高温气冷堆蒸汽发生器机械式胀焊堵管接头残余应力计算及寿命预测

随着高温气冷堆服役温度和蒸汽压力的显著提高，高可靠性的堵管接头是保证蒸汽发生器安全运行的关键。为了分析高温气冷堆蒸汽发生器机械式胀焊堵管过程的残余应力及堵管接头的服役寿命，验证机械式胀焊堵管接头的可靠性。采用有限元软件模拟实际机械式胀焊堵管过程残余应力的产生，服役过程中残余应力的释放及蠕变-疲劳交互作用下的机械胀焊堵管接头的寿命。结果表明，机械式胀焊堵管过程中通过套筒发生的塑性变形和管板发生的弹性变形实现套筒和管板之间的密封，服役过程中残余应力迅速得到释放，能达到服役40年不泄漏的要求。基于Nims寿命计算的结果表明，高温端Incoloy 800H堵管接头的服役寿命超过40年，低温端T22堵管接头的服役寿命约为10年。该研究可以为高温气冷堆机械式胀焊堵管的工程实践提供参考。     

坡口形式对半管夹套焊接温度和残余应力的影响

半管夹套焊接时不可避免产生残余应力,容易导致其焊接部位开裂泄漏.文中对不同坡口形式的半管夹套进行焊接试验,并利用有限元软件ABAQUS对焊接温度场及残余应力进行数值模拟.结果表明,不开坡口,加热温度不足以使夹套和筒体接触界面的金属完全熔化;开2 mm平行坡口时,焊缝根部温度未达到熔点,焊缝金属流动不足以填充根部间隙,产生未焊透;开45°外坡口,能保证完全焊透,且焊缝成型较好,焊缝根部的残余应力比不开坡口降低33%,筒体残余应力整体降低35%,有利于降低应力腐蚀开裂的敏感性.在实际焊接时,应开坡口焊接,禁止不开坡口或采用2 mm平行坡口.     

考虑残余应力的焊接结构多轴疲劳准则

因随机波浪载荷及焊接残余应力的存在，海洋工程焊接结构的疲劳失效受多轴疲劳机理控制，然而目前的多轴疲劳准则对焊接残余应力关注较少，针对上述问题文中通过将不包含焊接残余应力的有限元计算应力场与焊接残余应力场线性叠加作为多轴疲劳寿命计算应力场，提出了一种基于临界面法的多轴疲劳寿命预测准则，通过对国际上已公开发表的疲劳试验数据进行有限元分析并与多轴疲劳准则MWCM对比，证明文中方法比MWCM具有更高的准确性，对于非比例载荷作用下的疲劳寿命预测效果尤为显著，同时证明了文中方法可以有效考虑焊接残余应力的影响.     

蠕变对焊后热处理残余应力预测精度和计算效率的影响

基于MSC. Marc软件平台,开发了考虑蠕变效应的热-弹-塑性有限元计算方法。采用该方法模拟了Q345平板接头TIG重熔焊接过程和焊后热处理过程中的应力场,并重点研究了焊后热处理过程中蠕变效应对焊接残余应力的影响,基于数值模拟结果研究了焊后热处理消除残余应力的机理。同时,采用盲孔法实测了焊接及热处理后平板接头的残余应力,并与数值模拟结果进行了对比。此外,还探讨了2种不同的蠕变模型对焊后热处理残余应力计算精度的影响,针对Q345低合金高强钢,提出了一种简易高效、适合于工程应用的蠕变模型。结果表明:数值模拟得到的残余应力与实验值吻合良好,验证了所开发的集成计算方法的有效性。热处理计算过程有必要考虑材料的蠕变效应,否则会严重高估热处理后的残余应力。采用本工作提出的简易蠕变模型,在较少损失计算精度的前提下可使计算效率提高10倍左右。     

