毕业设计（论文）-承压容器焊接接头残余应力测试及有限元分析

I承压容器焊接接头残余应力测试及有限元分析承压容器焊接接头残余应力测试及有限元分析摘 要承压容器是以流程性材料(气体、液体、粉粒体等)的压力为基本载荷，应用广泛但具备潜在危险泄漏和专用的特殊设备，如锅炉，压力容器（包括气瓶） ，压力管道。承压装备是在石油化工，天然气化工和煤化工加工行业的关键设备。没有安全可靠的承压装备，就不能够实现先进的流程工业。此外，一些高科技领域如航天，能源技术，先进防御技术，更离不开承压装备。承压容器向着大型化发展，以此来提高生产效率，满足国民经济发展的需要，为防止承压容器的失效事故，尤其是一些破裂事故的发生，承压容器的质量保证显得尤为主要。而承压容器质量保证的关键原因之一就是其焊接接头残余应力的处理，本文通过实际应力测量手段并和有限元仿真分析手段，先后对承压设备材料的厚板，以及承压设备焊接接头的工作应力和焊接残余应力进行了测量分析。对焊接应力的影响因素作了介绍，并对残余应力的控制做了分析和提出建议。总之通过研究我们对承压设备焊接接头的应力有更深的了解，并对承压容器消除应力的有效方式有深入分析。关键词：关键词：承压容器；残余应力；有限元；消除应力IIAbstractPressure vessel is a process of material (gas, liquid, powder, etc.) the pressure is the basic load, the application is widespread but has the potential hazardous leakage and special equipment, such as boilers, pressure vessels (including gas cylinders), pressure pipe. Pressure equipment is the key equipment in the petrochemical industry, natural gas chemical industry and coal chemical processing industry. There is no safe and reliable pressure equipment, it is not able to achieve advanced process industry. In addition, some high-tech fields such as aerospace, energy technology, advanced defense technology, more can not be separated from the pressure equipment. The pressure vessel is developing to the large-scale development, in order to improve the production efficiency, meet the needs of the national economic development, in order to prevent the failure of the pressure vessel, especially the occurrence of a number of rupture, the quality assurance of the pressure vessel is particularly important. And the key reason for the quality assurance of pressure vessel is the treatment of the residual stress of the welded joints. This paper analyzes the working stress and welding residual stress of the heavy equipment and the welding joints with the actual stress measurement and finite element simulation. The influencing factors of welding stress are introduced, and the control of residual stress is analyzed and some suggestions are put forward.In short, we have a deeper