换热器管与管板接头焊接残余应力的有限元分析

基于ANSYS平台对换热器伸出管板角接头和平焊接头的焊接残余应力进行数值模拟,获得了焊接接头的残余应力分布.有限元分析结果表明,接管环焊缝的残余应力分布具有局部性的特点,最大等效应力出现在焊根处.本文焊接条件下管接头环焊缝在焊接热影响区位置上径向为压应力,环向为拉应力,这种径向受压,环向受托的应力状态下更容易引起径向裂纹的萌生和扩展.     

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.     

16MnR斜Y型坡口焊接裂纹试验残余应力数值模拟

利用ANSYS有限元分析软件对16MnR钢斜Y形坡口焊接裂纹试验的焊接温度场和应力场进行数值模拟,得到了焊接残余应力的分布规律.由于焊缝表面、中部和根部散热条件不同,造成了焊缝表面、中部和根部残余应力分布的差异.即在三维残余应力场中,纵向残余应力较大,且横向残余应力峰值出现在“直坡口侧”焊缝根部的热影响区.研究了预热温度对横向残余应力的影响规律.结果表明,随着预热温度的提高横向残余应力峰值和应力梯度降低,从而有助于减小冷裂纹倾向.     

球罐焊接残余应力数值模拟分析

利用有限元法动态模拟球罐环焊缝以及平板的焊接过程,分析了球罐焊接过程温度场的变化状况和焊接残余应力分布规律.结果表明,焊接热影响区范围很小,球罐环焊缝焊接残余应力是经向和径向坐标的函数,纬向焊接残余应力大于经向应力,两向应力的最大值均处在热影响区内,最大应力值超出了材料的屈服极限,是产生裂纹缺陷的原因之一等.用X射线衍射的方法测试了平板焊接接头的焊后残余应力,并将测试结果与有限元模拟计算结果比对,验证了模拟计算方法的可靠性和计算结果的正确性.     

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.     

核反应堆关键焊接结构应力腐蚀裂纹失效评估

以沸水堆堆芯围板焊接热影响区应力腐蚀开裂为例进行了裂纹扩展评估研究.采用有限元模拟与试验检测数据验证相结合的方法对焊接热影响区焊接残余应力场及应力腐蚀开裂扩展过程进行模拟.通过有限元方法计算了应力腐蚀开裂裂纹尖端应力强度因子,再根据应力腐蚀裂纹扩展试验数据获得裂纹尖端应力强度因子与裂纹扩展速率的关系,最终预测了沸水堆堆芯围板的使用寿命,解决了重大构件基于应力腐蚀开裂失效的安全评估问题.该研究过程为重大构件的腐蚀疲劳裂纹失效的安全使用提供了可借鉴的方法.     

焊接残余应力对7N01铝合金疲劳裂纹扩展影响

焊接残余应力作为平均应力影响裂纹扩展. 将残余应力与外载平均应力分离,通过构建典型焊接残余应力场,借助扩展有限元计算焊接残余应力场的应力强度因子. 开展了紧凑拉伸（CT）试样的疲劳扩展试验,基于Walker公式将裂纹尖端平均应力强度因子K_m（静态量）和应力强度因子幅值ΔK（动态量）分离,获得疲劳裂纹扩展速率da/dN与K_m及ΔK的非线性关系. 结果表明,不同外载荷下,应力比与裂纹长度为非线性关系;残余应力对裂纹扩展存在尺度效应:CT试样裂纹长度小于2 mm时,残余应力场明显影响疲劳裂纹扩展速率;当裂纹长度大于2 mm,外载荷为主导因素.     

2A12-T4铝合金搅拌摩擦焊多区域疲劳裂纹扩展行为

疲劳裂纹扩展速率是材料内在组织性能的宏观外在表现,显微组织和残余应力对宏观疲劳裂纹的扩展有显著的影响.文中研究了2A12-T4铝合金搅拌摩擦焊不同区域的疲劳裂纹扩展速率.结果表明,在焊缝区域,由于搅拌针强烈的机械和焊接热作用,材料组织发生变化,并伴有残余应力的产生,导致不同区域裂纹的扩展速率存在明显差异.在低应力强度因...     

