賈瑞燕 段偉贊

摘要： 為了有效控制白鶴灘水電站蝸殼與壓力鋼管封閉焊縫殘余應(yīng)力，采用基于熱-力耦合分析的有限元軟件MSC.Marc對封閉焊縫建立模型進(jìn)行模擬。通過模擬兩種不同焊接路徑方案進(jìn)行殘余應(yīng)力對比分析，給出優(yōu)化建議。對優(yōu)化方案進(jìn)行了現(xiàn)場驗證，結(jié)果表明優(yōu)化方案效果明顯，有效控制了白鶴灘蝸殼與壓力鋼管封閉焊縫的殘余應(yīng)力。

關(guān)鍵詞： 蝸殼與壓力鋼管封閉焊縫; 有限元分析; 殘余應(yīng)力

中圖分類號： TG 442

Abstract： The model of closured weld was established by using the finite element software MSC. Marc based on the thermosmechanical coupling analysis in order to control the residual stress between the spiral case and penstock in Baihetan Power Station. The optimization suggestions are put forward by the comparative analysis of two different schemes. The verification onsite of prioritization scheme is significantly effective in controlling the residual stress of closured weld between the spiral case and penstock in Baihetan power station.

Key words： closured weld between the spiral case and penstock; finite element analysis; residual stress

0 前言

白鶴灘右岸蝸殼與引水壓力鋼管材料均為SX780CF鋼，其封閉焊縫直徑8 600 mm，厚度70 mm，為非對稱X 形坡口。蝸殼與壓力鋼管封閉焊縫焊接時，蝸殼側(cè)與座環(huán)裝焊完畢并通過基礎(chǔ)螺栓與機(jī)坑混凝土固定，壓力鋼管側(cè)混凝土澆筑完畢[1]，即該焊縫為兩側(cè)絕對拘束狀態(tài)下焊接的最后一道合攏縫，焊接接頭內(nèi)形成較大熱應(yīng)力及殘余應(yīng)力，產(chǎn)生焊接裂紋風(fēng)險大[2];且該焊縫無法進(jìn)行焊后消應(yīng)熱處理，較大的焊接殘余應(yīng)力將降低構(gòu)件的剛度、穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，對后續(xù)機(jī)組運行存在質(zhì)量隱患[3-6]。

文中利用有限元分析軟件MSC.Marc對蝸殼與壓力鋼管的封閉焊縫焊接工藝方案進(jìn)行模擬研究，對無法進(jìn)行試驗的重大部件焊接進(jìn)行應(yīng)力場分析，預(yù)估不同焊接路徑方案所得到的殘余應(yīng)力，通過數(shù)據(jù)對比，優(yōu)選工藝方案，減小焊接殘余應(yīng)力值，節(jié)約制造成本，降低焊接質(zhì)量風(fēng)險和損失。該研究對實現(xiàn)白鶴灘蝸殼精品質(zhì)量有十分重要意義。

1 有限元模型的建立

1.1 有限元建模及計算參數(shù)

壓力鋼管與蝸殼屬大型板殼類圓柱體結(jié)構(gòu)，由于工件尺寸超大，為簡化計算，結(jié)合熱源作用區(qū)域和拘束條件，模型范圍選為橫向取蝸殼與壓力鋼管封閉環(huán)焊縫及兩側(cè)共520 mm ， 如圖1所示。

焊接熱源產(chǎn)生的熱影響只存在于局部有限區(qū)域，不受遠(yuǎn)處的熱源和拘束影響，故將環(huán)焊縫圓周均分8段，取l/8 圓周焊縫長度進(jìn)行計算分析，得出L為3 375.5 mm。

x軸、y軸代表相互垂直的兩個徑向方向，z 軸代表軸向方向。焊接過程溫度場分布非常不均勻，焊縫及熱影響區(qū)溫度梯度變化大，遠(yuǎn)離焊縫處溫度梯度變化相對較小，劃分網(wǎng)格時采用焊縫及熱影響區(qū)共用網(wǎng)格節(jié)點，由于工件尺寸超大，焊縫及熱影響區(qū)采用相同尺寸的網(wǎng)格尺寸，單元寬度取10 mm，減少了整體網(wǎng)格數(shù)量，節(jié)省了計算成本，網(wǎng)格類型采用八節(jié)點六面體單元進(jìn)行劃分。有限元模型網(wǎng)格單元數(shù)為41 065，采用生死單元[7]，隨熱源移動逐步激活焊縫單元。

選取雙橢球熱源模型進(jìn)行數(shù)值模擬計算，焊接過程的熱效率設(shè)定為80%，熱源的分布參數(shù)根據(jù)熔池的尺寸選定。

材料SX780CF密度為7 880 kg/m3，泊松比為0.3，熱膨脹系數(shù)1.4 × 10-5/℃，其他熱物理性能參數(shù)見表1。

1.2 焊縫路徑規(guī)劃

現(xiàn)場焊接工藝制定時，為提高生產(chǎn)效率，通常由6～8名焊工在圓周方向上均布同時施焊。每人負(fù)責(zé)總長度約3 000～4 000 mm焊縫的焊接。根據(jù)現(xiàn)場施工特點，每名焊工焊接時，規(guī)劃出適于操作的兩種焊接路徑，如圖2所示，其中圖2a為順序焊，由1段至6段逐段順序焊接;圖2b為變序焊，由1段至6段跳躍變序焊接。順序焊操作簡單方便，生產(chǎn)效率高，但容易造成熱量累計;變序焊需要往復(fù)跳躍，操作較復(fù)雜，生產(chǎn)效率較低，但熱源作用區(qū)域分散，有利于工件散熱。

