对裂解炉管焊接残余应力场中裂纹扩展行为的数值分析.pdf

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1、万方数据第29卷第5期焊接学报V01．29No．5208年5月TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTIONMay208裂解炉管焊接残余应力场中裂纹扩展行为的数值分析祝金丹1，张礼敬2，巩建呜2(1．南京化工职业技术学院机械系，南京210048；2．南京工业大学机械与动力工程学院，南京210009)摘要：针对裂解炉管对接焊接热影响区中常见的环向与斜裂纹在焊接残余应力的作用下的扩展行为进行数值预测。采用基于VNA算法的有限单元交互法(FEAM)，结合有限元方法研究焊接残余拉

2、应力对炉管裂纹扩展的影响，通过研究裂纹尖端区域的应力强度因子的变化来判断裂纹的准静态扩展倾向。结果表明，在多道焊焊接残余应力的影响下，在炉管焊缝热影响区内表面的环向裂纹有沿环向变长的倾向，而斜裂纹则同时有变长、变深的倾向。关键词：裂解炉管；残余应力；有限单元交互法；有限元方法；裂纹扩展⋯．中图分类号：TG4t)4文献标识码：A文章编号：0253—360X(2008)05—0101—05“。4“0序言在HP40Nb裂解炉管对接焊接过程中，高梯度的温度分布以及材料的非线性响应促成的焊接残余应力是不可避免的。拉

3、伸残余应力的存在会增加焊接结构开裂驱动力、降低结构的抗脆性断裂性能，从而对焊接结构的完整性产生不利影响⋯。残余拉应力与炉管恶劣的服役条件交互作用增加了应力腐蚀开裂SCC(stresscorrosioncracking)或疲劳开裂倾向。同时SCC裂纹的触发会导致炉管高温蠕变开裂[2]2。采用基于VNA算法的数值求解技术(有限单元交互法，finiteelementaltematingmethod，FEAM)研究焊接拉伸残余应力对炉管连接件焊缝区域裂纹扩展的影’响，通过研究裂纹尖端区域的应力强度因子的变化来判断

4、裂纹的准静态扩展倾向。1裂解炉管中的裂纹图1为裂解炉管对接焊缝区域常见的表面裂纹宏观形态，主要存在两种裂纹状态即与焊缝方向成一夹角的斜表面裂纹和平行于焊缝的环向表面裂纹。测得的不同服役管龄的裂解炉管其裂纹损伤层厚度(裂纹深度)最深处可达0．44mm(内壁)。由于焊接残余应力的存在，轴向残余拉应力是影响平行收稿日期：2007—07—11于焊缝的环向裂纹开裂的主要驱动力，而斜裂纹的开裂则是轴向与环向残余拉应力共同作用的。2有限单元交互法2．1F：EAM技术使用有限元方法研究裂纹扩展问题无法保证对裂尖扩展方向的

5、捕捉，且通常需要花费大量的时间用于裂纹的网格划分(尤其是裂尖区域的网格)，因而有限元方法处理裂纹问题目前仍有较大困难。由Atl嘶等人【3,4J提出的有限单元交互法则对复杂结构含裂纹受载问题求解具有明显的优势。其基本思想是：先通过有限元方法求解出无裂纹结构在受载时裂纹所在位置处的载荷分布，然后使用解析法求解出裂纹无限体为平衡上述裂纹处载荷所需外力，得到的外力作用于无裂纹结构上再次进行有限元分析，如此重复直至实现在无裂纹结构裂纹对应位置的载荷为零，即裂纹自由表面状态(图2)。对无限区域内含裂纹问题的求解是基于

6、VNA方法引5。FEAM技术已被成功用于解决多种结构表面裂纹及互约束多裂纹问题。2．2VNA算法。假设茗I和z2为椭圆裂纹所在平面内正交的两个方向，戈3为平面法线，口．，Ⅱ：与口，为椭圆三个半轴长，对于平面椭圆裂纹(图3)，口、=0r令裂纹表面力沿着椭圆面表示为万方数据102焊接学报第29卷任意载荷+纹(b)斜裂纹<曰工正国图1损伤炉管焊接裂纹宏观形态Fig．1Schematicofcracks怕部weldofpyrolysistube尤裂驭绍嗣裂驮兀限件戟受载问题一蓟分布一且上土黻l矸十乡／压五玉凰：1

7、：@．-3Ec--M：I+【斜+两种方法交替执行直到裂纹表面’力可以忽略为止，以保证实际模型裂纹自由表面状态图2任意载荷下带裂纹有限体的FEAM过程Fig．2Finiteelementalternatingmethodforfinitecrackedbodyundera巾n隐ryloadingl1Mrtl尺妒=∑∑∑∑A；2。．≯2。”2”i克；¨j(1)i=O』：O爪=On=O式中：A为待定矩阵系数；i，_『为指定表面力载荷相对于椭圆平面坐标轴的对称性[41；彤为任意整数，m，n为受M控制的任意整数，其

8、值与上式多项式的／困—：=／工正匝D(d)环向裂纹‘最高阶相关。对受任意裂纹表面力的无限体椭圆裂纹，其裂纹表面法线方向的势函数由Trefftz公式[3J表述为1I^，I^=∑∑∑∑c5：艘；，iF2∽Ⅲ捌+』(2)式中：C为待定矩阵；F为基本势函数，其详细解见文献E6]；k，Z为受M控制的任意整数。应力分量R和位移分量可以用势函数方程表示。将应力以矩阵形式表示为{R}=[P]{C}(3)式中：[P]为坐标(髫l，膏2，石3)的