超声冲击态焊接接头疲劳性能分析

使用ABAQUS软件对T形接头进行超声冲击处理,将处理结果导入隐式分析模块中得到了稳定的残余应力场.随后对冲击处理后的接头施加不同的拉伸载荷,计算不同网格尺寸条件下的ASME结构应力,验证了该方法的网格不敏感性;对比冲击态和未冲击态焊接接头的AMSE结构应力和ⅡW结构应力的应力集中系数,发现超声冲击处理可以有效降低焊趾处的应力集中系数,但ASME结构应力法对载荷变化更敏感.分别采用主S-N曲线和ⅡW结构应力S-N设计曲线,给出了基于ASME结构应力法和ⅡW结构应力法的疲劳寿命,结果表明,ASME结构应力法预测的疲劳寿命趋于相对保守.     

坡口形式对SUS304奥氏体不锈钢对接接头残余应力和变形的影响

以ABAQUS软件为平台,开发了热-弹-塑性有限元计算方法用于模拟V形、K形和X形坡口SUS304奥氏体不锈钢多层多道焊对接接头的温度场、残余应力和焊接变形. 同时,采用试验的方法测量了接头的残余应力和角变形. 计算得到的焊接残余应力和角变形与实测结果吻合良好,验证了计算方法的妥当性. 试验和数值结果表明,坡口形式对接头的残余应力和角变形有显著的影响:V形坡口的高拉伸残余应力区和角变形均明显大于K形坡口和X形坡口,而K形坡口则略大于X形坡口; 坡口形式对纵向残余应力的峰值影响较小.     

焊接残余应力对焊接接头蠕变性能的影响

应用大型有限元分析软件ABAQUS及其RESTART功能,建立了焊接温度场模型、残余应力场模型和蠕变分析模型.使用焊接残余应力作用下蠕变的顺次耦合有限元计算方法,对Cr5Mo加热炉炉管焊接接头残余应力和蠕变进行了数值模拟.计算方法为掌握复杂的焊接残余应力对高温炉管焊接接头的蠕变影响奠定了基础.比较了考虑焊接残余应力和仅承受内压两种工况下的炉管接头蠕变情况.结果表明,虽然焊接残余应力在短时间内松弛,但焊接残余应力决定了炉管的蠕变变形,焊接残余应力是影响炉管蠕变的重要因素.     

焊接接头残余应力及蠕变损伤的有限元模拟

基于大型有限元软件Abaqus及其用户子程序(Umat)功能,开发了焊接残余应力与蠕变损伤耦合计算程序,对高温用焊接接头残余应力作用下的蠕变损伤行为进行有限元模拟,并与无焊接残余应力状态下的蠕变损伤情况进行比较.研究结果表明,在炉管焊接状态下,焊接残余应力最大值集中在焊缝和热影响区处,并且轴向与环向残余应力较高.在高温环境下,焊接接头初始态焊接残余应力较高,虽然在短时间内应力松弛到较低的水平,但其蠕变损伤仍较大程度地受焊接残余应力的影响,蠕变损伤分布与焊接残余应力的分布基本一致.     

Finite Element Simulation for Welding Residual Stress and Creep Damage of Welded Joint

基于大型有限元软件Abaqus及其用户子程序(Umat)功能, 开发了焊接残余应力与蠕变损伤耦合计算程序, 对高温用焊接接头残余应力作用下的蠕变损伤行为进行有限元模拟, 并与无焊接残余应力状态下的蠕变损伤情况 进行比较. 研究结果表明, 在炉管焊接状态下, 焊接残余应力最大值集中在焊缝和热影响区处, 并且轴向与环向 残余应力较高. 在高温环境下, 焊接接头初始态焊接残余应力较高, 虽然在短时间内应力松弛到较低的水平, 但 其蠕变损伤仍较大程度地受焊接残余应力的影响, 蠕变损伤分布与焊接残余应力的分布基本一致.     

