CN109777942B - 超大型压力容器局部焊后热处理焊接应力与变形调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种超大型压力容器局部焊后热处理焊接应力与变形调控方法，包括以下步骤：根据不同插入件类型选择合适的分段对称热处理方案；加强结构沿焊缝切线方向垂直焊缝进行布置，并确定具体加强结构的材料、数量及尺寸；在上述步骤的基础上，通过有限元建模分析，在应力和变形水平达到工程要求后对加强结构的关键位置进行校核，并确定实际加强结构焊接方式。通过有限元建模优化，验证了采用分段对称热处理的基础上，实施强化结构对超大型压力容器局部焊后热处理焊接应力与变形得到有效调控，并提出了强化结构数量及尺寸选择的依据。本发明可对如何调控超大型压力容器局部焊后热处理焊接应力与变形提供方法指导。
Description
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，具体地说是涉及一种超大型压力容器局部焊后热处理焊接应力与变形调控方法。
背景技术
超大的、大壁厚的压力容器是由很多板拼焊而成的，厚板焊接按照规范要求对焊缝进行焊后热处理。对于小型的容器可以进行炉内整体热处理或通过人孔在容器内部点火进行热处理。对于尺寸较大的容器显然是不可能的，标准规范已不再适用，而目前还没有标准豁免热处理。根据实际情况可以进行局部热处理，是一种可行的方案。然而，对于大型容器，局部热处理的面积越大，由于高温下材料性能下降，产生的变形也会增大；实际中的插入件与筒体是不等厚度的焊接。现有的工程案例表明，对此类焊缝进行局部热处理时，由于产生过大的径向变形，厚板与薄板相连的焊缝处发生较大的角变形而存在着严重变形不协调，导致开裂现象的发生。如何调控局部焊后热处理焊接应力与变形显得格外重要，对于确保大型压力容器的完整性具有重要意义。
发明内容
基于上述技术问题，本发明提供一种超大型压力容器局部焊后热处理焊接应力与变形调控方法。
本发明所采用的技术解决方案是：
一种超大型压力容器局部焊后热处理焊接应力与变形调控方法，包括以下步骤：
(1)超大型压力容器局部焊后热处理焊接应力与变形调控
步骤1：根据不同形状的插入件类型选择合适的分段热处理方案；
步骤2：在筒体外侧沿焊缝切线方向垂直焊缝布置加强结构，并确定具体加强结构的材料、数量、尺寸及布置方式；
步骤3：在上述步骤的基础上，通过有限元建模及模拟分析，在应力和变形水平达到工程要求的合理范围内的基础上进行加强结构尺寸的优化确定；
步骤4：对加强结构的关键位置进行校核，并确定实际加强结构焊接方式；
(2)加强结构的有限元建模优化及验证
步骤5：利用三维造型软件建立筒体模型导入到ABAQUS中，配合有限元建模功能建立加强化结构的三维实体模型；
步骤6：在有限元软件中建立强化结构的Part，在装配模块中通过平移、旋转及布尔运算完成加强化结构模型的建立；
步骤7：对所建立的模型进行切块操作，切出重点研究的区域；
步骤8：将焊缝区和母材区进行分割，并选取合适的截面进行焊道的划分；
步骤9：按照模型尺寸和焊缝尺寸确定整体种子，完成整个模型网格划分，并对网格质量进行检查，不存在错误且警告值小于10％时所画网格合格；
步骤10：创建每道焊缝单元的集合；首先对整个焊缝选择一个集合命名为Weld-0，接着对每道焊缝进行命名，如Weld-1表示第一道焊缝，Weld-1-1表示第一道焊缝的第一段，以此类推，Weld-1-n表示第一道焊缝的第n段；创建热处理面集合；
步骤11：定义焊接及热处理工艺幅值曲线；
步骤12：完成上述网格划分和集合选择之后，进行温度场的计算；定义材料的材料属性以及计算温度场所需要的常量；
步骤13：建立分析步；以焊缝分为多段为例，第1个分析步为step-1，分析时间为1*10-4秒，移除weld-0；第2个分析步为step-2，分析时间为1*10-4秒，添加激活weld-1-1；第3个分析步为step-3，分析时间为焊接第一道焊缝的总时间除以第一道焊缝总的段数，进行weld-1-1的焊接模拟；如果一道焊缝有m段，则总的分析步为2N+1+m，N为焊道数，m为每条焊道的段数；
