解析列管式反应器管板与反应管焊接残余应力场有限元模拟

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1、学兔兔www.xuetutu.com第37卷第6期石油化工设备VoI．37No．62008年11月PETROCHEMICAIEQUIPMENTNov．2OO8文章编号：1000—7466(2008)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，王许，薛洲罗晓军，张勇，李臻(1．西安石油大学机械工程学院，陕西西安710065；2．中石油第二建设公司，甘肃兰州730060)摘要：运用大型有限元软件ANSYS对反应器管板与反应管焊接接头残余应力进行了模拟。有限元模型中选用了三维实体单元，考虑了材料的热物理性能随温

2、度而变化的情况。运用内生热的加载方法模拟焊接热源，运用生死单元技术模拟两道焊焊接过程。获得了反应器管板与反应管焊接接头温度场和残余应力一应变场，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：TE966文献标志码：ASimulationOil3DResidualStressesFieldofWeldingbetweenTubesheetandTubeinReactorbyFEMLIFen—kun一，WANGXu，XUEZhou，LUOXiao~un，ZHANGYong，LIZhen(1．Schoo

3、lofMechanicalEngineering，Xi’anShiyouUniversity，Xi’an710065，China；2．TheSecondConstructionCompanyofChinaNationalPetroleumandG8．8Corporation，Lanzhou730060，China)Abstract：TemperatureandstressfieldofweldingbetweentubesheetandtubewassimulatedbyFEMusingANSYS．The3Dsolidelementsw

4、ereusedinFEMmodel，andtemperaturedependedmaterialpropertieswereconsidered．Internalheatgenerationloadingmethodwasappliedtosimu—lateheatsource，andmodelchangeabilitytOsimulatetubesheetandtubeweld．Thetemperaturefieldandresidualstressfieldof3Dtubesheetandtubeweldwereobtained，a

5、ndtheresultswerediscussed．Keywords：reactor；tubesheet；tube；simulationbyfiniteelementmethod；residualstressfie1d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。事故调查表明l】]，在国焊接残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，而对

6、管板与反应管焊接接头焊接残余应应力腐蚀失效占80左右。顺酐反应器是大型列力三维有限元分析的研究很少。文中基于ANSYS管式反应器，反应管达上万根，如果焊接工艺不合软件，用APDL语言编写程序，对反应器管板与反应收稿日期：2008—06-02作者简介：李奋昆(1970一)，男甘肃榆中人，高级工程师，学士，从事焊接技术管理工作。学兔兔www.xuetutu.com第6期李奋昆，等：列管式反应器管板与反应管焊接残余应力场有限元模拟管焊接接头的温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、对于保证焊接结构的质量和安全

7、可靠性以及优化焊材料物理参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值模拟的精度等诸多因素，需对分析模型进行适当简化。由于管子较多，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焊接温度场控制方程称模型，并作如下的假设：①焊件的初始温度为室温在区域中热过程控制方程为J：(20℃)。②忽略熔池内部的化学反应和搅拌、对流Jr等现象。③以恒定速度进行焊接。④假设焊件的所f=VEXvT]+Q(1)Ul有外边界仅与空气发生对流换热。⑤忽略焊条与母式中，f为比定压热容，J／(kg·

8、K)；为导热系数，材材料的不一致性，对应统一的随温度变化的热物w／(iT1·K)；Q为内热源强度，W／m。；丁为温度，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