疲劳裂纹扩展过程中焊接残余应力重分布测试

提出了一种新的焊接残余应力在疲劳裂纹扩展过程中重分布规律的测试方法,并给出了相应的计算公式.在裂纹扩展的路径上粘贴若干三向电阻应变片,然后利用动态应变仪实时采集裂纹扩展过程中的应变变化,根据所推导的公式换算成相应的残余应力变化,从而得到裂纹扩展过程中残余应力重分布的规律.利用这种方法,试验测试了高强钢TIG焊接接头在疲劳裂纹扩展过程中的焊接残余应力重分布规律,并与一种解析的方法进行了对比.结果表明,该方法能够更为准确地表征裂纹扩展过程中焊接残余应力重分布的情况.     

纤维排布方式对SiC/Ti材料残余应力影响的有限元分析

采用三维有限元法模拟SiC/Ti-6Al-4V复合材料界面的残余应力分布,分析纤维排列方式对纤维一侧界面残余应力的影响。结果表明,纤维排列方式对纤维一侧界面径向、轴向和周向残余应力均有较大影响,其中纤维六方排列时纤维一侧界面残余应力沿纤维周向分布均匀,且周向残余应力小,不易在界面形成径向裂纹,是较为理想的纤维排列方式。     

纤维排布方式对SiC/Ti材料残余应力影响的有限元分析

采用三维有限元法模拟SiC/Ti-6Al-4V复合材料界面的残余应力分布,分析纤维排列方式对纤维一侧界面残余应力的影响。结果表明,纤维排列方式对纤维一侧界面径向、轴向和周向残余应力均有较大影响,其中纤维六方排列时纤维一侧界面残余应力沿纤维周向分布均匀,且周向残余应力小,不易在界面形成径向裂纹,是较为理想的纤维排列方式。     

加氢反应器T接管结构优化

T接管是加氢反应器氢气和蒸气混合气的进口,裂纹出现较多,焊接残余应力是主要原因之一.利用有限元法,对加氢反应器T接管与球形封头焊接残余应力进行计算分析.从焊接残余应力的角度,优化了T接管的连接方式.结果表明,当T接管轴线沿球形封头半径方向时,在T接管内壁以及焊缝根部,产生了较大的残余应力,对应力腐蚀开裂影响很大.因此,...     

The role of residual stress in neutral pH stress corrosion cracking of pipeline steels – Part II: Crack dormancy

This investigation provides a quantitative analysis of the effect of Type I residual stresses on the occurrence of pitting and stress corrosion cracking (SCC) formation in pipeline steel exposed to neutral pH aqueous environments. It has been shown that SCC generated in neutral pH environments can be readily blunted due to plastic deformation (room temperature creep) and/or extensive anodic dissolution. As a result, a high positive tensile residual stress gradient is necessary for continued growth of SCC in pipeline steels exposed to this neutral pH environment. The tensile residual stress represents a large mechanical driving force for crack nucleation and short crack growth. Active cracks may become dormant as the near-surface residual stress gradient changes, due to self-equilibration, from highly tensile to a lower tensile state or to a compressive state. The change in residual stress level can occur within 1 mm of the surface, resulting in a large proportion of dormant SCC.     

某化工厂管道输气用不锈钢法兰漏气裂纹分析

某材质为0Cr18Ni9不锈钢法兰在巡检时发现有气体泄露现象,着色探伤发现在焊接附近存在较多周向裂纹.通过宏观与微观形貌、显微组织、化学成分、硬度测试等方法,对法兰裂纹形成原因进行分析.结果表明,法兰开裂为沿晶型应力腐蚀开裂,与焊接敏化效应无明显直接相关性.裂纹形成主要原因为法兰选材以及热加工工艺不合理导致材料应力腐蚀...     

