CN108723631B - 基于刚性可调拘束试验的管子焊接接头开裂机理确定方法 - Google Patents

基于刚性可调拘束试验的管子焊接接头开裂机理确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于刚性可调拘束试验的管子焊接接头开裂机理确定方法，包括以下步骤：准备母材、焊材，并加工、清理坡口；利用刚性可调拘束试验机得出与临界拘束距离相对应的临界开裂试验力Fcr；根据不同工艺条件下的临界开裂试验力，计算出不同工艺条件下产生微裂纹的临界拘束应力σ1 cr和σ2 cr；利用有限元软件模拟实际管道的焊接过程，得出焊接结束后接头上的应力最大值σmax，并分析裂纹产生机理。刚性拘束裂纹(RRC)试验核心是通过RRC试验获得钢材发生冷裂纹时的临界拘束应力σcr，然后用实际结构实测或计算得到的拘束应力σ比较。若σcr≥σ，则不产生裂纹；若σcr≤σ，则产生裂纹。使用本发明可真实地反映实际焊接接头的受力状态、拘束条件。

Description

基于刚性可调拘束试验的管子焊接接头开裂机理确定方法
技术领域
本发明涉及基于刚性可调拘束试验的焊管接头开裂机理确定方法，更加具体地说，特别是涉及一种基于刚性可调拘束试验，针对管子焊接接头，确定开裂机理的方法。
背景技术
目前我国燃煤发电量站全国发电量的80％以上，以燃煤为主的发电方式将长期存在。处于节能减排的需要，我国正在大力发展高效、洁净的超超临界火电机组，发电效率提高至44％。然而，超超临界机组蒸汽的温度和压力大大提高(蒸汽压力达到26-35MPa，温度高达610-620℃)，锅炉管道、主蒸汽管道的服役环境更加恶劣。高温管道采用焊接工艺连接，焊接过程急热急冷的特点导致焊缝中不可避免存在气孔、夹杂、裂纹、未熔合、未焊透等缺陷。超超临界机组高温管道服役环境的恶化使得对焊接缺陷更加敏感，往往在微小的焊接缺陷处发生裂纹萌生和开裂，引起重大安全生产事故。如国内多台机组发生了大面积的T23水冷壁管泄露，造成机组非计划停机，带来巨大的经济损失。经过大量的失效分析，发现发生开裂的焊接接头绝大多数为现场安装焊口。由此分析，开裂原因可能与现场焊接恶劣的条件有关，如充氩保护不足、预热不足、焊接热输入过大、拘束程度过大等，在这些不良条件下，易导致焊根处发生微裂纹，在严酷的服役环境下发生宏观裂纹的萌生和扩展。然而，以上失效原因分析并没有得到系统的试验验证。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供基于刚性可调拘束试验的管子焊接接头开裂机理确定方法，采用刚性可调拘束焊接裂纹试验机，研究充氩条件、预热温度和焊接热输入和拘束程度对焊管接头开裂机理的影响，对超超临界机组的安全经济运行具有重要的实用价值和意义。
本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：
基于刚性可调拘束试验的管子焊接接头开裂机理确定方法，按照下述步骤进行：
步骤1，准备母材与焊材，加工坡口并进行坡口清理。
在步骤1中，坡口为30°，钝边1mm，焊接时根部间隙2mm。
在步骤1中，管子施焊前应将焊口上的毛刺用挫刀、砂轮清理干净，并用不锈钢刷及丙酮或其它有机溶液将坡口面和内外面30mm以内的脏物、油漆清理干净，采用砂轮机打磨直至露出金属光泽，脱脂时间2-3小时。
步骤2，利用刚性可调拘束试验机，实现待焊接管道的带拘束焊接，按拘束距离不变原则施加截荷，保持截荷24h，如不断，再降低拘束距离，直至得出与临界拘束距离相对应的临界开裂试验力Fcr为止
