列管式反应器管板与反应管焊接残余应力场有限元模拟.pdf

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第37卷第6期
石汕化工设备
Vol.37、Np.6
2008年11月
PETRC-CHEMICAI FQUIPMENT
文章编号:1000-7466(2908)06-0036-04
列管式反应器管板与反应管焊接
残余应力场有限元模拟
李奋昆2,王许',薛洲?,罗晓军2,张勇2,李臻
(1.西安石油大学机城工程学院,陕西西安710065
2.中石汕第二建设公司,甘肃州730060
摘要:运用大型有限元软件 ANSYS对反应器管板与反应管烨接接头残余应力进行了模拟。有服
元模型中用了三维实体逆元,考虑了材料的热物理性能随温度而変化的情况。运用内生热的加
载方法模椒焊接热源,运用生死单元技术模拟两道焊焊接过程。获得了反应器管与反应管焊接
接头温度场和残余应力应变场,并对计算结果进行了分析。
关键词:反应器:管板;反应管;有限元模拟:残余应力场
中图分类号:TE
文献标志码:A
Simulation on 3D Residual Stresses Field of Welding between
Tubesheet and Tube in Reactor by FEM
LI Fen-kun 2, WANG Xu", XUE Zhou, LUO Xiao-jun?, ZHANG Yong, LI Zhen
(1. School of Mechanical Engineering, Xi'an Shiyou University, Xi'an 710065, Chi
2. The Second Construction Company of China National Petroleum
and Gas Cs
zhou 730060. China
Abstract: Temperature and stress field of welding between tubesheet and tube was simulated by
F EM using ANSYS. The 3D solid elements were used in FEM model, and lemperature depended
material propcrties were considered. Internal hcat generation loading method was applied to simu
late heat source, and model change ability to simulate tubesheet and tube weld. The temperature
field and residual stress field of 31) tubesheet and tube weld werc oblained, and the rcsu]ts were
discussed
Key words: reactor; tubesheet; tube; simulation by finite element method; residual stress
field
管板和反应管的焊接是列管式反应器设计、制理,致使焊接残余应力过大,由此产生的腐蚀将会导
造中最关键的技术之一,焊接质量的好坏将直接影致反应物的泄漏和串流,产生严重影响。国内外对
响反应器的安全性及寿命。事故调査表明门,在国焊接线余应力进行的有限元分析大多用于平板对接
内外一系列反应器失效形式中,由残余应力引起的时的模型,而刈管板与反应管焊接接头焊接线余应
应力腐蚀失效占80%左右。顺酐反应器是大型列力维有限元分析的研究很少。文中基于 ANSYS
管式反应器,反应管达七万根,如果焊接工艺不合软件,用APDL语言编写程序,对反应器板与反应
收稿日期:2008-06-
作者简介:李奋昆(1970-),男:甘肃前中人,高级程师,学土,从事焊接技术管埋工作
第6期
李奋昆,等:列管式反应器管板与反成管焊接残余成力场有限元模拟
管焊接接头的濃度场和应力场进行三维动态模拟
在几何模型方面,考虑到应力场计算时间过长
对亍保证焊接结构的质量和安全可靠性以及优化焊材料物理參数的严重非线性导致求解过程收敛困难
接工艺具有重要意义。
以及多道焊接过程影响了数偵模拟的精度等诸多因
素,需对分析模型进行适当简化。由于管于较多,因
1残余应力三维数值模拟原理
此先对1根管子进行焊接残余应力分析,采用轴对
1.1焊接度场控制方程
称模型,并作如下的假设:焊件的初始温度为室温
在区域Ω中热过程控制方程为]:
(20℃)。②忽略熔池内部的化学反应和搅拌、对流
CA D-VLAVT]Q
等现象。③以恒定速度进行焊接。④假设焊件的所
有外边界仅与空气发生对流换热。③忽略焊条与母
式中cp为比定歴热容?J/(kg?K);为导热系数,材材料的不一致性,対应统一的随温度变化的热物
W/(m?K);Q为内热源强度,W/m;T为温度,K;性参数
t为时间,s。
网格划分的不同会对应力预测产生影响,网格
焊接温度场控制方程的热流边界条件因换热方划分太粗可能导致计算结果不准确或者不精确,网
式不同而有所不同,对流换热产生的边界热流密度格太密则会增加计算时间,而且在一定范围内不
按下式计算
定能改善计算的结果。考虑到焊缝区和近缝区有较
高的温度梯度和应力应变,因此将这部分的网格划
式中,a,为对流传热系数,W/(m2?K);Te为零对分得密一些。着远离焊缝,网格划分也变粗。为
流时的参考温度,K
了保证计算精度并且提高计算速度,将模型刘分成
辐射换热导欽的边界热流密度按下式计算
非均匀网格,焊缝处的单元网格为0.5mm,近缝区
的单元网格为1mm,远离焊縫区域的单元网格为
式中,e。为黑度(发射率);0为黑体的辐射常数,4mm。
W/(m??K);T为对应零辐射时的参考温度,K。
1.2焊接应力场控制方程
2有限元计算机模型
在区域2中力平衡方程为2:
文屮主要研究管板材料为16MnR、反应管材料
(4)为20钢的焊接接头残余应力和管板变形,其几何模
式中,o为应力分量,已包括热应力项,MPa
型见图1。
热应变可按下式计算:
EH =a: (T-T)0,
式中,为热应变张量;a4为热膨胀系数,10-/K
T。为参考温度,K;6,为算」。
应力-应变间的本构方程为:
da,=D (dekl-deedei: -dsm)
式中,D为弹性本构张量系数;deas:、de、dea和ds
分别为总应变、塑性应变、蠕变应变和热应变。
1.3化原理
反应器管板与反应管焊接釆用弧焊,焊缝由
个焊道完成,第1道焊完冷却至室温后冉焊第
图1管板和反应管三雒模图
道。运用内生热的加载方法模拟焊接热源,运用生2.1焊接热源
死单元技术模拟2个焊道的焊接过程。焊接过程濡
爆接工艺参数为,焊接电流9A,焊接电压
度场的分析属于瞬态热分析范畴?其热应力分析属U=9V,焊接速度v=7cm/min。焊接热源通过假
于热-力耦合分析。对于焊接的热应力研究,AN-设焊缝所在单元具有内部热生成来模拟。内部热生
sYS提供了3种热应力分析方法,即在结构应力分成以热生成强度表示,