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1、第30卷第8期焊接学报Vol.30No.82009年8月TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTIONAugust2009不同异种钢管道焊接接头残余应力的数值模拟111122余正刚,姜勇,巩建鸣,涂善东,朱瑞松,奚冬兴(1.南京工业大学机械与动力工程学院,南京210009;2.中石化公司扬子石油化工公司,南京210048)摘要:利用有限元软件ABAQUS,开发了一个顺次耦合的热应力有限元计算程序,对0Cr18Ni9/20和1Cr5Mo/20异种钢焊接接头残余应力进行了有限元模拟分析.
2、结果表明,无论是采用奥氏体不锈钢焊条A302焊条还是镍基焊条Incone182焊条,0Cr18Ni9/20钢和1Cr5Mo/20钢焊接接头中最大的轴向残余应力和环向残余应力产生在20钢侧的热影响区,0Cr18Ni9侧有最小的焊接残余应力.采用Incone182来代替A302可以有效地降低残余应力值,提高抗应力腐蚀开裂的能力.关键词:异种钢;焊接残余应力;模拟;有限元;镍基焊条中图分类号:TG115.28文献标识码:A文章编号:0253-360X(2009)08-0069-05余正刚0序言与1Cr5Mo和0Cr18Ni
3、9钢之间的焊接),进行焊接残余应力的数值分析,并通过试验对模拟结果进行了目前石化装置中许多压力管道材料为20钢,高验证.从残余应力的角度,对比分析了奥氏体A302硫原油的使用不可避免地带来硫化物腐蚀开裂问焊条和镍基Incone182焊条.[1,2]题,造成管道失效破裂,导致非计划停车以及人员伤亡[3,4].为预防高硫腐蚀失效,一些在腐蚀环境1异质接头焊接几何模型下服役的管道需要提升管道材料级别.根据5加工图1为管道焊接接头的焊缝几何尺寸结构示意高含硫原油部分装置在用设备及管道选材指导意图.模拟的管道内径为168mm,
4、壁厚为12mm.母材见6,将硫含量较高部位的碳钢管道材料更换为0Cr18Ni9不锈钢和1Cr5Mo耐热钢,焊接材料通常使为1Cr5Mo和0Cr18Ni9与20钢焊接,焊材分别采用用奥氏体焊条A302.由于它们在化学成分、组织结A302或Incone182.焊缝采用V形坡口,四道焊接完成,层间温度控制在150e以下,焊接不进行预热和构、机械性能及热物理性能存在差异,导致接头处存在复杂的残余应力分布,而且现场施焊一般不进行焊后热处理.焊接工艺参数如表1所示.焊后热处理.在易燃、易爆和有毒等腐蚀介质作用下容易引起应力腐蚀开
5、裂.因此,如何预测和降低接头处的残余应力,对于保证异种钢焊接接头的可靠性具有重要的意义.文献[5]认为,工程中常采用的奥氏体焊条在高温服役过程中容易产生先天失效,而采用镍基Incone182焊条可以有效抑制接头处的碳迁移,提高接头寿命.所以为了改善异种钢焊接接头的高温性能,越来越多地采用镍基焊条进行图1焊缝接头结构示意图(mm)异种钢焊接.文中采用大型有限元软件ABAQUS,对Fig11Geometricmodelofweldingjoint石化装置中管道更换时存在的异种钢焊接(如20钢2有限元模型收稿日期:2008
6、-03-14基金项目:江苏省六大人才基金资助项目(06D035);江苏省高2.1有限元网格划分技术重点实验室基金资助项目(BM2007201)模型采用轴对称单元.考虑到准确描述较大的70焊接学报第30卷表1焊接工艺参数Table1Weldingparameters焊接焊接电流电弧电压焊接速度v/(cm#min-1)层数I/AU/V180~11011~136~102~380~10022~246~12480~10022~246~12温度梯度,焊缝及热影响区网格需密划.焊缝及热影响区域的网格划分如图2所示.图41Cr5Mo
7、钢材料性能Fig14Materialpropertiesof1Cr5Mosteel图2焊缝及热影响区网格分布Fig12Meshingofweldingjoint计算时首先进行热分析,将各节点温度场的计算结果输出到结果文件作为力分析的预定义场,在力分析过程中从此预定义场中读取各节点温度,进行插值计算.图50Cr18Ni9钢材料性能2.2材料热物理性能以及力学性能Fig15Materialpropertiesof0Cr18Ni9steel20钢、0Cr18Ni9,1Cr5Mo,A302和Incone182热物[6,7]理
8、性能和力学性能如图3~图7所示.图3~332图7中Q为密度,10kg/m;Cp为比热容,10J/e#Kg;K为热导率,10W#m/e;E为膨胀系数,-510/e;v为泊松比;ReL为屈服强度,MPa;E为弹2性模量,@10GPa;ET为切变模量,GPa.图6焊缝A302材料性能Fig16MaterialpropertiesofA302600e后