在步骤2中，带拘束焊接工艺主要由两种，一是严格工艺，一是不严格工艺，严格工艺是指完全依照焊接工艺进行，不严格工艺是指没有完全依照焊接工艺进行，使用严格和不严格两种工艺用以模拟工地的现场实际焊接。
在步骤2中，带拘束焊接工艺为手工钨极氩弧焊工艺，严格工艺参数：充氩条件为8-10L/min、预热温度为190摄氏度、焊接电流为90-110A；不严格工艺参数：不进行充氩、预热温度为90摄氏度、焊接电流为120A。
步骤3，根据不同工艺条件下的临界开裂试验力，计算出不同工艺条件下产生微裂纹的临界拘束应力σ1 cr、σ2 cr，σ1 cr对应严格工艺，σ2 cr对应不严格工艺，拘束应力σcr＝Fcr/A，其中A为待焊接管道的截面积。
步骤四，利用有限元软件模拟实际管道的焊接过程，得出焊接结束后接头上的应力最大值σmax，并利用下表分析裂纹产生机理。
Figure GDA0002435973130000021
本发明提供一种基于刚性可调拘束试验的焊管接头开裂机理确定方法。刚性拘束裂纹(RRC)试验核心是通过RRC试验获得钢材发生冷裂纹时的临界拘束应力σcr，然后用实际结构实测或计算得到的拘束应力σ比较。若σcr≥σ，则不产生裂纹；若≤σ，则产生裂纹。使用本发明可真实地反映实际焊接接头的受力状态、拘束条件。
附图说明
图1是本发明实施例中进行模拟计算的管道焊接模型图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
步骤1：在进行本发明的基于刚性可调拘束试验的管子焊接接头开裂机理确定方法中，选择的母材选用T23无缝钢管，外径
Figure GDA0002435973130000033
壁厚7mm。焊材选用UNIONICr2WV，直径
Figure GDA0002435973130000034
其成分见下表。坡口为30°，钝边1mm，焊接时根部间隙2mm。管子施焊前应将焊口上的毛刺用挫刀、砂轮清理干净，并用不锈钢刷及丙酮或其它有机溶液将坡口面和内外面30mm以内的脏物、油漆清理干净，采用砂轮机打磨直至露出金属光泽，脱脂时间2-3小时。
母材(T23钢管)化学成分(wt％)
Figure GDA0002435973130000031
焊丝(UNIONICr2WV)化学成分(wt％)
Figure GDA0002435973130000032
步骤2：使用基于刚性可调拘束焊接接头裂纹试验装置(申请号2016101207018、基于可调刚性拘束的焊接接头冷裂倾向试验装置及其应用、2016年3月3日申请)，实现按拘束距离不变原则施加截荷。在一般情况下保持截荷24h，如不断，再降低拘束距离，直至得出与临界拘束距离相对应的临界开裂试验力(Fcr)为止。具体钨极氩弧焊工艺如下表—试验焊接参数。
Figure GDA0002435973130000041
步骤3，根据不同工艺条件下的临界开裂试验力，计算出不同工艺条件下产生微裂纹的临界拘束应力(σ1 cr，σ2 cr)，拘束应力σcr＝Fcr/A，其中A为管子的截面积。
步骤4，利用有限元软件模拟出实际管道的焊接过程，得出焊接结束后接头上的应力最大值σmax，并利用下表分析裂纹产生机理。