understanding of the stress of the welded joints of pressure equipment, and the effective ways to eliminate the pressure vessel is analyzed.Keywords: Pressure vessel; residual stress; finite element; eliminating stress承压容器焊接接头残余应力测试及有限元分析III目 录承压容器焊接接头残余应力测试及有限元分析.I摘 要.IABSTRACT.II目 录.III1 绪论 .11.1 研究背景与意义 .11.2 国内外研究现状 .21.2.1 国外研究.21.2.2 国内研究.41.3 研究思路与方法 .71.4 研究的创新之处 .72 理论基础 .92.1 承压容器介绍 .92.2 焊接应力与检测方法理论 .102.3 有限元分析法介绍 .132.4 承压容器的焊接管理 .142.5 焊接结构的有限元分析理论 .163 承压板材焊接热处理试验分析 .193.1 焊接接头试验样本制作 .193.2 样本的热处理试验 .193.2.1 试验目的.193.2.2 试验设备.203. 2.3 热处理方案.203.3 样本接头残余应力测量 .203.3.1 盲孔法测残余应力.203.3.2 试验条件.213.3.3 贴片位置选择.243.3.4 试验结果记录.253.3.5 结果分析.263.4 对厚板焊接的变形与残余应力有限元分析 .274 锅炉承压容器的焊接接头残余应力研究 .324.1 焊接接头残余应力测试 .334.1.1 焊接接头的制备.344.1.2 焊接残余应力测试.35承压容器焊接接头残余应力测试及有限元分析IV4.1.3 残余应力测试结果与有限元结果的比较.354.2 焊接接头残余应力有限元分析 .354.2.1 有限元模型.354.2.2 载荷与边界条件 .364.3 结果分析与讨论 .364.4 热处理残余后焊接接头等效应力分布 .385 锅炉压容器的焊接应力的消除方式 .395.1 减少焊接残余应力的方法 .395.1.1 减少焊接应力的设计措施 .395.1.2 减少焊接应力的工艺措施.395.2 焊后消除残余应力的必需性与方法 .405.2.1 整体焊后热处理.405.2.2 局部焊后热处理.405.2.3 温差拉伸法.415.2.4 液压超压消应法.415.2.5 振动法.415.2.6 爆炸冲击法.425.3 施焊过程控制 .425.3.1 焊前控制.425.3.2 焊接过程中控制.435.3.3 焊后控制.436 结论 .43参考文献.45致谢.47承压容器焊接接头残余应力测试及有限元分析11 绪论1.1 研究背景与意义压力容器作为特种设备，应用越来越广泛，它在石油、化学、有机合成等行业的发展中起着重要的作用。为满足国民经济发展的需要，现在这类设备发展迅速，实际生产效率也较高。不过这类设备也存在一定的危险性，如果保管或使用不当引起爆炸，那么结果不仅是损害设备，还往往会波及周边的事物，甚至是人类，这样的危险事情在现实生活中也多次发生。因此，压力容器的制造需要加强检验，严控质量，保证压力容器的安全性。压力容器制造的过程中，有一个重要的工艺就是焊接工艺，我们以压力容器中的锅炉举例来展现焊接工艺在压力容器结构中的应用，如锅炉的开孔结构、接管结构、支座结构、封头结构等。所有这类结构中都有焊接技术的运用，同时焊接件存在的不足也都会在这些件上体现，如焊接残余应力，此应力容易引起焊接件的裂纹，是较大的危险诱因。而此类应力较为集中存在的地方就是接头附近区域，所以开展压力容器焊接接头的焊接残余应力研究有助于优化焊接工艺和设计方案，对于压力容器的安全性能也是一种保障。现在压力容器的采用了不少新的材质，整体上行业的发展也越来越迅速，这就对制造中的焊接要求变得更严。一些复杂的焊接件需要在高压、高温等条件下运用，因此其安全性控制显得更为重要。实际生活中，一些压力容器的损害也往往是焊接之处，当然这是因为焊接接头中的残余应力，所以进行焊接接头中残余应力分析的工作显得比较重要。压力容器的热处理是降低焊接接头残余应力，改善接头组织，保证焊接产品质量的有效处理方式。为此国家相关委员会颁布了相关热处理的意见征求稿，给出了不同直径与厚度板材下的热处理工艺，相关焊接件的热处理工艺相对研究较多，而以压力容器中锅炉为重点研究对象，采用有限元进行分析，并提出相应去残余应力的方法，具有重要意义。承压容器焊接接头残余应力测试及有限元分析21.2 国内外研究现状1.2.1 国外研究左右工程机械寿命的一个主要原因就是焊接构件的质量问题，存在焊接技术不成熟或焊接过程有弊病，导致构件质量达不到要求构件的焊接部位在使用的过程中容易发生破坏，从而影响设备寿命。