换热器管子与管板焊接接头残余应力的数值模拟

（上接第 119 页）对与膜表面做阳极，会产生瞬时 溶解。 残余拉应力的大小决定了应力腐蚀开裂的 速度。 试件经过焊接后热处理， 拉应力值显著下 降，减缓了金属表面钝化膜的破坏，应力腐蚀速率 得到降低，发生应力腐蚀开裂的机会就会变小，这 就是焊接后热处理提高抗应力腐蚀的机理。
3 结论
(1) 焊接后热处理有效降低了焊接残余应力， 本实验数据表明焊接后热处理的温度越高， 残余 应力消除效果越好。
[2] 王岩，宋 天 民 ，张 国 福 ，等．逆 焊 接 处 理 对 不 同 材 料 抗 应 力 腐 蚀 性 能 的 影 响 及 机 理 [J]． 辽 宁 石 油 化 工 大 学 学 报 ， 2007，27（3）：32-34．
[3] 王文翰．焊 接 技 术 手 册[M]．郑 州 ：河 南 科 学 技 术 出 版 社 ， 1999．
图 1 伸出角接头
图 2 伸出角接头网格模型
Fig.1 Tube extend out end Fig.2 Meshing of tube extend out
of tube-sheet welded joint end of tube-sheet welded joint
1.5 焊接工艺参数和热源选择
[3] 宋天民．焊接残余应力的产生与消除[M]．北京：中国石化 出 版 社 ，2005.
[4] 张文钺．焊接冶金学（基本原理）[M]．北京：机械工业出版 社 ，1997.
[5] 张勇．循环油浆蒸汽发生器管束泄漏原因及修复[J]．石油 机 械 ，2001，29（6）：40-42．
参考文献:
[1] 宋天民．焊接残余应力的产生与消除[M]．北京：中石化出 版 社 ，2005．185-239．
管 子 材 料 为 10 钢 ， 其 规 格 为 准25 mm × 2
mm；管板材料为 16Mn，其厚度为 20 mm。 采用旋
转氩弧自动焊机焊接，焊接工艺参数见表 1。
表 1 焊接工艺参数 Tab.1 Welding parameter
焊前预热 电流 / A 电压 / V 焊速 / (mm·min-1) 初始温度 / ℃
头的等效应力分布云图。有限元分析结果表明，高应 力集中在焊缝及周围的热影响区。 未预热的角接头 最大焊接残余应力值为 486 MPa，预热角接头最大 应力值为 437 MPa。 另外可以发现，经过预热的伸 出角接头在热影响区获得了较好的焊接残余应力 场，这对于避免应力腐蚀开裂的发生是很必要的。
1.3 边界条件与预热温度 焊接温度场分析中考虑对流和辐射的影响，
金属铸锻焊技术 Casting·Forging·Welding
2009 年 4 月
换热器管子与管板焊接接头残余应力
的数值模拟
张莹莹，张翠翠，李 帆 （辽宁石油化工大学 机械工程学院，辽宁 抚顺 113001）
摘 要：基于 ANSYS 平台对油浆蒸发器伸出管板角接头的焊接残余应力进行数值模拟，获得了焊接 接 头 的
假定对流换热系数为 10 W/(m2K)，黑度为 0.85，未 预热接头焊接初始温度为 20℃。 焊前预热是防止 出 现 冷 裂 纹 的 有 效 措 施 ，根 据 经 验 公 式[4]和 生 产 经验，确定预热温度为 100 ℃。 1.4 接触条件的确定
在网格划分的过程中， 由于要对焊缝部分应 用单元生死技术，必须对换热管、管板和焊缝这三 部分进行分别划分， 这样做带来的缺点就是不能 保证位于各接触边界上的节点能够完全重合，而 在这种情况下有限元模型各部分之间的热传导是 不能正常进行的。为解决这一问题，本文采取的办 法是定义换热管、 管板和焊缝为耦合场中可变性 的接触体，它们之间的接触方式是胶合，进而成功 的解决了各部分由于边界节点不完全重合而可能 导致的热传导不良问题。
(2) 焊接后热处 理可有效地 提高材料的 抗应 力腐蚀能力，后热处理的温度越高，抗应力腐蚀能 力提高的越显著。
参考文献：
[1] 王岚．油浆蒸发器管板应力腐蚀开裂的防治[J]．化工设备 与 防 腐 蚀 ，2004，7（2）：68-70．
[2] 肖纪美．应力作用下的金属腐蚀[M]．北京：化学工业出版 社 ，1990.
