焊接热源形式对13MnNiMoR钢厚板焊接残余应力数值模拟的影响

1.1研究背景

EO，即环氧乙烷，是第二大乙烯衍生产品，重要的有机化工中间体和原料，对人民生活和科技发展有着极其重要的作用。而在制备环氧乙烷EO/EG装置中，EO反应器是其中的核心设备，是一种典型的大型固定管板式厚壁换热器，在2011年，扬子石化EO反应器顺利建成之后，乙烯高端静设备首次在我国实现国产化。此前，EO反应器生产技术全被外国垄断，我国的大型EO反应器全部依赖进口。因此无论是使用国产材料制造，还是制造后的实际运行，既缺少可以借鉴的成功经验，也缺乏大量必要的支撑数据。所以需对所用材料进行科学的研究分析，获得可靠数据。其中筒体材料13MnNiMoR的厚板焊接残余应力预测与控制是难点之一。

在国产EO反应器中，其筒体材料使用国产13MnNiMoR钢，壁厚可达110mm左右，在焊接制造中属于难度很大的特厚板焊接。特厚钢板的主要焊缝形式为坡口焊，破口深，焊缝熔敷金属多，焊接热输入量大从而导致钢板焊接时焊接收缩量大，焊接变形控制难度大，而且焊接变形一旦发生，矫正非常困难[1]。但厚板焊接一定回带来较高的焊接残余应力，如果不对其进行有效的控制，在设备投入生产运行后会存在较大的安全隐患，不利于安全生产。

1.2国产13MnNiMoR 钢的主要特点

13MnNiMoR 钢是一种低合金高强钢，广泛应用于锅炉气泡，反应器等压力容器的制造。为了保证其常温以及中温性能，13MnNiMoR 钢合金元素的含量较高，有较高的淬硬倾向，在热影响区容易形成淬硬组织，在焊接时容易形成延迟冷裂纹，在焊前需预热；由于 13MnNiMoR 钢一般在中温长期工作，为了保证其热强性，需加入较多Mo、Cr、Nb 等合金元素，这些合金元素都是碳化物形成元素，在焊后进行去应力处理时，该碳化物易于在晶界偏聚，从而可能导致再热裂纹的出现 [2-10]。

13MnNiMoR 钢金相组织为：珠光体＋贝氏体，脆性转变温度 DNT＝－50 ℃，具有较好的力学性能和较高的热强性能，抗裂纹扩展性好；其合金成分中 w(Nb)＝0．005％～0．020％是保证得到细晶粒钢和良好力学性能的前提；Mn、Si、Cr、Ni 主要起固溶强化的作用，Ni 对改善低温韧性有良好的作用；Mo、Cr、Nb 能提高钢在中温长期工作的热强性；Nb 在钢中生成 Nb(CN)，在 950 ℃仅少量溶解于奥氏体，冷却时，在 700 ℃附近将在铁素体中析出高度分散的沉淀物，这种沉淀物与母材共格，产生沉淀强化，加入 w(Nb)＝0．02％可使钢的屈服强度提高 135 MPa；在 900 ℃～950 ℃正火时钢的强度提高主要是因为 Nb 细化了晶粒[11]。

13MnNiMoR 钢中加入了微量元素铌(Nb)有利于细化晶粒，提高钢的韧性和防止脆性破坏能力，有较好的工艺性和强度韧度以及良好的耐全面腐蚀性。但由于具有较高的淬硬性，且用于建造的压力容器壁厚普遍较厚，如果焊接工艺不当，很容易在焊接接头的热影响区和熔合区形成对环境开裂比较敏感的脆硬组织以及残存较大的焊接残余应力[12]。

1.3焊接残余应力

1.3.1焊接残余应力的产生