通过计算焊接接头的疲劳寿命预测能够预先知道焊接接头的寿命，从而保证产品的运行的安全性。BS标准和IIW标准提供了各种焊接接头的疲劳等级和相应的S-N曲线，这些数据都是建立在大量的试验基础上得出的，通过采用BS标准和IIW标准能够大大减少试验所需的资金和时间。本文采用BS标准和IIW标准提供了各种接头的疲劳等级和相应的S-N曲线，然后选定相应的焊接接头形式，并根据该焊接接头形式需要采用的工艺以及测试所得到的应力谱能够计算出该接头的疲劳寿命，根据工艺要求和DIN6700标准制订出相应的焊接工艺。 基于BSI焊接接头的疲劳寿命估算，BSI标准是由英国标准学会制定的钢结构疲劳设计与评估标准，将接头形式分为12个不一样的形式。12个接头形式分别是：没有焊接的普通材料；螺栓连接或铆接，拼接或搭接接头；紧固件与受接合部件；基本平行于工作应力方向的连续焊接件；在受力构件表面或边缘的焊接件；共面钢板间的完全熔透对接焊件；型钢于管件的横向对接焊；非共面钢板间的承载角焊接头与T型对接接头；插接并且穿透受力不见得接头；圆形官状构件；结缝焊缝；分支焊接接头。在每一种接头类型中分别作了详细的分类，并提到了具体的产品形式、潜在裂纹初始位置、尺寸要求、加工要求、特殊检验要求、设计应力面积、类型编号、级别和图形等数据。 如在设计焊接接头时，选用BSI标准，则可根据焊接接头的形式在标准中选择对应的焊接接头，按照BSI设计要求设计焊接接头，其接头的疲劳等级符合设计标准。在BSI标准中，将疲劳等级分为B、C、D、E、F、F2、G、W、S和T级，每一等级对应一条S-N曲线。确定焊接接头的形式后，就需要对焊接接头进行疲劳试验，并给出响应的应力谱，然后根据公式确定比值，最后根据迈纳尔损伤累计公式就能够计算出该焊接接头疲劳寿命。 基于IIW标准焊接接头的疲劳寿命估算，IIW标准是针对钢和铝合金而制订承压容器焊接接头残余应力测试及有限元分析3的疲劳设计标准，是由国际焊接学会制定的焊接标准。在IIW标准中将所有的接头形式分成9类：非焊接构件；对接焊缝、横向承载；纵向承载焊缝；十字连接或T 形连接；非承载附件；搭接接头；加强板；法兰、分支和管接头；管接接头。每一种接头的工艺、尺寸等不相同，因此接头的疲劳等级也是不一样的。通过疲劳等级能够得到该接头对应的S-N曲线。虽然通过S-N曲线以及应力谱就能够得到该接头的疲劳寿命，焊接构件接头寿命能够通过S-N曲线以及应力谱反应出来，N值能够通过计算公式N=C/m而得出,构件在施工过程中的损伤Di能够通过计算应力频率与N值而得出，将这些损伤累加得到该接头的损伤D=Di，由接头损伤的倒数与损伤发生的里程数得到该接头预测的疲劳寿命L=（1/Di）dLl。 德国的DIN6700标准主要针对铁道机车车辆制造中制定的焊接标准，包括焊接连接接缝形式、铁道机车车辆及部件维修时焊接作业的规定等等。本文，主要引用了焊接接缝形式根据BSI和IIW标准选择的接头形式，在DIN6700中选择相应的坡口形式，包括坡口、尺寸、材料厚度、坡口角度、间隙等数据。根据选择的接缝形式、材料厚度、坡口角度、间隙来选择相应的焊接工艺。实际运用DIN6700标准时，首先要设计合理的坡口形式，然后根据制造厂的焊接工艺数据库得出该接头的焊接工艺。进入疲劳估算界面后，能够将该结构的载荷谱读入数据库中，根据载荷谱就能够得到接头的雨流图。本文提出了采用BS、IIW和DIN6700标准来设计焊接接头的形式及工艺，实现了焊接接头疲劳寿命估算和工艺设计的一体化。提高了产品的焊接工艺设计效率，提高了接头的安全性。焊接生产中,应力变形问题成为人们关注的头等难题，对残余应力与变形进行研究所涵盖的内容相对比较广泛，焊接过程中动态应力应变研究、焊接过程中残余应力研究、焊接过程中残余应力产生时的改善办法分析。1986年,法国学者Leblond发展了一种用于焊接技术的软件（sysweld）这款软件能够建立焊接过程模型，模拟焊接的实施过程，还能对焊接过程中的传热问题进行分析研究。国外对于焊接方面的技术研究大多是使用的有限元技术对焊接的过程进行程序化系统化仿真模拟，这种仿真模型技术对构件焊接过程中的应力场与热力场的变化以及分布有所展现。这种分析手段所得出的结果相对较抽象，具有瞬时性。承压容器焊接接头残余应力测试及有限元分析4美国MIT的K Masubuchi教授在焊接残余应力和变形以及焊接结构分析方面也有深入的研究。1.2.2 国内研究我国在焊接技术方面的学术研究相对国外起步较晚，对焊接技术的模型建立与焊接数值的技术处理起步于20世纪八十年代。我国的有些高等院校对接热弹塑性方面展开了分析研究。上海交通大学的部分学者通过三维的热弹性有限元法从压力容器上构件焊接中得出的数据进行分析讨论。