坡口形式对304/Q345复合管焊接接头残余应力影响的数值模拟研究

文中基于热弹塑性力学理论建立13 mm厚304/Q345复合管对接残余应力的三维有限元模型。采用ANSYS有限元分析软件对X形、 V形坡口复合板焊接接头的温度场和应力场进行了数值模拟;研究了X形、 V形坡口复合板焊接接头温度场和应力分布规律;分析了坡口形式对复合板焊接接头温度场和应力场的影响。研究结果表明:不同的坡口形式对复合板焊接接头温度场无明显影响;复合板焊接接头的横向应力、纵向残余应力均沿着初始焊道两侧呈对称分布,且不同坡口接头的纵向残余应力明显大于横向残余应力。研究成果为复合板焊接工艺的制订提供了理论依据,具有工程实际意义。     

焊接结构主S-N曲线拟合方法及软件开发

主S-N曲线法是当前焊接结构疲劳计算的新方法,在焊接结构疲劳分析中被广泛采用. 该方法以等效结构应力为核心参量,实现了以一条S-N曲线计算不同载荷模式和焊接形式结构的疲劳寿命. 依据主S-N曲线法,利用不同材料和焊接形式的疲劳试验建立了焊接结构疲劳试验数据库. 考虑厚度、弯曲比及多轴应力等修正参量的影响,采用最小二乘法原理,研究了不同主S-N曲线方程的拟合方法及其标准差. 在此基础上,开发了主S-N曲线拟合方法的专用软件. 基于VC++编程环境实现了名义应力、结构应力、等效结构应力、剪切结构应力、多轴结构应力及初始裂纹修正等主要计算功能. 基于该软件,完成了试验数据的多参量的对比分析,为研究焊接结构疲劳寿命评估及影响因素分析提供了技术基础.     

焊接顺序对机械结构疲劳寿命影响研究

针对焊接机械结构中不可避免地产生焊接残余应力的现象,建立塔式起重机起重臂结构有限元模型,采用数值模拟的方法计算不同焊接顺序情况下焊接残余应力的大小,运用断裂力学知识分析焊接残余应力对结构疲劳强度的影响.计算结果表明:焊接顺序对结构焊接残余应力的分布及大小有着明显影响,交叉焊接并采用从中间向两端焊接产生的焊接残余应力较小;焊接残余应力降低结构的疲劳寿命,在塔式起重机生产制造过程中选择合理的焊接顺序,降低起重臂焊接残余应力,可提高其疲劳寿命.     

基于Simufact的CRDM管座焊接残余应力数值模拟

利用热弹塑性有限元法,计算研究核反应堆压力容器控制棒驱动结构管座中心J形坡口焊接接头残余应力的分布规律,建立了三维有限元模型,基于双椭球热源计算焊接应力场,并与试验结果做比较。研究结果表明,使用该套软件和方法能够实现J形焊缝焊接残余应力的高效计算;J形坡口焊缝附近的纵向应力大于轴向应力,贯穿件内壁应力分布与实际试验测试结果相近,残余应力数值在焊接影响区浮动明显,不同坡位的应力分布也有不同。     

焊后热处理退火工艺对十字接头疲劳寿命的影响

通过对焊接结构疲劳评估标准分析,归纳了疲劳评估标准对焊接残余应力的考虑,阐明了从计算疲劳寿命角度看,残余应力不需要再另外考虑。设计并制作了一批十字接头试件,采用BS 7608:2014+A1:2015标准对疲劳试验数据进行了分析,结果表明,焊后退火前和不同工艺退火后的十字接头试件疲劳寿命没有显著差异。     

基于正交试验设计的高温管道焊接工艺优化

P91耐热钢焊接接头广泛用于电厂管道,厚壁管道焊接残余应力分布比较复杂,而焊接接头残余应力的大小对其高温环境下运行的蠕变又有着较大的影响.文中运用正交试验设计方法,以焊接残余应力为评价指标,对P91耐热钢管道焊接的工艺参数进行优化没计,然后采用大型有限元分析软件ABAQUS对最优焊接工艺的焊接残余应力进行数值模拟,获得了P91厚壁管道焊接接头的残余应力分布状况.结果表明,焊接速度对焊接残余应力的影响最为显著,其次电弧电压、焊接电流和坡口间隙等.研究结果为优化高温管道焊接工艺,有效控制焊接残余应力提供了可能.     

