厚壁核壓力容器焊接殘余應分析范文

本站小編為你精心準備了厚壁核壓力容器焊接殘余應分析參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

摘要：

伴隨經濟社會的快速發展，我國出現巨大能源缺口。核能屬于相對清潔、安全與低廉的新型能源，其重要地位日益突現。核反應堆有著極強的輻射性，核壓力容器生產材料要選擇優質材料，嚴格把控核壓力容器生產質量與使用時段內的質量。能源需求的不斷加大，推動進一步提高核電站數量和反應堆單堆的容量，生產大型化與復雜化的核壓力容器，更我依靠焊接工藝來完成。本文探討焊接工藝對厚壁核壓力容器焊接殘余應力的影響，以期為生產厚壁核壓力容器焊接時消除殘余應力與控制變形提供建議。

關鍵詞：

焊接工藝；厚壁核壓力容器；殘余應力；影響

現代工業發展與科技進步，海洋工程、航空航天、核動力工程等領域越來越廣泛運用焊接工藝。焊接工藝是集傳熱、電弧物理、冶金和力學等于一身的復雜過程，成為將金屬材料連接成構件的極為重要手段。在生產核壓力容器時，它更是起到無可替代的作用。為了提升能源安全級別，降低核輻射帶給自然界與人類社會的危害，務必要確保核壓力容器的質量。因此，探討焊接工藝對厚壁核壓力容器焊接殘余應力的影響時，了解焊接當中構件所帶的殘余應力與大小分布特點，以確保焊接接頭安全性，從而保證核壓力容器的質量。

1現有情況

20世紀70年代日本大阪大學的上田幸雄教授等人根據有限元法，分析焊接殘余應力的應變過程。自此之后，有限元模擬技術開始快速發展，有限元模型的建立簡化了復雜的動態焊接應力分析過程。雖然我國在這方面的研究起步較晚，但是發展速度較快，且已獲得一定成果。20世紀80年代初，以陳楚為首的研究人員對熱彈塑性理論進行系統化的分析，推導出有限元計算公式，并編制出相對應的計算機程序。20世紀90年代，我國學者對這一領域進行更加深入的探索。目前，在確保焊接結構的穩定性的前提下，采用不同方法去除焊接殘余應力的求值計算方法得到快速發展。只不過要完全達到實踐需要，還有待進一步研究。

2現有問題

目前焊接殘余應力的探索有了很大的進步，但是難以應對實際工程的要求。利用數值分析法控制復雜的焊接結構的殘余應力的措施還有很多不足之處。第一，缺少足夠的材料熱物理性能重要數據，如:密度、導熱系數與比熱容等。第二，缺乏熱源分布參數數據，有待進一步探討多層焊縫、開坡口焊縫等的熱源分布方式。第三，如何選取焊接熱源的熱效率資料較為分散，存在比較大的誤差。第四，處置焊接熔池的方式存在問題，未把焊接熔池內部液態金屬的對流傳熱特性納入考慮范疇之內。第五，我國分析復雜核壓力容器焊接殘余應力的水平尚處在初級水平。待深入研究與探索焊接數值模擬技術的意義與作用，對焊接現象的本質有了更加精準的認識之后，方可把焊接殘余應力精確計算出來，以提供可借鑒的理論。

3焊接溫度場的分析理論

模擬焊接應力與應變的前提就是溫度場，計算應力與應變的參考數據就是由流動準則、屈服準則、熱彈塑性與強化準則所構成的基本理論。運用ANSYS軟件模擬焊接過程時，上述理論和依據用來判定材料有無屈服、如何進行流動與強化，同時成為計算材料出現彈性與塑性變形時應力與應變關系的理論標準。屈服準則主要用來確定材料開始出現塑性變形的應力狀況，計算單值的等效應力，并將結果與屈服強度進行對比，以得出材料的屈服時間。流動準則主要是從幾何的角度出發，說明塑性應變增量向量與成與屈服面的法向，兩者方向始終是一致的。強化準則主要用來闡釋初始屈服準則是如何跟著塑性應變的增加而變化發展的。熱彈塑性基本原理主要用來計算焊接全過程動態應力與應變的變化過程及最終的殘余應力與變形的態勢。