激光辅助氮化工艺中的开裂行为研究

目的研究激光辅助氮化过程中,氮化层的开裂行为。方法利用CO2激光辅助氮化的方法在钛合金表面制备氮化钛涂层,观察氮化层的宏观、微观形貌,分析组织结构特征,测定氮化层残余应力,研究基体厚度、激光扫描工艺参数对氮化层表面形貌和裂纹情况的影响。结果钛合金经单道或多道激光氮化后,表面形成非均匀氮化钛层,其显微结构为沿主干轴交叉生长的枝状晶组织,存在数量和尺寸不等的显微裂纹。较薄试样经单道激光氮化后,表面呈现较低的残余压应力状态,较厚试样则以拉应力为主;试样经多道激光氮化后,整个氮化区表面均呈现残余压应力状态。结论枝状氮化层与基体组织高度结合,不易脱落,但受基体约束作用,氮化层内的拉伸热应力导致其冷却过程中形成微裂纹。随着试样厚度和氮化面积的增加,较高的热应力使得裂纹密度和裂纹尺寸增加,严重影响氮化层的质量。残余应力是热应力和相变应力叠加的结果,对于多道激光氮化工艺而言,大面积氮化使得相变压应力增加,同时后热效应使得热应力降低,最终呈现出残余压应力状态。     

Residual stress relaxation in typical weld joints and its effect on fatigue and crack growth

Many factors influence the fatigue and crack growth behavior of welded joints. Some structures often undergo fairly large static loading before they enter service or variable amplitude cyclic loading when they are in service. The combined effect of both applied stress and high initial residual stress is expected to cause the residual stresses relaxation. Only a few papers seem to deal with appropriate procedures for fatigue analysis and crack growth by considering the combined effect of variable amplitude cyclic loading with residual stresses relaxation. In this article, some typical welded connections in ship-shaped structures are investigated with 3-D elastic-plastic finite element analysis. The effect of residual stress relaxation, initial residual stress, and the applied load after variable amplitude cyclic loading is revealed, and a formula for predicting the residual stress at hot spot quantitatively is proposed. Based on the formula, an improved fatigue procedure is introduced. Moreover, crack growth of typical weld joints considering residual stresses relaxation is studied.     

热力管线中不锈钢波纹管破裂原因分析

采用金相显微镜和扫描电镜分析了热力管线中不锈钢 波纹管破裂原因.该波纹管破裂特征与一般环向开裂不同，裂纹沿轴向扩展.分析认为，破裂 属穿晶应力腐蚀.引起应力腐蚀的介质是土壤中的氯化物，而应力则来自环向工作应力和冷 加工残余应力，而环向工作应力起主导作用。     

The study for direct SCC fabrication in STS 304 pipe

ABSTRACT

Stress corrosion cracking is one of the aging phenomena for the major structure components in nuclear power plant. During the operation of a power plant, stress corrosion cracks are initiated and grown especially in dissimilar weldment of primary loop components. Among the three factors (susceptible material, residual stress, and corrosive environment) which make the SCC, the residual stress becomes a critical factor for stress corrosion crack when it is difficult to improve the material of the components and their environment under operating conditions. In this study, stress corrosion cracks were artificially produced on STS (stainless steel) 304 pipe itself by control of welding residual stress. The instrumented indentation technique and 3D finite element method (FEM) analysis (using ANSYS 12) were used to evaluate the residual stress values in the GTAW area. As the result of both FEM analysis and experiment, the stress corrosion crack was quickly generated and could be reproduced, and controlled by welding residual stress. Also non-destructive evaluation signals by Acoustic Emission will be discussed for the initiation and growth of SCC.

This paper is part of a supplementary issue from the 17th Asia-Pacific Corrosion Control Conference (APCCC-17).     

残余应力对管线钢韧性断裂的影响

以弹塑性断裂力学理论为基础,应用ABAQUS有限元软件,采用固有应变法引入残余应力,并基于细观塑性损伤模型研究了残余应力对管线钢韧性裂纹扩展阻力曲线的影响.模型中选择了具有不同深浅裂纹的单边缺口弯曲（SENB）试样和DNV推荐准则中用于管线钢断裂评估的单边缺口拉伸（SENT）试样,并对这两种断裂力学试样在大范围屈服条件下的裂纹扩展阻力曲线（CTOD-R曲线）行为进行了对比分析.结果表明,对于深裂纹试样,残余应力降低了韧性裂纹扩展阻力曲线,而浅裂纹试样受残余应力的影响可忽略不计.