长江大学张锦州等人利用ysweld软件对16MnR锅炉压力容器用钢的窄间隙焊进行了残余应力的数值模拟，在本次数值模拟中通过模拟过程中得出的数据分析而得到了焊后残余应力的集中区域，焊缝与热影响区的交界处的焊后残余应力最为集中。南京工业大学的部分学者对多道间断焊方法下的T型接头的焊接过程在进行了系统化数据模拟，对焊缝单元内部热生成进行模拟将得出的结论施加到焊缝上，使用单元生死技术模拟了焊接时候的多层多道焊接，从而能够将T型接头间断焊接焊接过程所产生的的残余应力分布情况得出结论。西安理工大学的部分学者对马鞍在具有多个接管的压力容器上的焊接过程进行了数值模拟，同样依据有限元理论，将应力应变场对温度场的作用忽略掉之后在再运用弱耦合算法，得出了焊接顺序对焊接过程温度的作用。张祥等人对压力容器外壳，多层次的平面密封焊头进行了数值模拟残余应力的研究，得到了焊缝对称焊接残余应力的规律布局。上海交通大学做了许多根据粘弹塑性理论和粘弹塑性有限元法来研究焊后热处理原则的试验，焊后热处理中加热区、均热区及保温区宽度是需要控制的参数，汪建华等人测试了很多关于粘弹塑性理论的研究参考对局部择后热处理评定准则，总结了两种判断原则，一是根据残余应力消除效果的直接判断原则，在局部热处理情况下，找到一个加热宽度，此时作为临界加热宽度，均匀整体热处理与得到的焊接应力消除效果能相当。二是，根据优化焊接接头性能的均热区温差的判断原则，得到均热区温差主要能影响焊接接头性能，并与板厚有关系。承压容器焊接接头残余应力测试及有限元分析5从应力释放角度出发的陆白告采用粘弹塑性有限元法得到了耐热钢管的焊接接头局部热处的许多有效加热环境，并研究出了合理加热宽度。将更加准确描述接头在热处理温度下的力学特性的粘塑形应力、应变关系首次应用到焊后热处理的定量评价中的是南航的陈勇等人，考虑进来了以往弹塑性本构方程无法将热处理过程中保温阶段热应力变化原因的不足。 国内外对于压力容器的焊后热处理方法有三种，局部焊后热处理和整体焊后热处理以及机械法消除，根据加热炉炉腾内容积的大小整体焊后热处理，可进行整体炉外和整体炉内加热待热处理工件，其中今年发展的远红外线辐射电加热法、燃气法和燃油法以及热风法、电阻丝加热法都是常见整体炉外热处理的技术手段。实际生产中目前用的最多的是局部焊后热处理，主要是合理设计升温速率及保温时间，保证加热带的足够加热宽度等等，来达到热处理效果，局部热处理方法依然存在隔板加热、远红外线辐射加热、电阻丝加热等方式，其中的隔板加热是在筒状容器的焊缝加热部分两端安装隔板保温墙，与热源和要处理的焊接接头组合一个短暂性加热电阻炉，经过辐射换热和对流换热功能，热量就逐步由内向外传递，来加热焊接接头区域以此来抵消内应力。电阻丝加热却大量采用的是将电阻丝缠绕在要进行热处理的焊缝处通电，这种手段一来能够从压力容器外表面加热焊缝二来还能将工件加热到焊缝，也能够将电阻丝安置在容器的内部，需要进行热处理的焊缝，例如环焊缝区域，振动方法主要是两侧进行保温隔离，构成密闭的加热空间来机械消应力，如振动时效（在构件上加激振力，强迫工件与激振器发生共振，以此达到强化金属集体，来降低应力的峰值，均匀应力的效果。对振动时效来说，能够有效的下降应力集中区域的应力峰值，消除效果能够使得应力值降低，有时却能够达到甚至更高。低应力区消除的效果要比高应力区消除的效果小。残余应力测量目前可分两种：机械释放测量和无损测量，前者是从构件中切割或者分离出來具有残余应力的部件，使得应力得到释放，由释放出的应变来算应力。主要有分割切条法、钻孔法（盲孔与通孔） 、环芯法等，主要利用工件自身的物理特性来检测的是无损检测，有中子衍射、射线衍射法、射线法、磁性法、超声法以及扫描电子声显微镜方法等。超声法和射线法发展较成熟。承压容器焊接接头残余应力测试及有限元分析6钻孔法最早由美国提出，后来逐渐发展完善起来了，形成了比较成熟的理论体系。钻孔方法测残余应力的标准表现为若被测构件中存在残余应力场，或构件外部存在外加的载荷，在构件的表面一点钻一个小孔，小孔破坏了原來的应力场的平衡，因小孔的出现使得原来的小孔区域的应力松弛，相应的则会有应变的释放，将能够感知钻孔带来的应变变化的电阻应变片粘帖在小孔周围，确定小孔点的应力状态能够通过测定三个方向的应变释放值。如果残余应力越大，应变栅极能感知的释放应变就越大。对于厚度大的板或体型构件，能够采用盲孔法，其计算公式和操作方法与上述相同，钻孔深度应大于钻孔直径，求得的残余应力是盲孔深度的平均值。小孔法引发构件损伤，孔周围的材料屈服，基于该法的特点，近年来，电子散斑法，全息法，云纹光学测量方法，也得到发展。关于云纹法测量残余应力的工作由清华大学的戴福隆等人涉及，提出一种替换的方法，即用云纹干涉位移，而不是电阻应变计门测得的应变，从而利用有限元方法来确定残余应力，建立了残余应力和位移的关系云纹干涉便携式钻井系统的发展可以测量的残余应力场。