如果一道焊缝只有一段，则总的分析步为2N+1，N为焊道数，之后分析步的设置参照step-2和step-3，直至焊接模拟结束；
步骤14：焊接模拟完成后，设置添加激活强化结构以及进行热处理模拟的分析步，热处理结束后通过分析步移除强化结构，进而模拟移除强化结构的应力和变形情况；
步骤15：设置温度场的边界条件，主要包括热对流和热辐射，以得到比较精确的温度场；
步骤16：定义焊接体热流载荷，具体数值参考实际焊接热输入；
步骤17：定义模型不同区域的预定义场，具体为所模拟的初始的温度；
步骤18：检查上述步骤，提交计算模型进行计算，得到温度场后进行应力场的计算；
步骤19：对所得的应力场结果进行分析，在应力和变形水平达到工程要求后对强化结构进行校核；
步骤20：如果校核不成功，进行具体尺寸优化，直到满足工程要求；
步骤21：根据计算结果文件，提取出强化结构与筒体连接处径向应力，指导实际强化结构焊接方式。
优选的，步骤1中：通过有限元建模优化，提出对于“圆形”插入件采用六段三次分段对称热处理较优，对于“方形”插入件采用四段二次分段对称热处理较优。
优选的，步骤2中，具体加强结构的数量及尺寸通过以下方式确定：加强结构的间距采用电加热片宽度的2倍，根据间距由此确定了加强结构的数量。加强结构的高度通过有限元建模优化确定为插入板厚度的两倍加筒体厚度；由于插入板的类型不同，加强结构的长度首先确定为插入板整体最小尺寸的四分之一，通过有限元建模优化的方法确定最佳长度。
上述步骤4中：加强结构模型的建立采用三维造型软件配合有限元软件的建模功能共同实现。
优选的，步骤8中：对于有加热带且分段进行热处理的情况，先切加热带，然后通过建立辅助面的方式进行分区；切块的原则为切块后能划分出较高质量的网格；采用如下步骤：分离出重点研究的区域，对局部进行切块。
优选的，步骤19中：对强化结构进行校核时，重点关注两个位置：一、强化结构与筒体连接处径向应力，防止强化结构与筒体撕裂；二、强化结构横断面轴向应力，防止强化结构从横截面断裂。
本发明的有益技术效果是：
本发明通过有限元建模优化，提出对于“圆形”插入件采用六段三次分段对称热处理，对于“方形”插入件采用四段二次分段对称热处理，并在分段对称热处理的基础上，实施强化结构对超大型压力容器局部焊后热处理焊接应力与变形得到有效调控，且提出了筋板数量及尺寸选择依据。
本发明可对超大型压力容器局部焊后热处理焊接应力与变形调控提供方法指导，采用本发明局部焊后热处理加固方案与不加固方案相比，焊接接头的应力得到了很大程度的降低，而且径向变形降低效果明显。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：
图1为本发明实施例1和2分段热处理示意图；
图2为本发明实施例1的强化结构布置图；
图3为本发明实施例1沿插入板下部路径P1的轴向应力和径向变形曲线图；
图4为本发明实施例2的强化结构布置图；
图5为本发明实施例2沿插入板下部路径P1的轴向应力和径向变形曲线图。
具体实施方式
本发明提供的一种超大型压力容器局部焊后热处理焊接应力与变形调控方法，包括如下具体实施步骤：
(1)超大型压力容器局部焊后热处理焊接应力与变形调控方法
步骤1：对于超大型压力容器插入件可分为两大类：一类为“圆形”插入件，此类插入件形状可近似为圆形；另一类为“方形”插入件，此类插入件形状可近似为方形。两类插入件的局部热处理方式主要包括两种：一种为对整个插入件与筒体的焊缝进行整圈一次热处理；另一种为对整个插入件与筒体的焊缝进行分段对称热处理，采用分段热处理所需电功率较小且热处理温度易控制。通过有限元建模优化，提出对于“圆形”插入件采用六段三次分段对称热处理较优，对于“方形”插入件采用四段二次分段对称热处理较优。
