吳海輝 王峰照 覃全寧 陳明亞 高紅波 周 帥

（1.臺(tái)山核電合營(yíng)有限責(zé)任公司；2.蘇州熱工研究院有限公司）

在電廠管道安裝和實(shí)際運(yùn)行過程中，存在異物進(jìn)入承壓管道的可能性，需進(jìn)行異物取出等計(jì)劃之外的操作，由于工藝或結(jié)構(gòu)上的要求和施工環(huán)境條件的限制，常見的做法是對(duì)管道整體進(jìn)行切割，實(shí)施完所需操作后再進(jìn)行回焊［1，2］。 在對(duì)管道進(jìn)行開孔回焊后， 補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域會(huì)形成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、材料不連續(xù)區(qū)，因此承壓管道的開孔設(shè)計(jì)分析對(duì)保障管道系統(tǒng)的完整性具有重要意義［3，4］。

研究表明，管道開孔后，由于其結(jié)構(gòu)連續(xù)性被破壞，使得開孔邊緣產(chǎn)生很高的局部應(yīng)力，在靠近開口邊界的區(qū)域， 存在超過管道材料屈服應(yīng)力的高梯度應(yīng)力集中和應(yīng)力峰值， 影響了管道的整體力學(xué)性能［5，6］。 此外，焊接殘余應(yīng)力和局部加熱引起的焊接變形也是焊接結(jié)構(gòu)存在的主要問題之一［7］。 焊接區(qū)域內(nèi)及其周圍產(chǎn)生的殘余應(yīng)力對(duì)焊接件的結(jié)構(gòu)完整性存在明顯的影響， 會(huì)促進(jìn)脆性斷裂、降低疲勞壽命，并促進(jìn)應(yīng)力腐蝕開裂［8］。 同時(shí)，由于切割邊界處形狀復(fù)雜，在生產(chǎn)中亦容易形成各種焊接缺陷。 因此在承壓管道開孔設(shè)計(jì)分析中有必要同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)不連續(xù)性和焊接殘余應(yīng)力的影響， 此過程涉及焊接過程仿真分析、結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析評(píng)價(jià)等內(nèi)容。 焊接仿真需要進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)值仿真，在開孔尺寸較大時(shí)直接回焊開孔結(jié)構(gòu)常會(huì)引起較大的焊接變形［9］。

基于上述原因，筆者提出了一種在管道中開孔（依據(jù)工藝要求確定孔的大?。┎⒉捎弥Ч芎附樱˙OSS 頭型式）回堵的操作形式，并對(duì)該操作形式進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析、焊接殘余應(yīng)力和變形快速仿真分析。

1 理論分析模型

1.1 管道開孔模型

圖1 為管道開孔外接接管示意圖。 由于接管的內(nèi)徑比主管的小，因此其壁厚也可明顯小于主管的壁厚，而且為便于后續(xù)的再維修，接管可以采用安裝可拆卸的法蘭封頭、螺栓堵頭等形式進(jìn)行封堵。

圖1 管道開孔外接接管示意圖

為便于力學(xué)建模分析，通?？梢砸蠼庸荛_孔位置離最近的不連續(xù)區(qū)域的距離L滿足以下要求：

式中 Di——開孔的直徑；

t——保守地取為主管道的壁厚。

1.2 焊接仿真模型

接管需要通過焊接（BOSS 頭型式）與主管道相連。 在結(jié)構(gòu)分析中需要進(jìn)行焊接過程的仿真分析。為真實(shí)模擬管道的焊接過程，有限元數(shù)值仿真分析中多采用分層、分道的形式模擬焊接過程［9］。在三維分析模型中，每個(gè)“焊道”由不同“焊接單元塊”組成，其中“焊接單元塊”又由三維有限元單元——“焊接單元”組成。 即，“焊接單元”連接成為“焊接單元塊”，“焊接單元塊”按順序焊接形成“焊道”［10］。

目前在工業(yè)應(yīng)用中，焊接過程的數(shù)值仿真方法基本相似，即在短時(shí)間內(nèi)將熱能添加到有限元模型中的“焊接單元”，然后停止能量加入，通過熱傳導(dǎo)形成模型的反復(fù)加熱、冷卻過程。 其中，移動(dòng)“雙橢球型熱源”是模擬焊接過程最精確的方法。 在軸對(duì)稱模型中，焊接產(chǎn)生的熱能同時(shí)有效地施加在焊縫長(zhǎng)度方向上；在模擬中，邊界條件為表面對(duì)流和輻射傳熱。

式中 a，b，c——雙橢球熱源在x、y、z方向上的半軸長(zhǎng)度；

I——焊接電弧電流；

t——焊接電弧的加熱時(shí)間；

t0——電弧加熱熱流達(dá)到峰值的時(shí)刻；

U——焊接電弧電壓；

V——焊接電弧移動(dòng)速度；

η——電弧熱效率；

（χ，ζ）——焊縫各點(diǎn)的空間坐標(biāo)；

（χ0，ζ0）——雙橢球熱源中心位置。

式（2）所示的方法實(shí)踐過程較復(fù)雜，通過單元體均勻體積加熱的方法（在短時(shí)間內(nèi)將熱能添加到有限元模型中的“焊接單元”）同樣可以獲得較為精確的焊接殘余應(yīng)力分布形式。 該方法操作簡(jiǎn)單，可應(yīng)用于二維、軸對(duì)稱和三維模型。 單元體均勻體積加熱率計(jì)算方法如下：