张亦良等人现场用射线法测量了乙烯球罐上焊缝的残余应力，该法在操作时至关主要的是能否找到衍射面，表面应力的测量在表面进行即可，而想要对内部或更深度的应力进行测量就要剥离工件，这就决定了其在大型构件上应用空间的局限。焊接是压力容器及管道制造过程中最主要的加工工艺，经验表明产品实际运行过程中，大部分时效事故是由承压设备燥缝的失效引起的，对一些新的焊接材料和焊接工艺的开发，都要进行海量的实际探索性试验，时间、人力和物力的成本都很高，随着计算机技术的快速发展，国内外学者越来越重视焊接数值模拟试验分析技术，国内外对焊接模拟仿真的研究也不相同。其中焊接馆池温度场、残余应力及焊接变形和流场数值模拟技术数值模拟是非常主要的领域。西安交通大学和上海交通大学在焊接热弹塑性理论分析及数值分析上做了很多研究，像上海交通大学的汪建华等人采用了三维的热弹性有限元法对压力容器上的管板焊接进行了数值分析，而长江大学张锦州等学者利用软件对锅炉承压容器焊接接头残余应力测试及有限元分析7压力容器用钢的窄间隙焊进行了残余应力的数值模拟，找到了焊后最集中残余应力的区域，结果显示为热影响区与焊缝的交界处。南京工业大学的薛小龙等学者对多道间断焊的方法下的型接头进行了数值模拟，通过假定焊缝单元的内部热量生成来施加到焊缝上，模拟了焊接时的多层多道焊接，得出了型接头间断焊接的残余应力的分布情况。西安理工大学的陈陆阳等学者采用弹塑性的有限元理论和生死单元技术对具有多个接管的核压力容器上的马鞍形焊缝进行焊接残余应力数值模拟，不考虑应力应变场对温度场的作用，采用了弱耦合算法，结果显示，焊接顺序对各个接管的温度场产生的影响。张样等人对平封头上的多级焊缝与压力容器壳体进行了残余应力的模拟研究， ，得到了焊接残余应力关于焊缝对称分布的特征规律的结论。数值模拟的主要内容有焊接热传导分析，焊接溶池流体动力学，电弧物理现象，焊接应力及变形以及焊接接头的力学行为。一些特殊的焊接过程如陶瓷金属连接、电阻点焊、激光焊接也是近年来学者们涉及的研究领域。但是发展数值模拟技术更应该重视试验验证的工作，对于目前存在的问题，主要是一些新型材料不断涌现，越来越复杂的焊接结构也越来越多，接头形式也不局限于一般的接头形式，也应该重视高温下材料的参数和性能对焊接数值模拟技术的问题。1.3 研究思路与方法本文首先按照承压容器材质制作一套焊接样件，并对其进行焊接应力分析，然后对焊接接头的应力、应变等进行研究，再对其建模进行有限元分析。然后选取承压容器中的锅炉进行同样分析，先对锅炉焊接缝进行应力分析，然后建模进行有限元分析，最终通过分析获得应力的消除方式，以及最佳应力状态。本文通过理论与试验模拟相结合的方法对承压容器的焊接残余应力进行测试和有限元分析，并将试验测得的结果与数值模拟的结果进行对比。先对厚板进行模拟局部焊后热处理试验，在试验过程中测量其热处理前后的应力分布情况。后对承压容器的焊缝应力进行试验测量，得出分布规律。利用ANSYS有限元软件来模拟承压容器，得到了焊接接头残余应力的分布规律。承压容器焊接接头残余应力测试及有限元分析81.4 研究的创新之处国内外的学者对承压容器都做了很多研究，对不一样厚度板材的热处理工艺也做过分析。但很少进行实际的残余应力消除效果试验，来判定热处理工艺。另外也很少对其它消除残余应力的方式进行研究，因此理顺焊后消除残余应力的有效方式是非常有实际研究意义的。综上，能够开展基于残余应力消除效果的板热处理试验，获得相关应力与板材厚度、焊缝宽度的关系。对承压设备的焊接接头进行生产现场的应力测试也能够为装备制造过程中的质量保证环节提供经验。对承压容器的焊接残余应力研究及有限元分析对今后关于承压容器焊接接头的研究，尤其是厚板的研究，有重大的科研意义，同时，也对焊接接头的施工工艺及设计尺寸等提供工程借鉴。通过压容器的焊接残余应力研究及有限元分析对得出焊后焊缝应力的分布，为以后的工作提供借鉴，同时提高了能源的利用率，减少能源的浪费。总之，本文会对影响承压容器焊接应力的原因进行分析，并最终为承压容器的焊接应力的消除提出对策。承压容器焊接接头残余应力测试及有限元分析92 理论基础2.1 承压容器介绍承压容器的现状以及发展趋势，承压容器是以流程性材料(粉粒体、液体、气体等)的压力为基本载荷、应用广泛并且具有潜在泄漏和爆炸危险的特种设备，如压力管道、压力容器(含气瓶)、锅炉等。承压设备是煤化工、天然气化工和石油化工等过程工业的关键设备。如果没有安全可靠的承压设备，那就不可能有先进的工业。此外，一些高新技术的领域，如先进防御技术、能源技术、航空航天技术等，也离不开安全可靠的承压设备。因此，开展承压设备的研究对国家安全、人民生命财产安全、经济发展和社会稳定都具有主要意义。