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20MnMONb特厚板拼焊EO反应器管板的焊接残余应力与数值分析

1 序言

EO反应器是环氧乙烷(EO) /乙二醇生产装置的核心设备，为典型的特大固定管板式厚壁换热器，其结构特异、制造工序复杂，制造难度大，国内现有的大型EO反应器均为进口技术。近期针对国内对EO产品需求的高速增长，扬子石化公司率先开展了对EO反应器的国产化制造。管板制造是EO反应器前期制造的关键，多采用低合金高强钢板拼焊而成，扬子公司此次制造EO反应器管板时采用国产材料20MnMoNb锻件，板厚达390mm，其拼焊属于典型的特厚板焊接，为实现此特厚板焊接，焊接时采用双U型坡口，并通过大型行车不时翻转整个管板以完成上下坡口的交替焊接，同时为了防止管板发生过度变形，焊接时在板面上施压了4500kN的重物(配载)。然而，由于特厚板焊接在国内外并不多见，焊接过程无经验可依，焊接中又采用施压配重的方法限制管板的变形，因此管板在焊后可能存在较大的残余应力。加之管板在使用中接触的介质为锅炉水，如果因工艺、操作以及碱洗等因素造成局部位置碱浓缩或聚集，则极可能导致管板发生应力腐蚀开裂^[1-2]，影响管板的安全服役。因此有必要对特厚板进行焊接残余应力分析以掌握厚板焊后的残余应力大小与分布情况，为进一步优化焊接工艺提供数据和理论基础，对保证EO反应器国产化的质量水平也有重要意义，然而目前为止对此类特厚度板坡口焊残余应力的报道却并不多见。有限元法是研究焊接残余应力与变形的有效手段^[3-10]。

2 有限元模拟

2.1 焊接应力变形数值模拟理论发展

关于焊接应力与变形，不少学者由实验得出很多工程应用的经验公式，但都只能解决一些较为简单的问题。随着焊接热力模拟理论的不断发展，有限元技术的引入和计算机技术的发展，极大地促进了焊接残余应力和变形模拟研究的进步。基于一维解析的残余塑变法用图解的形式，分析了一维条件下焊接过程中的应力应变过程，提出以残余塑变来计算焊接变形，然后对多道焊、角焊和圆周型压力容器焊接的残余应力和变形进行了三维热弹塑性有限元分析，并得出了满意的结论。最后，又发展了以固有应变作为参数的二维和三维焊接残余应力的预测和测量方法，并且利用固有应变法分析了T型、工字形焊接截面及平板多道焊焊接接头的残余应力。最近，A Bachorski等人提出了收缩体积法的焊接变形有限元预测理论^[11-13]，该方法是一种线弹性有限元模拟技术，现在被用来预测焊接变形。90年代以来，人们开始用连续统力学的理论研究焊接问题^[14]焊接过程数值模拟虽然取得了很大进展, 但仍存在许多问题。首先在建立科学而精确的物理模型方面还需要做大量的基础性研究工作, 其次相应的模拟与检测技术也有待于向更为精确的方向发展。并行有限元是最近发展起来的, 它是现代数学与计算数学的最新研究领域, 具有严格的数学理论基础。

2.2 焊接残余应力与数值分析的有限元模拟现况

蒋文春利用有限元软件ABAQUS, 对换热器管子与管板焊接残余应力进行数值模拟,获得了焊接接头残余应力的分布规律, 比较了伸出角接头和内角接头的优劣。计算结果表明, 内角接头残余应力比伸出角接头小。最大径向应力出现在管板表面的热影响区, 对管板表面裂纹有主要影响。最大环向应力出现在焊缝根部, 对管子与管板连接失效影响较大。相邻两换热管之间, 由于后面换热管的焊接加热作用, 使前面管子焊缝局部应力值下降, 有利于降低应力腐蚀开裂的敏感性。研究结果为优化换热器管子与管板的焊接工艺、控制残余应力提供了理论依据^[5,15-19]。