(guī)焊接會(huì)使換熱管與管板之間存在一定的間隙。換熱器在腐蝕性環(huán)境中易產(chǎn)生間隙腐蝕以及應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂等問(wèn)題[1]。內(nèi)孔焊接采用對(duì)接焊縫的形式，從設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上有效避免了常規(guī)焊接形成的縫隙，優(yōu)化了焊件的應(yīng)力分布情況[2-3]。

采用數(shù)值模擬的分析方式，探究了Q245 材料管殼式換熱器中不同深孔焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力分布情況和變形差別，總結(jié)了焊接工藝參數(shù)對(duì)深孔焊接殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。

1 模型構(gòu)建

內(nèi)孔焊接中換熱管與管板的接頭形式分為全對(duì)接式和準(zhǔn)對(duì)接式[4]，根據(jù)GB/T 151—2014 《熱交換器》標(biāo)準(zhǔn)建立了4 種內(nèi)孔焊接頭模型，具體如圖1 所示。

圖1 內(nèi)孔焊接頭形式

換熱管規(guī)格為 48 mm×4.5 mm，熱端管板厚度為36 mm，換熱管與熱端管板之間采用對(duì)接焊接。為了限制焊縫附近的熱量流失，得到質(zhì)量較高的焊縫，在管板上加工一個(gè)接口，具體尺寸如圖2 所示。采用鎢極脈沖氬弧焊，控制脈沖電流和基值電流的比值為2.3～3.5。模型建立時(shí)采用如下假設(shè)[5-6]：（1）材料保持各向同性，材質(zhì)均勻；（2）忽略金屬熔化后液態(tài)金屬的流動(dòng)性及組織變化；（3）僅考慮材料彈塑性變形，不考慮材料蠕變帶來(lái)的影響；（4）耦合過(guò)程只考慮熱對(duì)流影響；（5）忽略母材與焊條的不一致性和化學(xué)反應(yīng)；（6）假設(shè)金屬填充過(guò)程是勻速的。根據(jù)上述條件，建立二維軸對(duì)稱(chēng)模型，在溫度場(chǎng)中定義網(wǎng)格類(lèi)型為4 節(jié)點(diǎn)四邊形軸對(duì)稱(chēng)傳熱型網(wǎng)格，采用一道焊方式，利用“生死單元格”進(jìn)行結(jié)合分析。其中設(shè)定環(huán)境溫度為20 ℃，換熱系數(shù)為0.02。

圖2 厚壁換熱管與管板坡口型式（單位：mm）

2 模擬分析

2.1 溫度場(chǎng)模擬分析

初始時(shí)設(shè)定模型熱通量q=3 MW/m2，時(shí)間周期設(shè)置為10。不同焊接形式的溫度模擬云圖如圖3 所示。當(dāng)焊縫開(kāi)始被“激活”，熱量向焊縫兩端傳遞。焊接過(guò)程完成后，焊件逐漸冷卻，焊縫中心溫度逐漸降低，熱量向換熱管和管板方向傳遞。對(duì)焊縫中心路徑進(jìn)行分析，焊縫中心處溫度隨時(shí)間的變化情況如圖4 所示，從圖4 可見(jiàn)，焊接是一個(gè)局部快速加熱的過(guò)程。

圖3 不同結(jié)構(gòu)下的模擬溫度云圖

圖4 不同結(jié)構(gòu)下焊縫焊接熱循

2.2 應(yīng)力場(chǎng)模擬分析

將溫度場(chǎng)的分析結(jié)果作為載荷導(dǎo)入應(yīng)力場(chǎng)，通過(guò)序貫耦合解法進(jìn)行求解得到模型的應(yīng)力云圖，如圖5所示。

無(wú)論是全對(duì)接型接頭還是準(zhǔn)對(duì)接型接頭，由于接頭處結(jié)構(gòu)不連續(xù)，徑向應(yīng)力S11 和軸向應(yīng)力S22 均集中在換熱管與管板的開(kāi)槽處（圓角過(guò)度），軸向應(yīng)力S22 在換熱管外壁、管板的內(nèi)壁處為壓應(yīng)力，在焊縫處、圓角過(guò)渡處則為拉應(yīng)力。由于焊接過(guò)程中，焊縫處集中受熱，局部熔化后與周?chē)牧蠝囟刃纬删薮蟮臏囟忍荻龋虼撕缚p處的金屬受到周?chē)牧系募s束作用后產(chǎn)生熱應(yīng)力，且該作用力有可能超過(guò)材料的屈服極限，導(dǎo)致焊縫區(qū)域產(chǎn)生塑性變形。焊件冷卻過(guò)程中，焊縫區(qū)域相比周?chē)鷧^(qū)域會(huì)縮短或變窄，因此焊縫區(qū)域會(huì)產(chǎn)生拉伸殘余應(yīng)力，周?chē)鷧^(qū)域則會(huì)受到壓縮殘余應(yīng)力作用。

圖5 不同焊接形式的應(yīng)力模擬云圖

由于接頭型式不同，全對(duì)接型接頭的應(yīng)力分布情況與準(zhǔn)對(duì)接型接頭有明顯區(qū)別。準(zhǔn)對(duì)接型接頭的應(yīng)力較大值集中分布在焊縫處、換熱管與管板連接處以及管板的底部，沿著管板方向擴(kuò)展，形成較大的應(yīng)力過(guò)該區(qū)。同時(shí)選取沿焊縫方向以及沿內(nèi)壁方向兩條路徑對(duì)不同結(jié)構(gòu)的焊接型式進(jìn)行分析，具體如圖6 所示。