随着科学技术的飞速发展，压力容器也出现了新的发展趋势。 （1）大型化与小型承压设备相比而言，大型承压设备不但生产效率高，而且具有制造成本低、运行和维修费用低、占地面积小等优点。但是大型承压设备的投资巨大，介质的储存量大，一旦发生泄漏、爆炸等大型事故，将会造成人员大量伤亡、严重的环境污染和重大的经济损失，因此要求确保大型承压设备长寿命、长周期地安全可靠运行非常必需。 （2）应用越来越广的能源技术和资源环境技术、先进制造与自动化技术、新材料、生物和现代农业技术、信息技术等高新技术是国家高技术研究发展计划(863计划)确定的6个高技术领域。这些研究领域大都与承压设备学科有着紧密的关系。 （3）标准全球化为使安全可靠的运行承压设备，承压设备的设计、制造、检验必须满足安全技术规范的要求。为促进承压设备在欧盟范围内自由贸易，消除贸易技术壁垒，在工业领域内尽可能广泛实施统一的技术法规，在相互标准认可的基础上，实现全球自由贸易的承压设备产品。 （4）对承压设备防止突发爆炸事故提出更高的要求。近年来，刑事犯罪呈现出职业化、智能化、动态化和组织化的发展趋势。 为了防止突发性的爆炸事故，给压力容器的设计制造提出了新的要求。 （5）安全可靠性要求越来越高，大多数承压设备是大型化连续生产，停产能够造成巨大的经济损失。此外，承压设备的服役条件千差万别，有高温、深冷、低温; 有强酸、强碱、剧毒、易燃和易爆介质; 有超高压、高压、中压、低压和真空等，因而一旦发生泄漏承压容器焊接接头残余应力测试及有限元分析10或爆炸事故，不仅会造成经济损失，而且还会造成严重的环境污染。2.2 焊接应力与检测方法理论焊接变形和残余应力的存在是影响构件或结构脆性断裂强度、结构稳定性、疲劳强度等的主要原因。就管道结构而言，导致管道发生应力腐蚀开裂的主要原因之一是在内表面存在的拉伸残余应力。（1）应力概念根据提出的德国学者马赫劳赫提出的分类，应力应分为三类：第一类内应力存在于材料中的内部较大面积，并保持内应力在每个部分的平衡。当应力平衡和对象的平衡的第一时刻内的内部类被破坏，对象将产生宏观尺寸变化。第2类内部应力应力存在于小范围（晶粒或晶粒内部区域） 。内的3类应力存在于内部应力的一个非常小的范围内（几原子间距离） 。 通常所说的残余应力在工程上就是第1类内应力。到现在，最为完善的是第1类内应力的测量技术，他们对构件质量和材料性能的影响也研究得颇为透彻。除了这样分类的方法，工程界也按产生残余应力的工艺过程来归类和命名，例如磨削应力、喷丸应力、热处理应力、铸造应力、焊接应力等等，而且一般指的都是第1类内应力。（2）应力作用大型机械构件和机械零部件中的残余应力对其使用寿命、尺寸稳定性、抗应力腐蚀能力和疲劳强度有着十分主要的影响。分布合理的、适当的残余压应力可能成为提高抗应力腐蚀能力、提高疲劳强度，从而延长零件和构件的使用寿命的原因；而不恰当的残余应力则会失去尺寸精度，产生应力腐蚀、甚至导致变形、开裂，降低疲劳强度等早期失效事故。（3）应力的产生在机械制造中，各种工艺都会产生残余应力。但是，从本质上讲，残余应力的原因为：1.不均匀的塑性变形；2.不均匀的温度变化；承压容器焊接接头残余应力测试及有限元分析113.不均匀的相变（4）应力的调整针对工件的服役条件，采取一定工艺措施，消除或降低性能不利的残余拉应力，有时引入有益的残余压应力的分布，这是残余应力调整问题。通常调整残余应力的方法有： 自然时效把置于室外的构件，经温度、气候的反复变化，在温度应力的作用下，尺寸精度获得稳定，使残余应力松弛。一般认为，经过一年的自然时效的工件，残余应力仅下降2%10%，但较大地提高了工件的松弛刚度，因而工件的尺寸稳定性很好。但由于时效的时间过长，则一般不采用。 热时效热时效是传统的时效方法，利用热处理中的退火技术，将工件加热到500650进行较长时间的保温后再缓慢冷却至室温。在热作用下通过原子扩散及塑性变形使内应力消除。从理论上讲采用热时效，只要退火时间和温度适宜，应力可完全消除。但在实际生产中通常能够消除残余应力的7080%，但是它有工件材料表面氧化、硬度及机械性能下降等缺陷。 振动时效振动时效是工件在激振器所施加的周期性外力的作用下产生的共振，松弛残余应力，获得尺寸精度稳定性。也就在机械作用下，构件产生了局部的塑性变形，从而残余应力得到了释放，达到了调整和降低残余应力的目的。其特点是处理时间短、适用范围广、能源消耗少、设备投资小，操作简便，因此振动时效在70年代从发达国家引进后在国内被大力推广。 静态过载法 以静力矩或静力的形式，暂时加载于构件之上，并且在这种载荷下保持了一段时间，从而使零件的尺寸精度获得稳定的时效方法称为静态过载法。用于焊接件时需要将载荷加大到使原来应力与附加应力之和接近于材料的屈服极限，消除残余应力。静态过载法的精度稳定性效果，取决于应力下保持时间及附加应力的大小。