式中 Q——熱輸入量；

tramp——焊接時(shí)間；

Vbead——焊接單元體積。

在焊接過程的數(shù)值分析中， 通過三角函數(shù)（線性斜坡）給單元體均勻體積加熱，并且在每個(gè)增量時(shí)間步長(zhǎng)中加熱率遞增一定比例 （如5%）。三角函數(shù)只是一個(gè)初始輸入曲線，數(shù)值分析中檢查每個(gè)熱輸入增量過程中的溫度分析結(jié)果，如果單元溫度已經(jīng)達(dá)到金屬熔化溫度，則熱量輸入將立即被終止，開始單元體的冷卻。 熱輸入曲線可以在任何增量步驟上停止。 具體分析過程中的溫度檢查邏輯流程如圖2 所示。 然后，在激活下一個(gè)焊道之前自動(dòng)確定焊接單元已達(dá)到所需的焊道層間溫度所需的冷卻時(shí)間。

圖2 焊接過程中溫度檢查邏輯圖控制方法

2 應(yīng)用案例

2.1 案例背景

國(guó)內(nèi)某電廠在大修期間檢查發(fā)現(xiàn)汽機(jī)旁路系統(tǒng)進(jìn)入異物，受現(xiàn)場(chǎng)施工條件限制，采取對(duì)管道開孔的方式取出異物， 然后采用焊接BOSS 頭進(jìn)行封堵，恢復(fù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整性。 該管道開孔后結(jié)構(gòu)參見圖1，相關(guān)幾何尺寸如下：

R 224 mm

Di100 mm

L 264.5 mm t130 mm t215 mm

2.2 分析建模

采用ANSYS 軟件建立開孔后的三維力學(xué)分析模型。考慮結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，建立1/8 的分析模型（如后續(xù)分析結(jié)果所示，開孔區(qū)域影響范圍較小，為降低模型大小，建立1/8 的分析模型），分析模型和所施加的邊界如圖3 所示。

圖3 管道開孔三維分析模型

管道開孔三維有限元模型如圖4 所示，采用SOLID185 的單元，共劃分32 532 個(gè)單元。

圖4 管道開孔三維有限元模型

2.3 設(shè)計(jì)工況強(qiáng)度校核

在內(nèi)壓3.5 MPa、溫度300 ℃的工況下，開孔后的管道結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布如圖5 所示。

圖5 管道結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

由圖5 可知，管道和開孔后的支管主體結(jié)構(gòu)應(yīng)力較小，主體結(jié)構(gòu)應(yīng)力在50 MPa 以下（安全裕量較大）； 由于管道開孔位置的結(jié)構(gòu)具有不連續(xù)特性，形成局部應(yīng)力集中，但應(yīng)力集中區(qū)域最大應(yīng)力較小，僅為122 MPa。

基于RCC-M 規(guī)范B 篇的分析設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，對(duì)圖3 中兩條應(yīng)力評(píng)估路徑（路徑1、2）進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)估結(jié)果列于表1。由表1 可知，管道和開孔后支管結(jié)構(gòu)薄膜應(yīng)力、 薄膜+彎曲應(yīng)力均符合分析設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求。

表1 分析路徑應(yīng)力評(píng)估結(jié)果

2.4 焊接過程影響分析

采用ANSYS 軟件建立管道焊接過程二維仿真分析模型，如圖6 所示，采用PLANE77 的二維單元進(jìn)行分析，管道焊接二維有限元（網(wǎng)格）分析模型如圖7 所示（2002 版本RCC-M 規(guī)范并未要求進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力的分析）。

圖6 管道焊接過程仿真二維分析模型

圖7 管道焊接二維有限元（網(wǎng)格）分析模型

管道焊接焊道分布 （每種顏色代表一個(gè)焊道）如圖8 所示，依次從內(nèi)到外，從管道向支管一側(cè)逐層、逐次的焊接。 在焊接殘余應(yīng)力的有限元數(shù)值仿真分析中，分層并分道模擬焊接過程。

圖8 管道焊接焊道分布

如圖9 所示，焊接對(duì)于管道和開孔后的支管主體結(jié)構(gòu)形成的應(yīng)力影響較小，但焊縫位置形成了較大的焊接殘余應(yīng)力，在最后焊道位置處的焊接殘余應(yīng)力最大（未做焊后熱處理時(shí)，殘余應(yīng)力達(dá)到了材料的屈服強(qiáng)度）。

圖9 焊接后結(jié)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度分布

參考分析設(shè)計(jì)規(guī)范， 對(duì)圖3 中兩條應(yīng)力評(píng)估路徑進(jìn)行評(píng)價(jià)（管道主體結(jié)構(gòu)），評(píng)估結(jié)果見表2。

表2 管道主體結(jié)構(gòu)上分析路徑的焊接殘余應(yīng)力評(píng)估結(jié)果

由表2 可知， 薄膜應(yīng)力均滿足限值要求，且數(shù)值較?。ü艿赖恼w變形較小），但薄膜+彎曲應(yīng)力接近限值，將產(chǎn)生一定的局部變形。

焊后管道變形如圖10 所示， 焊接最大變形為0.4 mm 左右，在管道開孔處形成0.2 mm 左右的熱收縮變形，焊接變形有限。

圖10 焊后管道變形示意圖

3 結(jié)束語

針對(duì)電廠承壓管道中開孔（依據(jù)工藝要求確定孔的大?。┎捎弥Ч芎附樱˙OSS 頭型式）回堵的操作形式，基于有限元數(shù)值仿真方法，采用焊接殘余應(yīng)力的快速仿真分析了焊接殘余應(yīng)力對(duì)某開孔承壓管道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，由仿真結(jié)果可以看出，該結(jié)構(gòu)形式最大限度地降低了開孔回堵對(duì)主管道應(yīng)力和變形的影響。 同時(shí)，該操作形式具有通用性，后續(xù)可推廣到其他設(shè)備的工程應(yīng)用中，為管道的安全評(píng)價(jià)提供有益參考。