根据实际的T23水冷壁尺寸规格，简化模型只考虑中心要焊接的管子及其附近两根对称分布的管子，其他全部简化为平板，这样在考虑拘束作用的同时，也有效减少网格数，降低计算难度。取简化模型的尺寸为11305*3000mm，管子尺寸为Φ38*7mm，管子间距120mm。网格采取非均匀划分方法，考虑了焊缝区域的网格细化，最小单元尺寸0.5mm。采用顺序耦合法进行焊接热力耦合模拟，热温度场模拟选取的单元类型为DC3D8，应力场模拟选取的单元类型为C3D8R。具体模型见图1所示。本模型综合考虑焊缝尺寸等因素，选取体热源模型——双椭球热源模型，利用ABAQUS附带的DFLUX接口，将该热源模型编写成移动热源子程序，利用生死单元技术，模拟多层多道焊接过程的温度场和应力场。膜式水冷壁的焊接包括两部分：T23管的环焊缝的焊接以及T23管和鳍片的角焊缝的焊接。焊接工艺为钨极氩弧焊，焊接电流90-110A。模拟计算结束后，分析焊接应力场计算结果即可确定残余应力最大值。
T23管开裂原因分析表
Figure GDA0002435973130000042
Figure GDA0002435973130000051
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.基于刚性可调拘束试验的管子焊接接头开裂机理确定方法，其特征在于，按照下述步骤进行：
步骤1，准备母材与焊材，加工坡口并进行坡口清理；
步骤2，利用刚性可调拘束试验机，实现待焊接管道的带拘束焊接，按拘束距离不变原则施加截荷，保持截荷24h，如不断，再降低拘束距离，直至得出与临界拘束距离相对应的临界开裂试验力Fcr为止；
步骤3，根据不同工艺条件下的临界开裂试验力，计算出不同工艺条件下产生微裂纹的临界拘束应力σ1 cr、σ2 cr，σ1 cr对应严格工艺，σ2 cr对应不严格工艺，拘束应力σcr＝Fcr/A，其中A为待焊接管道的截面积；
步骤4，利用有限元软件模拟实际管道的焊接过程，得出焊接结束后接头上的应力最大值σmax，并利用下述情况分析裂纹产生机理：
(1)σmax>σ1 cr，实际焊管焊接残余应力过大，鳍板拘束应力也大，裂纹在服役前已经萌生，属于延迟裂纹；
(2)σ1 cr>σmax>σ2 cr，实际焊管产生裂纹主要归咎于焊接工艺控制不当；
(3)σmax<σ2 cr，实际焊管的裂纹产生于服役时的应力释放裂纹，即再热裂纹。
2.根据权利要求1所述的基于刚性可调拘束试验的管子焊接接头开裂机理确定方法，其特征在于，在步骤1中，坡口为30°，钝边1mm，焊接时根部间隙2mm。
3.根据权利要求1所述的基于刚性可调拘束试验的管子焊接接头开裂机理确定方法，其特征在于，在步骤1中，管子施焊前应将焊口上的毛刺用挫刀、砂轮清理干净，并用不锈钢刷及丙酮或其它有机溶液将坡口面和内外面30mm以内的脏物、油漆清理干净，采用砂轮机打磨直至露出金属光泽，脱脂时间2-3小时。
4.根据权利要求1所述的基于刚性可调拘束试验的管子焊接接头开裂机理确定方法，其特征在于，在步骤2中，带拘束焊接工艺主要由两种，一是严格工艺，一是不严格工艺，严格工艺是指完全依照焊接工艺进行，不严格工艺是指没有完全依照焊接工艺进行，使用严格和不严格两种工艺用以模拟工地的现场实际焊接。
5.根据权利要求4所述的基于刚性可调拘束试验的管子焊接接头开裂机理确定方法，其特征在于，在步骤2中，带拘束焊接工艺为手工钨极氩弧焊工艺，严格工艺参数：充氩条件为8-10L/min、预热温度为190摄氏度、焊接电流为90-110A；不严格工艺参数：不进行充氩、预热温度为90摄氏度、焊接电流为120A。
6.根据权利要求4所述的基于刚性可调拘束试验的管子焊接接头开裂机理确定方法，其特征在于，选择的母材选用T23无缝钢管，外径
Figure FDA0002435973120000021
壁厚7mm；焊材选用UNIONICr2WV，直径
Figure FDA0002435973120000022
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