步骤2：在分段对称热处理的基础上，实施强化结构对超大型压力容器局部焊后热处理焊接应力与变形得到有效调控，提出了加强结构数量及尺寸选择依据。加强结构沿焊缝切线方向垂直焊缝进行布置。具体加强结构的数量及尺寸通过以下方式确定：由于进行热处理采用电加热片，电加热片的尺寸规格是固定的，加强结构的间距采用电加热片宽度的2倍，根据间距由此确定了加强结构的数量。加强结构的尺寸主要包括长度、高度及厚度。根据机械加工厂库存的钢板尺寸，选用较大厚度的钢板(例如40mm)；插入件与筒体的焊接一般为不等厚焊接，插入件为厚板，筒体为薄板。加强结构的高度通过有限元建模优化确定为插入板厚度的两倍加筒体厚度；由于插入板的类型不同，加强结构的长度首先确定为插入板整体最小尺寸的四分之一，通过有限元建模优化的方法确定最佳长度。为了保证加强结构的材料及强度的匹配性，加强结构的材料和筒体一致。
步骤3：在上述步骤的基础上，通过有限元建模及模拟分析，在应力和变形水平达到工程要求的合理范围内的基础上进行加强结构尺寸的优化确定。
步骤4：对加强结构的关键位置进行校核。校核合格后根据计算结果文件，提取出加强结构与筒体连接处径向应力，指导实际加强结构焊接方式(连续焊、间断焊)。由于加强结构的两端存在应力集中，一般加强结构两端的25％采用连续焊，中间位置根据应力分布确认间断焊的间距。
(2)加强结构的有限元建模优化及验证
步骤5：利用Solidworks等三维造型软件建立筒体模型(除了没有强化结构)导入到ABAQUS有限元软件中，配合有限元软件建模功能建立加强化结构的三维实体模型。理由是利用三维造型软件可以建立完整的实体模型，但是有如下劣势：导入有限元软件的模型进行网格划分时，插入板存在过渡段，切块难度大；筒体和强化结构为一个整体，且筒体是曲面，切块工作量增加；插入板和筒体为不等厚焊接，焊缝处有余高，导致所切的块不规则，网格质量较差。两者结合可以很好的解决以上问题。
步骤6：在部件模块中绘制强化结构的布置图，建立拉伸强化结构Part。在装配模块中，对强化结构和筒体通过平移、旋转及布尔运算完成加强化结构模型的建立。
步骤7：对所建立的模型进行切块操作，切出重点研究的区域。对重点研究区域选择合适的位置分割，能够达到的效果是通过隐藏与显示功能看到焊缝截面，且对后续画网格不会产生不利影响。
步骤8：将焊缝区和母材区进行分割，并选取合适的截面进行焊道的划分。对于有加热带且分段进行热处理的情况，先切加热带，然后通过建立辅助面的方式进行分区。完成整个模型的切块，即模型的颜色为黄色或者绿色，不能出现棕色。可以采用如下技巧：分离出重点研究的区域，对局部进行切块更容易得到更高质量的网格；切块前对切块方案进行斟酌，做到瞻前顾后；切块的顺序及切块方式的选择也很重要。
步骤9：按照模型尺寸和焊缝尺寸确定整体种子，原则上尽量小，从而保证重点研究的区域网格较密，提高计算精度。完成整个模型网格划分，并对网格质量进行检查，不存在错误且警告值小于10％时所画网格合格。
步骤10：创建每道焊缝单元集合。首先对整个焊缝选择一个集合命名为Weld-0，接着对每道焊缝进行命名如Weld-1表示第一道焊缝，Weld-1-1表示第一道焊缝的第一段，以此类推，Weld-1-n表示第一道焊缝的第n段。创建热处理面集合。
步骤11：定义焊接及热处理工艺幅值曲线。
步骤12：完成上述非常关键的网格划分和集合选择之后，进行温度场的计算。定义材料的材料属性(密度、热膨胀系数、比热容、潜热、弹性、塑性、热膨胀系数等)以及计算温度场所需要的常量(玻尔兹曼常数、绝对零度)。
步骤13：建立分析步，以焊缝分为多段为例。第1个分析步为step-1，分析时间为1*10-4秒，移除weld-0；第2个分析步为step-2，分析时间为1*10-4秒，添加激活weld-1-1；第3个分析步为step-3，分析时间为焊接第一道焊缝的总时间除以第一道焊缝总的段数，进行weld-1-1的焊接模拟。如果一道焊缝有m段，则总的分析步为2N+1+m(m为每条焊道的段数)。特例，如果一道焊缝只有一段，则总的分析步为2N+1(N为焊道数)。之后分析步的设置参照step-2和step-3，直至焊接模拟结束。