4焊接工序的影響力

4.1焊接流程參數作用于殘余應力焊接殘余應力出現的關鍵因素就是有不均勻的溫度場存在。出現裂紋重大原因就是焊接殘余應力。運用不同的焊接工藝參數，如：1350℃、1420℃、1490℃，焊接之后的出現的等效殘余應力的變化走勢是相同的。處在焊縫中心，其應力是最大的，距離焊縫中心越遠，距離增加的同時，而應力會慢慢降低。其中，使用1350℃和1490℃焊接工藝參數，焊接之后應力的變化態勢呈現大致相同的曲線，兩者應力數值分別為360.28MPa和369.34MPa。而使用1420℃的焊接工藝參數，焊接之后應力的變化態勢曲線，與前兩個曲線相比，其態勢略為走高，其應力值也是三者中最大的，為370.22MPa。據此可知，使用不同的焊接工藝參數，影響著焊后殘余應力的大小。

4.2坡口形式作用于焊接殘余應力焊接厚壁核壓力容器時，有很多因素會影響焊接殘余應力，坡口形式就是其中之一的影響因素。因此，在操作過程中，極為重要且必不可少挑選合宜的坡口形式與尺寸。就40mm寬I型坡口、35mm寬I型坡口及35mm寬雙U型坡口等三種不同坡口形式而言，利用有限元算出結果來證明其作用于焊接殘余應力的大小。在焊接結束后,出現于焊縫中心的等效應力值都不一樣，40mm寬的I型坡口焊接后殘余應力最大,其應力值460.12MPa，35mm寬的I型坡口焊接后殘余應力位居第二,為420.68MPa，35mm寬的雙U型坡口焊接后殘余應力最小，為370.36MPa。三個坡口形式的相同之處在于，處在焊縫中心的應力最大，離焊縫中心越遠，應力慢慢降低。所以，在有著相同寬度的焊縫的情況下，焊接應力相對較小的是雙U型坡口；在有著相同的坡口形式的情況下，焊接后殘余應力相對較低的是35mm寬。

4.3焊接后熱處理工序作用于焊接殘余應力去除焊接殘余應力才能確保焊接結構的安全與牢靠，熱處理成為去除焊接殘余應力常用手段。在35mm寬的I型坡口完成6道焊接后，對其執行熱處置，回火溫度640℃，分別放在爐中保溫1-7h，再行冷卻，以去除殘余應力。試驗結果表明，沒有執行熱處理之前，焊縫處的等效應力值為最高，執行熱處理之后，焊縫中心的等效應力相對降低。熱處理之前焊縫中心的應力峰值為421.86MPa，執行熱處理之后，等效應力相對較大的出現在1小時與7小時后,分別為351.32MPa和341.71MPa。等效應力相對較低的出現在2小時、3小時與4小時后，分別為270.14MPa、269.56MPa和267.97MPa。據此可知，執行熱處理可以有效減少焊接殘余應力，引起重新分布焊接殘余應力，并且處在640℃的高溫下，執行2小時熱處理，可以讓殘余應力得到更好清除。

5結束語

社會經濟發展，能源的需求變得越來越大，能源供給面臨巨大挑戰。核能有著廣闊的開發前景，應當大力開發與使用。同時，不可忽略能源的安全與可靠性問題。日趨復雜化的核壓力容器，給能源安全與可靠性帶來新的考驗。而焊接工藝成為決定其質量的重要手段，務必要進一步加以改進。本文探討了焊接工藝對厚壁核壓力容器焊接殘余應力的影響，希望以此為核壓力容器質量的改進方法的執行提供參考意見。

參考文獻

[1]張敏,陳陸陽,李繼紅,等.焊接工藝對厚壁核壓力容器焊接殘余應力的影響[J].兵器材料科學與工程,2011,34(2).

[2]徐萬斌.焊接工藝對厚壁核壓力容器焊接殘余應力的影響[J].科技創新與應用,2014(19).

[3]張美麗.厚壁壓力容器焊接殘余應力及變形的數值研究[D].西安理工大學,2010.

[4]閆業良,李曉泉,鄒華.大厚壁壓力容器封頭焊接工藝研究[J].焊接技術,2014(12):35-37.

[5]孫憲超.壓力容器制造焊接工藝研究[J].科學中國人,2015(33):9.

作者：包增成 單位：江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院常州分院