论文总字数：15331字

摘 要

EO反应器是环氧乙烷生产环节的核心设备，其筒体材料主要采用13MnNiMoR，筒体的加工制造为一大难点，其中筒体焊缝的焊接残余应力的控制与消除尤为重要，本文基于这一点展开整体热处理对13MnNiMoR钢厚板焊接残余应力的影响的研究。

本文使用ABAQUS软件，创建了EO反应器筒体的模型，选取内生热源作为焊接热源，在模拟焊接的过程中主要采用了生死单元技术和顺次耦合的方法，由于影响整体热处理的因素很多，因为条件和时间的限制，本文主要选取了热处理温度和保温时间这两个变量，采用了七种不同的实验方案，最后对实验结果进行了处理和分析，结果发现，当热处理温度选择为620℃并且保温时间选择为4h时，降低焊接残余应力的效果最理想。

关键词：EO反应器，有限元模拟，整体热处理，焊接残余应力

Abstract

EO reactor is the core equipment of ethylene oxide production. The core material of the cylinder is mainly made of 13MnNiMoR, and the processing and manufacture of the cylinder is a difficult problem. It is very significant to control and eliminate the welding residual stress in the pipe weld. The effect of the overall heat treatment on the welding residual stress of 13MnNiMoR steel plate was studied.

Based on the previous experience, ABAQUS software was used to create the model of the EO reactor cylinder. According to the actual situation, the endothermic heat source was selected as the welding heat source. In the process of simulated welding, There are many factors that affect the overall heat treatment. Because of the conditions and time constraints, this paper mainly selects the two variables of heat treatment temperature and holding time, and uses seven different experimental schemes. At last , the experimental results are processed which show that the welding residual stress can be eliminated when the heat treatment temperature is chosen to be 620 ° C and the holding time is selected as 4 h. Which provides a theoretical basis for how to deal with the residual heat stress in the future.

Key words: EO Reactor, Finite element simulation, Overall heat treatment, Welding residual stress

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 选题背景及意义 1

1.2 焊接残余应力的概述 1

1.2.1 出现焊接残余应力的原因 1

1.2.2 焊接残余应力的危害 2

1.2.3 焊接残余应力的消除方法 2

1.2.4 焊接残余应力的实际测量方法 3

1.3 焊接残余应力数值模拟研究方法 3

1.3.1 焊接数值模拟技术的概述 3

1.3.2 国内外对焊接残余应力数值模拟技术的研究进展 3

1.4 本文所研究的主要内容 4

第二章EO反应器筒体有限元模型的建立 5

2.1 EO反应器筒体的几何尺寸及主要工艺参数 5

2.2 筒体焊缝模型的建立 6

2.2.1 定义焊缝及母材材料属性 7

2.3 边界条件 8

2.3.1 温度边界条件 8

2.3.2 力边界条件 8

2.4 单元类型及网格划分 5

2.4.1 本模型单元类型的选择方案 6

2.4.2 模型的网格划分 6

2.5 焊接过程的模拟方法 10

2.6 本章小结 10

第三章 计算结果与分析 11

3.1 筒体模型温度场的结果与分析 11

3.2 筒体模型应力场的结果与分析 13

3.2.1 热处理温度对mises应力的影响 18

3.2.2 热处理温度对轴向应力的影响 20

3.2.3 热处理温度对环向应力的影响 22

3.2.4 保温时间对mises应力的影响 24

3.2.5 保温时间对轴向应力的影响 26

3.2.6 保温时间对环向应力的影响 28

3.3 本章小结 30

第四章 结论与展望 31

4.1 结论 31

4.2 展望 31

参考文献 32

致谢 34

第一章 绪论

• 1. 选题背景及意义

环氧乙烷是一种重要的化工原料，EO反应器是其生产制造的关键设备。EO反应器的筒体材料大多采用13MnNiMoR高强度钢。13MnNiMoR钢这种材料具有良好的加工工艺性和耐腐蚀的能力。美中不足的是，因为在实际生产中建造的压力容器，如EO反应器，壁厚都普遍偏厚，13MnNiMoR钢这种材料有一个缺点就是它的淬硬性比较高，所以一旦在焊接过程中选择的工艺不恰当，很容易形成淬硬组织，并且还会产生比较大的焊接残余应力。

焊接残余应力不仅会使构件的强度降低还会大大减少构件的使用年限，所以如何有效的控制与消除焊接残余应力成为了研究的重中之重。本文就是基于这一点研究的整体热处理对13MnNiMoR钢焊接残余应力的影响。

• 1. 焊接残余应力的概述

1.2.1 出现焊接残余应力的原因

焊件受热的不均衡是导致焊接残余应力的产生的直接原因也是根本原因。除此之外还有其他因素也会导致焊接残余应力的产生，在整个焊接过程中，焊接温度是不好控制的，所以一旦焊枪的加热温度过高，并且高于了材料发生屈服变形的临界温度，这个时候如果继续加热，构件就会慢慢屈服发生塑性变形，由于塑性变形是不可逆的，也就是说构件发生塑性变形后就不能恢复成之前的形态，这样在整个焊接过程结束之后构件的内部自然而然的就出现了残余应力。还有就是在焊接过程中焊条金属受到高温之后慢慢熔化，与此同时原材料金属也会受热熔化，原材料金属和焊条金属紧紧包裹在一起这就会造成在焊缝金属慢慢冷却的过程中由液态转为固态时焊缝金属的体积会发生不同程度的收缩，由于两者是不可分割的，焊缝金属的收缩不能得到自由的伸展，所以从焊缝慢慢延伸到整个焊件发生变形，焊缝中也会因此产生焊接残余应力。又由于在实际焊接过程中，焊道是一条一条加上去的，焊完了一道焊缝才能去焊下一道，由于这种不连续性，先焊完的焊缝金属当然会优先结晶，后焊完的部分结晶过程就会稍缓一点，但是在后结晶的过程中会受到先结晶部分的阻扰，妨碍它收缩，这时收缩不能充分进行，这也会导致焊接残余应力的产生。另外如果焊件本身的刚性很大，这表示焊件本身就不易发生变形，如果此时再给它加一个很大的外界约束的话，那它发生变形的能力又会大大缩减，所以在焊接结束后，焊件的变形不能得到充分的释放，这也会导致焊件内部出现焊接残余应力。

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