焊接順序?qū)堄鄳?yīng)力的分布有重要影響[8]，由于應(yīng)力釋放作用的存在，先焊接一側(cè)的殘余應(yīng)力低于后焊接側(cè)的殘余應(yīng)力，且多次熱循環(huán)是導(dǎo)致焊接變形的主要原因。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 不同路徑模擬結(jié)果對比分析

基于以上建立的蝸殼與壓力鋼管封閉焊縫有限元模型和規(guī)劃的兩種不同路徑方案，通過后處理得到殘余應(yīng)力云圖，并選擇不同路徑節(jié)點殘余應(yīng)力值，進(jìn)行對比分析。

圖3所示為不同焊接路徑下壓力鋼管環(huán)縫等效殘余應(yīng)力分布情況，其中圖3a 為順序焊殘余應(yīng)力，圖3b 為變序焊殘余應(yīng)力。不同焊接順序?qū)е聭?yīng)力分布不同，變序焊比順序焊殘余等效應(yīng)力分布低。

圖4所示為焊縫中間處垂直于焊縫分布的殘余等效應(yīng)力路徑曲線，順序焊和變序焊殘余應(yīng)力分布趨勢基本一致，順序焊應(yīng)力峰值高于變序焊。圖5所示為沿焊縫分布的殘余等效應(yīng)力路徑曲線，順序焊大部分區(qū)域殘余應(yīng)力較高，變序焊在后一半的焊縫長度上殘余應(yīng)力值相對順序焊降低。焊接過程，先焊焊縫對后焊焊縫造成拘束，順序焊由1段至6段逐段焊接，先形成焊縫拘束大，工件殘余應(yīng)力較高。變序焊跳躍焊接，后焊焊縫受先焊焊縫拘束較小，殘余應(yīng)力較低。

壓力鋼管和蝸殼屬于壓力管道部件，工作中承受循環(huán)交變壓力，降低環(huán)縫的殘余應(yīng)力有利于提高壓力鋼管和蝸殼連接處的疲勞性能。

2.2 焊接方案優(yōu)化

基于以上分析，焊接路徑優(yōu)化為變序焊，即將壓力鋼管與蝸殼封閉環(huán)縫均分為8份，每1/8圓再均分為6段，每段長563 mm，8名焊工沿圓周均布，對各自負(fù)責(zé)的1/8圓采取圖2b所示的變序焊同時施焊。

對路徑優(yōu)化后的封閉環(huán)焊縫焊接全過程進(jìn)行數(shù)值模擬計算，得出殘余應(yīng)力。如圖6所示為封閉環(huán)焊縫整體焊接完畢后冷卻至室溫的殘余應(yīng)力場分布，殘余應(yīng)力在圓周方向分布較為一致，殘余應(yīng)力峰值集中在焊縫中間位置，殘余應(yīng)力最大值為643.8 MPa，小于母材SXB780CF的屈服強(qiáng)度690 MPa。如圖7所示為封閉環(huán)焊縫整體焊接完畢后冷卻至室溫的位移場，即焊縫變形分布情況，可見焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)為變形量集中分布地帶，最大變形量為1.547 mm。該變形量對于機(jī)組安裝精度未造成不良影響。

3 現(xiàn)場驗證

現(xiàn)場焊接選取優(yōu)化后的焊接方案，采用焊條電弧焊方法，焊接材料為E11018-G，焊接速度100 mm/min，具體焊接工藝參數(shù)見表2。先焊接大坡口側(cè)，背面清根再焊小坡口側(cè)。為保證高強(qiáng)鋼焊接質(zhì)量，避免冷裂紋，通常采取預(yù)熱溫度150 ℃[9-10]，層間溫度200 ℃，后熱溫度230 ～ 280 ℃。

對蝸殼與壓力鋼管封閉焊縫進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力測試，應(yīng)力測試方式采用X射線應(yīng)力測試[11]，檢測依據(jù)為GB/T 7704—2008《無損檢測 X射線應(yīng)力測定方法》標(biāo)準(zhǔn)，殘余應(yīng)力測區(qū)布置為圓周均布12區(qū)，各區(qū)測點分布示意圖如圖8所示。殘余應(yīng)力測試值見表3。測點編號沿水流方向為正，測點編號對應(yīng)測點距焊縫中心的距離，如圖8所示。殘余應(yīng)力測試結(jié)果應(yīng)力值為正數(shù)是拉應(yīng)力，為負(fù)數(shù)是壓應(yīng)力。對比分析白鶴灘工地現(xiàn)場實測壓力鋼管蝸殼封閉焊縫殘余應(yīng)力值與數(shù)值模擬值，按實測點位置在數(shù)值模型上提取對應(yīng)點殘余應(yīng)力計算值。實測殘余應(yīng)力最大值648.1 MPa，與模擬值接近。

焊接變形測量采用焊縫兩側(cè)刻線樣沖點測量方式完成，測點圓周均布測量8點，測量工具游標(biāo)卡尺。焊接變形測量值見表4。

根據(jù)現(xiàn)場對蝸殼和壓力鋼管對接焊縫變形值的測量，變形值最大為2.12 mm。該數(shù)值與模擬值接近。

4 結(jié)論

利用有限元分析軟件MARC，對蝸殼與壓力鋼管對接封閉焊縫建立焊接熱過程的數(shù)學(xué)模型，按照不同的焊接路徑，進(jìn)行模擬研究。通過比對分析不同焊接路徑下焊接殘余應(yīng)力分布，優(yōu)選出焊接工藝方案，預(yù)估出焊后殘余應(yīng)力。工地現(xiàn)場進(jìn)行了殘余應(yīng)力和變形實測，驗證了數(shù)值模擬結(jié)果。通過該研究實現(xiàn)了白鶴灘蝸殼與壓力鋼管封閉焊縫殘余應(yīng)力的有效控制。參考文獻(xiàn)

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