基于ANSYS的Q345R厚板焊接数值模拟研究

利用ANSYS14.0软件中的高斯分布热源,通过在40 mm厚Q345R钢板对接U形和X形坡口焊接建立焊接有限元模型,对温度和应力场进行了研究分析。结果表明:焊接熔池外围的等温线呈卵形,U形坡口相对于X形坡口,热源温度场较均匀。对于X形坡口,x方向最大拉应力为322 MPa,最大压应力为-271 MPa; y方向最大拉应力为154 MPa,最大压应力为-181 MPa; Mises最大应力为301 MPa。对于U形坡口,x方向最大拉应力为305 MPa,最大压应力为-259 MPa; y方向最大拉应力为73.1 MPa,最大压应力为-183 MPa; Mises最大应力为305 MPa。可以发现除了Mises应力,X形坡口x向、 y向残余应力均大于U形坡口残余应力。     

大型管板结构焊接残余应力的预测与消除

基于有限元软件MSC.Marc开发了2D轴对称热-弹-塑性有限元模型,用于预测其大型管板结构多层多道焊的焊接温度场和残余应力。之后以此焊接残余应力为初始条件,利用所开发的模型,研究了焊后热处理对焊接残余应力的消除情况;同时研究了在热处理过程的保温阶段是否考虑蠕变对焊后热处理后残余应力消除情况的影响。结果表明,该大型管板结构的焊缝及热影响区附近存在较大的焊接残余应力;通过焊后热处理工艺,可以显著地降低焊接产生的高拉伸应力,但对于焊接压缩应力的影响较小;以环向应力为例,在考虑蠕变的情况下,可以使高拉伸应力的峰值降低86%,而在不考虑蠕变的情况下,只能降低60%;焊接残余应力的释放主要发生在升温阶段,而在降温阶段应力有所升高;在考虑蠕变时,保温阶段焊接残余应力得到一定的释放,在不考虑蠕变时,保温阶段应力保持不变。     

异种钢管子对接焊热处理前后残余应力的数值模拟

采用热-粘弹塑性有限元模型,在考虑蠕变效应的基础上,对同种及异种钢管子环焊缝焊接及焊后热处理过程进行了数值模拟.计算结果表明,经过热处理过程后,管子焊接接头的残余应力有显著的降低,约为初始状态的1/3.在热处理后期,两种接头的残余应力均出现了一定程度的回升现象.基于在相同的计算条件下,异种钢焊接接头残余应力要高于同种钢.同时,比较了过渡层对接头残余应力的影响,发现过渡层宽度对于降低异种钢焊接接头残余应力水平有重要影响.     

WeldCAPP~(TM)维尔德焊接工程专用软件

<正>WeldDATA焊接基础数据库钢材、铝合金、钛合金成分及性能;国内外材料牌号对照查询;焊接材料成分及性能;焊接接头性能及工艺;焊接性试验结果查询;焊接CCT图;焊接接头及坡口;焊接标准咨询。WeldPQR焊接工艺评定编制与管理B4708、ASME、AWS、EN(BS)、API、GB50236、TB10212-98及船级社标准;     

板厚12～32公厘不开坡口留大间隙的自动埋弧焊研究

苏联巴顿电焊研究所曾经研究过板厚达50公厘的不开坡口留大间隙的自动埋弧焊接法。1956年底,我厂苏联专家格列明尼柯夫同志建议在生产中推行极厚在30公厘以下不开坡口留大间隙的埋弧自动焊接法;在1957年初,我们开始这项研究试验工作。这种新的焊接工艺,可以不开坡口,因此取消了开坡口的工序,节省了开坡口的材料,也节省了填充金属和电能。重要的是要在试验中求出合适的焊接规范,并观察这种新工艺的特点,如何在生产中加以推广,这就是此项试验工作的目的。