特别指出，静态过载法处理后构件中仍然保持着相当大的残余应力。承压容器焊接接头残余应力测试及有限元分析12 热冲击时效法一种新颖的稳定的工件尺寸精度的时效工艺法在1970年前后出现。其实质就是快速加热工件，加热过程中的热应力刚好与残余应力叠加，超过材料的屈服极限造成塑性变形，从而使原始残余应力飞快松弛并趋于稳定化。 超声波时效法前苏联首创超声波时效法，并得到发达国家的推广，该方法起先应用于航空航天、核潜艇、船舶等对消除应力极度严格的军事领域。（5）应力检测方法检验工件中残余应力是否得以消除和均化，实际上就是检测振动时的效果，目前总的分为两大类对残余应力的测试方法。一类就是定量测量：如套环法、切割法、喷砂打孔法、磁测法、X射线法、盲孔法等；另一类则是定性测试：如尺寸精度稳定性法、振动参数曲线法等。 振动参数曲线法一个振动时效工艺能否成功，其尺寸精度保持性的测试和残余应力的变化率应是最后的检测方法。但在振动处理的过程中不可能采用上述两种参数，它需要复杂和长时间的测试过程。通常在实际生产应用的控制过程中往往采用振动时效前后幅频特性参数曲线和振幅时间参数曲线测试法，并按JB/T5926-91标准中第4.1条款或JB/T10375-2002标准中的第6.2条款验收来实现。A、幅频特性曲线扫描法随着残余应力在振动处理过程中的下降，构件的内阻尼减少，因此在幅频特性曲线上固有频率下降，共振峰增高并且频带变窄。B、振幅-时间曲线监测法幅-频特性曲线是在振动处理的前后进行的，且频率在不断的改变。有时为了获得更好的曲线还需要将激振力调到最小（偏心最小的档级） 。采用频率不变的同时画出振幅随时间变化的曲线。这种方法既能够通过振幅的变化来控制振动处理的有效时间，又可通过振幅的变化量来检测残余应力的变化情况。 盲孔法较为广泛应用的测试残余应力的方法是钻盲孔法。是在被测点上钻一个小孔，使得被测点的应力部分或全部释放，释放的应变量由事先贴在小孔周围的承压容器焊接接头残余应力测试及有限元分析13应变计测得，残余应力根据弹性力学的原理计算出来。这种是具有较好的精度方法，因此它已成为应用比较广泛的残余应力测试方法。 尺寸精度稳定法根据定期对构件尺寸精度的测量来实现的是尺寸精度稳定法。它包括两个方面的内容：一方面是观测构件的尺寸精度随时间的变化量，与精度允差或热时效相比较；另一方面则是同样与传统工艺（热时效）相比，要观察构件在静、动载荷作用后的尺寸精度的变化量，以鉴定振动时效的工艺可行性。2.3 有限元分析法介绍ANSYS公司的软件是大型通用有限元分析软件，它融声学、电磁、流体、热、结构于一体，可广泛应用于国防军工、铁道、石油化工、生物医学、机械制造、造船、汽车交通、核工业、电子、轻工、能源、航空航天、土木工程、地矿、日用家电、水利等工业及科学的研究。该软件提供了不断改进的功能，具体包括: 计算流体动力分析设计优化、电磁分析、结构高度非线性分析、有限转动功能、大应变、自适应网格划分、接触分析以及利用ANSYS参数设计语言(APDL)的扩展宏命令的功能。Motif的菜单系统使用户能够通过下拉式菜单、子菜单和对话框进行数据的输入和功能的选择，方便了用户的操作。在产品设计上，用户使用ANSYS有限元软件能够对产品的性能进行仿真的分析，找出产品问题，降低设计的成本，缩短设计的周期，提高设计成功率。是现代产品设计中众多高版本的CAD/CAE软件之一。 ANSYS有限元分析软件具有强大的功能，其技术特点为： 能唯一实现独特的多领域，多场耦合分析软件；统一数据库的一体化大型FEA分析软件是唯一能实现前后处理、求解及多场的分析；FEA是唯一具有多物理场优化功能的软件；唯一具有中文界面的有限元分析软件；具有使用于不一样的问题和硬件配置的多种求解器；具有强大的非线性分析功能；支持异种异构功能网络浮动，在异构、异种平台上支持界面的统一，数据文件的通用；强大的并行计算功能，支持共享内存式并行和分布式并行；多种用户的网格划分技术；完善用户开发环境的同时，ANSYS软件拥有完善和丰富多彩的单元库、求解器和材料模型库，保证它能高效地求解各类别结构的振动、线性、静力、动力和非有限元法、承压容器焊接接头残余应力测试及有限元分析14ANSYS及其二次开发技术的线性问题，瞬态和稳态热分析及热结构耦合问题，不可压缩和压缩的流体问题。其友好的程序结构和图形界面，交互式的图形软件和前后处理，用户在实际工程问题中大大地减轻了创建模型、有限元求解以及对结果的分析和评价的工作量。统一集中式的数据库有效可靠的集成了各模块，并实现了友好连接多个CAD/CAF软件。 例如：ANSYS疲劳分析。投放市场后的企业产品，在耐久性方面如果出现问题许多新产品将会失去竞争力，为企业带来经济损失，同时又使企业蒙受巨大的负面影响。