[4] 陈怀宁， 陈亮山． 盲孔法测量残余应力的 钻 削 加 工 应 变 [J]．焊 接 学 报 ，1994，15（4）：276-280．
(a) 未预热
(b) 预热
图 3 等效焊接残余应力分布云图 Fig.3 Equivalent stress of contour
2.2 管桥处焊接残余应力分布 在模型上取沿焊缝 2 经管桥表面为路径 1，
图 4 和图 5 分别为路径 1 经过部位的径向焊接残 余应力和环向焊接残余应力。 很多情况下应力腐 蚀 裂 纹 出 现 在 管 桥 处[5]，因 此 管 桥 处 的 残 余 应 力 分布对管板焊接质量影响很大。 可以看出， 对路 径 1 来说预热并没有对其径向残余应力产生多大 影响，但却有效的改善了环向残余应力的分布，不 仅焊缝处应力值减小 50 MPa 左右，降低了 20%。
热措施使最大环向焊接残余应力降低 20%左右，同时管桥表面应力也得到明显改善，这就有效降低了管板表面出
现应力腐蚀开裂的风险。
关键词： ANSYS；焊接残余应力；数值模拟
中 图 分 类 号 ：TG404
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1001-Fra bibliotek814(2009)07-0120-03
Numerical Simulation of Welding Residual Stress of Tube and Tube-sheet Welded Joints
油浆蒸汽发生器是一类被广泛应用的催化裂 化装置， 管子与管板接头失效及管板开裂是这类 设备生产运行中存在的主要问题[1]。 换热器实际 运行条件下，其应力环境十分复杂，有温差应力、 工作拉应力， 以及焊接过程中产生的焊接残余应 力， 为应力腐蚀开裂提供了条件。 特别是焊接残 余应力，有时竟可以达到材料的屈服极限[2]。 为有 效减小焊接残余应力以降低应力腐蚀开裂的风 险， 本文就目前使用较普遍的管子伸出管板的角 焊结构进行其于 ANSYS 平台的焊接残余应力数 值模拟讨论， 为现行条件下改善焊接工艺提供理 论依据。
模型的设计只需要考虑两个原则， 一是要反
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Hot Working Technology 2009, Vol.38, No. 7
上半月出版
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应出焊缝和其周围管桥处的焊接残余应力水平；另 一个就是要有能够承受的计算成本。 因此，本文选 择一根换热管和其周围的管桥作为模拟计算的模 型，如图 1。 其网格划分中热分析采用 SOLID70 单 元，应力分析采用 SOLID45 单元，自由网格划分， 热分析和应力分析采用相同的单元和节点，均为 8 节点六面体单元。 网格划分的不同会对应力的计算 产生影响，划分的太粗会导致计算结果的精确度降 低和收敛困难，划分的太密则导致计算成本的增加 而又不一定会在一定的范围内增加结果的准确性。 考虑到焊缝和近缝区有较高的温度梯度和应力应 变，本文采用渐进网格划分，焊缝和距离焊缝较近 的区域网格划分较密，远离焊缝的区域网格划分较 疏，如图 2 所示，这样做不仅保证计算结果的收敛 性和一定的计算精度，同时还能够尽量降低计算成 本。 模型单元数为 29728，节点数为 6356。
《热加工工艺》 2009 年第 38 卷第 7 期
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2009 年 4 月
同时，管桥表面应力值也得到了有效降低，这对于 降低应力腐蚀开裂的风险很有作用。
3 结论
接管环焊缝的残余应力分布具有局部性的特 点， 高应力危险区集中在焊缝周围的管板热影响 区； 管接头环焊缝最大径向焊接残余应力出现在 临近焊接热影响区的焊缝根部； 预热措施对径向 焊接残余应力的影响较小， 对环向的有明显的降 低效果，可以有效降低应力腐蚀开裂的风险。
收 稿 日 期 ：2008-12-26 作 者 简 介 ：张 莹 莹(1981-)，女 ，辽 宁 凌 源 人 ，助 教 ，硕 士 ，主 要 从 事
换 热 器 焊 接 工 艺 研 究 及 模 拟 ；电 话 ：13941312443； E-mail:zyy_fs@
1 焊接过程的有限元模拟
1.1 焊接过程数值模拟的特殊性分析 管子与管板接头焊接过程的数值模拟所基于
残余应力分布，成功的解决了焊缝的环形行走和不同部位之间的热传导问题。 有限元分析结果表明，接管环焊缝
的残余应力分布具有局部性的特点，高应力危险区集中在焊缝周围的管板热影响区。 本文焊接条件下管接头环焊
缝最大径向焊接残余应力出现在临近焊接热影响区的焊缝根部，对导致出现应力腐蚀开裂起主要作用。 合理的预
ZHANG Yingying, ZHANG Cuicui, LI Fan
(School of Mech. Eng., Liaoning University of Petroleum & Chemical Technology, Fushun 113001, China) Abstract： Do some research on numerical simulation of welding residual stress of slurry steam generator tube extend out end of tube sheet welded joint based on ANSYS. Finite Element Analysis showes that preheated can effective reduce the traverse residual stresses, but have a definite effect on longitudinal welding residual stress. By the welding conditions, the maximum traverse residual stresses present to weld root next to the welding heat affected zone, which play a major role in stress corrosion cracking. The preheating reduce the maximum traverse residual stresses by 20%. The traverse residual stress distribution had be improved obviously, especially the traverse residual stress reduced on the tube bridges which can reduce risk on stress corrosion cracking. Key words：ANNSYS; welding residual stress; numerical simulation