关于板与反应管焊接残余应力场有限元模拟

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1、万方数据第37卷第6期石油化工设备V01．37No．62008年11月PETR()-CHEMlCAI。EQUIPMENTNov．2008文章编号：1000-7466(2008)06一0036一04列管式反应器管板与反应管焊接李奋昆1’2，残余应力场有限元模拟王许1，薛洲2，罗晓军2，张勇2，李臻(1．西安石油大学机械工程学院，陕两西安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

2、单元，考虑了材料的热物理性能随温度而变化的情况。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：ASimulationon3DResidualStressesFieldofWeldingbetweenTubesheetandTubeinReactorbyFEMLIFen-kunl～，WANGXul，XUEZhou

3、z，LU0Xiao-jan2，ZHANGYongz，LlZhenl(1．SchoolofMechanicalEngineering，Xi’anShiyouUniversity，Xi’an710065，China；2．TheSecondConstructionCompanyofChinaNationalPetroleumandGasCorporation，Lanzhou730060，China)Abstract：Temperatureandstressfieldofweldingbetweentube

4、sheetandtubewassimulatedbyFEMusingANSYS．The3DsolidelementswereusedinFEMmodel，andtemperaturedependedmaterialpropertieswereconsidered．Internalheatgenerationloadingmethodwasappliedtosimu—lateheatsource，andmodelchangeabilitytosimulatetubesheetandtubeweld．T

5、hetemperaturefieldandresidualstressfieldof3Dtubesheetandtubeweldwereobtained，andtheresultswerediscussed．Keywords：reactor；tubesheet；tube；simulationbyfiniteelementmethod；residualstressfield管板和反应管的焊接是列管式反应器设计、制造中最关键的技术之一，焊接质量的好坏将直接影响反应器的安全性及寿命。事故调查表明¨]，在国

6、内外一系列反应器失效形式中，由残余应力引起的应力腐蚀失效占80％左右。顺酐反应器是大型列管式反应器，反应管达上万根，如果焊接工艺不合理，致使焊接残余应力过大，由此产生的腐蚀将会导致反应物的泄漏和串流，产生严重影响。国内外对焊接残余应力进行的有限元分析大多用于平板对接时的模型，而对管板与反应管焊接接头焊接残余应力三维有限元分析的研究很少。文中基于ANSYS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

7、焊接技术管理工作。万方数据第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，对于保证焊接结构的质量和安全可靠性以及优化焊接工艺具有重要意义。l残余应力三维数值模拟原理1．1焊接温度场控制方程在区域0中热过程控制方程为[2]：JTfp芋一v卧vT]+Q(一1)oi—VUV』J十U‘)式中，C，为比定压热容，J／(kg·K)；A为导热系数，W／(m·K)；Q为内热源强度，W／m3；T为温度，K；t为时间，s。焊接温度场控制方程的热流边界条件因换

8、热方式不同而有所不同，对流换热产生的边界热流密度按下式计算：q。一口，(T—To。)(2)式中，口。为对流传热系数，w／(m2·K)；To。为零对流时的参考温度，K。辐射换热导致的边界热流密度按下式计算：q，=cF0￡o(F—To，4)(3)式中，eo为黑度(发射率)；O'o为黑体的辐射常数，w／(m2·K6)；To，为对应零辐射时的参考温度，K。1．2焊接应力场控制方程在区域n中力平衡方程为嘲：巩一0(4)式中川6r为应力分量，已包括热应力项，MPa。热应变可按下式