步骤14：焊接模拟完成后，设置添加激活强化结构以及进行热处理模拟的分析步，热处理结束后通过分析步移除强化结构，进而模拟移除强化结构的应力和变形情况。
步骤15：设置温度场的边界条件，主要包括热对流和热辐射，以得到比较精确的温度场。
步骤16：定义焊接体热流载荷。具体数值参考实际焊接热输入。
步骤17：定义模型不同区域的预定义场，具体为所模拟的初始的温度。需要说明的是，步骤10-16不分先后顺序。
步骤18：检查上述步骤，提交计算模型进行计算。得到温度场后进行应力场的计算。
步骤19：对所得的应力场结果进行分析，在应力和变形水平达到工程要求后对强化结构进行校核。重点关注两个位置：一、强化结构与筒体连接处径向应力，防止强化结构与筒体撕裂。二、强化结构横断面轴向应力，防止强化结构从横截面断裂。
步骤20：如果校核不成功，进行具体尺寸优化(增加长度、厚度以及高度)，直到满足工程要求。
步骤21：根据计算结果文件，提取出强化结构与筒体连接处径向应力，指导实际强化结构焊接方式(连续焊、间断焊)。
下面通过附图进行补充说明：
图1为本发明实施例1和2分段热处理示意图。图1中：(a)为“圆形”插入件，此类插入件形状可近似为圆形。通过有限元建模优化，提出对于“圆形”插入件采用六段三次分段对称热处理较优，热处理的组合为分段1和分段4、分段2和分段5、分段3和分段6；(b)为“方形”插入件，此类插入件形状可近似为方形。通过有限元建模优化，提出对于“方形”插入件采用四段二次分段对称热处理较优，热处理的组合为分段1和分段3、分段2和分段4。热处理的顺序原则为：先进行上下方向，然后进行左右。
下面结合具体应用实例对本发明作进一步说明：
实施例1
如图2-3，超大型压力容器筒体厚度50mm，直径40m，插入板厚度120mm，高度约6m，宽度约4m。强化结构尺寸为长度1200mm、厚度40mm、高度300mm、间距800mm。利用数值模拟方法对大型插入板局部焊后分段热处理及其加固方案分别进行模拟，输出插入板下部路径P1的应力和变形分布如图3所示。图3(a)中纵坐标表示插入板下部路径P1的轴向应力值，横坐标表示距离焊缝两侧各125mm。图3(b)中纵坐标表示插入板下部路径P1的径向变形值，横坐标表示距离焊缝两侧各600mm。由图3(a)可以看出，本发明的局部焊后热处理加固方案与不加固方案相比，焊接接头的应力得到了很大程度的降低，加固方案的轴向应力上S33降低效果明显，由拉应力变为压应力。由图3(b)可以看出，加固方案的径向变形U1降低效果明显，最大径向变形由116mm降低到45mm，降低61.2％；未加强化结构的模型在焊缝处，厚板和薄板存在着严重的变形不协调，加强化结构后变形不协调得到了很大改善。
实施例2
如图4-5，超大型压力容器筒体厚度50mm，直径40m，插入板厚度120mm，直径约4.2m。强化结构尺寸为长度1000mm、厚度40mm、高度300mm、间距800mm。利用数值模拟方法对局部焊后热处理及其加固方案进行模拟计算，输出插入板下部路径P1的应力和变形分布如图5所示。图5(a)中纵坐标表示插入板下部路径P1的轴向应力值，横坐标表示距离焊缝两侧各125mm。图5(b)中纵坐标表示插入板下部路径P1的径向变形值，横坐标表示距离焊缝两侧各500mm。由图5(a)可以看出，本发明的局部焊后热处理加固方案与不加固方案相比，焊接接头的应力得到了很大程度的降低，加固方案的轴向应力上S33降低效果明显，由拉应力变为压应力。由图5(b)可以看出，加固方案的径向变形U1降低效果明显，最大径向变形由105mm降低到50.9mm，降低约51.5％；未加强化结构的模型在焊缝处，厚板和薄板存在着严重的变形不协调，加强化结构后变形不协调得到了很大改善。
Claims (3)
1.一种超大型压力容器局部焊后热处理焊接应力与变形调控方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)超大型压力容器局部焊后热处理焊接应力与变形调控
步骤1：根据不同形状的插入件类型选择合适的分段热处理方案；