圖6 應(yīng)力分布情況

從三向應(yīng)力分布情況可以看出，在沿內(nèi)壁方向，徑向應(yīng)力S11 幾乎沒(méi)有改變，基本等于零；軸向應(yīng)力S22 與環(huán)向應(yīng)力S33 變化趨勢(shì)相同，在焊縫及熱影響區(qū)應(yīng)力變化劇烈，顯示出焊接殘余應(yīng)力的局限性。沿焊縫方向，全對(duì)接型接頭的徑向應(yīng)力S11 仍然維持在零左右；軸向應(yīng)力S22 則受到焊接溫度和材料變形的影響，在近縫區(qū)內(nèi)產(chǎn)生了拉伸殘余應(yīng)力，其周?chē)鷧^(qū)域則出現(xiàn)了壓縮殘余應(yīng)力。環(huán)向應(yīng)力S33 與軸向應(yīng)力S22 的變化趨勢(shì)相同，且環(huán)向應(yīng)力值較大。由于管板與換熱管之間存在間隙，準(zhǔn)對(duì)接型接頭易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得換熱管外壁處產(chǎn)生了徑向拉伸應(yīng)力，S11 沿著換熱管內(nèi)壁逐漸延伸呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

2.2.1 應(yīng)力場(chǎng)對(duì)比

焊縫處的Mises 應(yīng)力如圖7 所示。無(wú)論是全對(duì)接型接頭還是準(zhǔn)對(duì)接型接頭，沿焊縫路徑的Mises 應(yīng)力大小均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。全對(duì)接型接頭靠近換熱管外壁處應(yīng)力值較大，準(zhǔn)對(duì)接型接頭的應(yīng)力較大值則位于焊縫中心處。全對(duì)接型接頭的應(yīng)力集中區(qū)域面積小于準(zhǔn)對(duì)接型接頭，主要集中在焊縫處以及結(jié)構(gòu)不連續(xù)處，大小約為320～330 MPa。準(zhǔn)對(duì)接型接頭殘余應(yīng)力主要集中在焊縫、裝配間隙以及管板的底部，其大小約為295 MPa。全對(duì)接型接頭應(yīng)力值與準(zhǔn)對(duì)接型接頭的應(yīng)力值相差不大，而且由于換熱管與管板的裝配方式不同，準(zhǔn)對(duì)接型接頭應(yīng)力集中區(qū)域主要在管板底部，相比全對(duì)接型接頭應(yīng)力集中區(qū)域更廣，因此全對(duì)接型接頭的應(yīng)力條件比準(zhǔn)對(duì)接型接頭更好。在工程運(yùn)用中，全對(duì)接型焊接接頭具有較強(qiáng)的連接強(qiáng)度和承載能力，同時(shí)應(yīng)力集中區(qū)域較小，抗疲勞能力強(qiáng)，在腐蝕環(huán)境中，抗應(yīng)力腐蝕的能力也很強(qiáng)，且全對(duì)接型焊縫接頭質(zhì)量較高，更利于貼片進(jìn)行射線檢測(cè)[7-8]。

圖7 焊縫處Mises應(yīng)力

2.3 變形分析

在外力或溫度的影響下，焊件會(huì)發(fā)生尺寸和形狀變化。變形大多集中在焊縫與管板的結(jié)構(gòu)不連續(xù)處以及管板的開(kāi)槽處，且具有一定的規(guī)律，具體如圖8 所示。焊件內(nèi)壁以及焊縫中心處的變形位移如圖9 所示。全對(duì)接型接頭焊縫處位移變形最大，沿焊縫中心從焊縫外壁到內(nèi)壁變形量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。準(zhǔn)對(duì)接型接頭的變形量沿焊縫中心呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。

圖8 應(yīng)變分布

圖9 變形位移

3 結(jié)論

（1）全對(duì)接型接頭的焊縫以及換熱管與管板連接處應(yīng)力值最大，且沿管板厚度方向以及換熱管底部逐漸降低。除準(zhǔn)對(duì)接型接頭焊縫和管板連接處以外，在管板的底部同樣存在大范圍應(yīng)力集中現(xiàn)象。因此，全對(duì)接型接頭具有較小的應(yīng)力集中區(qū)域，且性能更穩(wěn)定。

（2）全對(duì)接型接頭最大變形位于焊縫處，同時(shí)沿著焊縫向管板以及換熱管的端部擴(kuò)展；準(zhǔn)對(duì)接型接頭的最大變形位于換熱管與管板的焊接坡口處，同時(shí)變形逐漸向焊件內(nèi)壁擴(kuò)展，且準(zhǔn)對(duì)接型接頭的應(yīng)力變形值于全對(duì)接型接頭結(jié)構(gòu)。

因此，全對(duì)接型接頭的應(yīng)力集中范圍更小，應(yīng)力分布更均勻?qū)ΨQ(chēng)，變形量小，焊縫質(zhì)量較高、傳熱更平衡、承載能力更強(qiáng)。