具体地，通过有限元建模优化，对于圆形插入件采用六段三次分段对称热处理，对于方形插入件采用四段二次分段对称热处理；
步骤2：在筒体外侧沿焊缝切线方向垂直焊缝布置加强结构，并确定具体加强结构的材料、数量、尺寸及布置方式；
具体加强结构的数量及尺寸通过以下方式确定：加强结构的间距采用电加热片宽度的2倍，根据间距由此确定了加强结构的数量；加强结构的高度通过有限元建模优化确定为插入板厚度的两倍加筒体厚度；由于插入板的类型不同，加强结构的长度首先确定为插入板整体最小尺寸的四分之一，通过有限元建模优化的方法确定最佳长度；
步骤3：在上述步骤的基础上，通过有限元建模及模拟分析，在应力和变形水平达到工程要求的合理范围内的基础上进行加强结构尺寸的优化确定；
步骤4：对加强结构的关键位置进行校核，并确定实际加强结构焊接方式；
(2)加强结构的有限元建模优化及验证
步骤5：利用三维造型软件建立筒体模型导入到ABAQUS中，配合有限元建模功能建立加强化结构的三维实体模型；
步骤6：在有限元软件中建立强化结构的Part，在装配模块中通过平移、旋转及布尔运算完成加强化结构模型的建立；
步骤7：对所建立的模型进行切块操作，切出重点研究的区域；
步骤8：将焊缝区和母材区进行分割，并选取合适的截面进行焊道的划分；
步骤9：按照模型尺寸和焊缝尺寸确定整体种子，完成整个模型网格划分，并对网格质量进行检查，不存在错误且警告值小于10％时所画网格合格；
步骤10：创建每道焊缝单元的集合；首先对整个焊缝选择一个集合命名为Weld-0，接着对每道焊缝进行命名，如Weld-1表示第一道焊缝，Weld-1-1表示第一道焊缝的第一段，以此类推，Weld-1-n表示第一道焊缝的第n段；创建热处理面集合；
步骤11：定义焊接及热处理工艺幅值曲线；
步骤12：完成上述网格划分和集合选择之后，进行温度场的计算；定义材料的材料属性以及计算温度场所需要的常量；
步骤13：建立分析步；以焊缝分为多段为例，第1个分析步为step-1，分析时间为1*10-4秒，移除weld-0；第2个分析步为step-2，分析时间为1*10-4秒，添加激活weld-1-1；第3个分析步为step-3，分析时间为焊接第一道焊缝的总时间除以第一道焊缝总的段数，进行weld-1-1的焊接模拟；如果一道焊缝有m段，则总的分析步为2N+1+m，N为焊道数，m为每条焊道的段数；
如果一道焊缝只有一段，则总的分析步为2N+1，N为焊道数，之后分析步的设置参照step-2和step-3，直至焊接模拟结束；
步骤14：焊接模拟完成后，设置添加激活强化结构以及进行热处理模拟的分析步，热处理结束后通过分析步移除强化结构，进而模拟移除强化结构的应力和变形情况；
步骤15：设置温度场的边界条件，主要包括热对流和热辐射，以得到比较精确的温度场；
步骤16：定义焊接体热流载荷，具体数值参考实际焊接热输入；
步骤17：定义模型不同区域的预定义场，具体为所模拟的初始的温度；
步骤18：检查上述步骤，提交计算模型进行计算，得到温度场后进行应力场的计算；
步骤19：对所得的应力场结果进行分析，在应力和变形水平达到工程要求后对强化结构进行校核；
步骤20：如果校核不成功，进行具体尺寸优化，直到满足工程要求；
步骤21：根据计算结果文件，提取出强化结构与筒体连接处径向应力，指导实际强化结构焊接方式。
2.根据权利要求1所述的一种超大型压力容器局部焊后热处理焊接应力与变形调控方法，其特征在于，步骤8中：对于有加热带且分段进行热处理的情况，先切加热带，然后通过建立辅助面的方式进行分区；切块的原则为切块后能划分出较高质量的网格；采用如下步骤：分离出重点研究的区域，对局部进行切块。
3.根据权利要求1所述的一种超大型压力容器局部焊后热处理焊接应力与变形调控方法，其特征在于，步骤19中：对强化结构进行校核时，重点关注两个位置：一、强化结构与筒体连接处径向应力，防止强化结构与筒体撕裂；二、强化结构横断面轴向应力，防止强化结构从横截面断裂。
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