在我国，由于可靠性与疲劳耐久性不过关造成的产品问题的现象更是普遍存在，在国际上国产产品缺乏竞争力。在国际上，每年因结构疲劳，大量产品在有效寿命内报废，恶性事故因疲劳破坏也时有出现。据不完全统计，早期欧洲每年断裂造成的损失多达800亿欧元，而早期美国每年断裂造成的损失高达1190亿美元，其中由于疲劳引起的断裂率占95%。而通过应用疲劳耐久性分析技术，是能够避免其中50%的，因此许多企业产品质量控制的主要指标定为疲劳耐久性。 在传统的设计中，在概念或详细设计阶段设计人员估计产品的寿命通常使用简单而不真实的计算来，而通过一定量物理样机的耐久试验才能得到估计寿命的验证，不但耗资巨大、试验周期长，而且也不可能在试验中得出许多相关参数与失效的定量关系，许多偶然原因可能影响试验结论。因此产品设计人员越来越关注对于产品疲劳寿命的仿真分析方法。可在制造之前用ANSYS进行疲劳分析和优化设计物理样机，真实、准确地预测产品的寿命，实现了等寿命周期的设计。设计阶段的耐久性分析能够缩短产品推向市场的时间、大幅提高产品可靠性，极大地降低了进行耐久性试验和制造物理样机所带来的大额研发费用。2.4 承压容器的焊接管理压力容器，尤其多为焊接结构的大型石化装备，因不可整体成型制造，其基本都为全焊透接头形式，一次整体的热处理则会消耗掉大量的物力、人力。应该从母材自身的热物理性能、容器的用途及厚度，等各个方面来综合考虑。承压设备如果符合下列状态的应该进行焊后热处理。承压容器焊接接头残余应力测试及有限元分析15(1)一些容器运行在强酸腐蚀、高压、高温等条件苛刻的工况下、还有一些在低温环境中工作的容器，低温韧性脆转变性能可能发生脆性断裂事故，工作中其它一些容器会承受交变载荷或者单向载荷，接头内部方向及应力幅值可通过热处理改变，避免拉伸载荷扩展裂纹。(2)容器壳体达到一定厚度值，沿厚度方向的残余应力必然存在于具有超厚板材的容器焊接接头，接头处的三轴应力状态，也要对其进行热处理。(3)某些压力容器后期还要在焊接部位安装各种部件，这就要求为经过焊接后结构尺寸不能发生很大变化，否则装配和安装会有误差，这类容器增加结构的稳定性需要经过焊后热处理，保证与原有尺寸不偏离。(4)在容器的制造过程中，在选择母材上不可能完全正确，有时候在焊接一些指定的母材材料时，由高温的熔池冷却到常温的焊道，由于母材本身的热物理性能有差别，冷却速度较快，焊道中的微观组织就较硬，就像淬火过程中较硬的马氏体组织。这类容器改善组织结构必然要进行焊接热处理。(5)一些承压设备不仅在腐蚀介质中工作，还会在压力作用下工作，实际生产经验表明影响压力容器安全运行的原因是应力腐蚀开裂。(6)特制的一些承压设备，专门做了焊后热处理的规定，应严格执行。在钢制焊接压力容器中，特别是厚板接头，其焊道数达到了几十层，接头承受的温度场比较复杂，产生的焊接残余应力有可能远远的超过母材的屈服强度，因此超厚板材的焊接，是否选择合适的热处理工艺就意味着是否能达到最理想的热处理效果。国内目前还没有专用的焊后热处理标准对于承压类特种设备，多为参照设备制造、安装标准中所使用的热处理工艺规定进行。而压力管道制造和国内承压设备和安装标准中只规定了焊后热处理工艺中的升降温速度、时间、热处理温度等要素，对热处理过程并没有做详细说明，如保温棉厚度、加热器面积及功率、热处理设备功率、热电偶型号、测温点布置等。局部焊接热绝缘区之后确定类设备进行压力焊接接头，处理加热区和基材厚度之间的关系，以确保焊后热处理过程中的稳定性。焊后热处理（焊后热处理，焊后热处理）旨在改善接头性能的焊接接头不均匀和不理想的组织，消除和减少对使用性能的结构焊接残余应力的影响。 局部平均温度焊接面积：焊承压容器焊接接头残余应力测试及有限元分析16后热处理如下需要工件（称为焊件）均匀地加热金属相变点以下，在足够高的温度下一定时间，然后再均匀的冷却过程中，关键的过程是在热处理后，焊件达到预定的温度范围。平均温度区应包括热影响区，焊接区和邻近于基材。 为了确保在预定的范围内获得均匀的温度区加热带，并设置加热区。以确保绝对的预定范围内热带获得均匀的温度区，并设置隔热区域。 在焊后热处理保持温度，在焊接件的热处理区域，以保持在预定的温度范围。 保持时间。开始焊件在保持热处理区域保持在保持时间的时间内，当所有的测量点温度已达到的保持温度在预定范围的下限时结束在一个测量点处的温度时或者下降到一个预定的限制值后。图从基材的不同区域2-1焊后热处理到焊接：图 2-1 焊缝到母材区域图2-1焊到基座的金属区域在热处理。规定焊后热处理温度应不超过在内的平均温度温带任何点高。之内的所有温带温度的范围应通过加热宽度规范符合性得到保证，它应保证绝对热带热效率，并防止有害的温度梯度。在条例“压力设备焊后热处理过程” ，等等后的焊接厚度昂WHR厚度充分渗透对接焊后热处理厚度（不包括加固） ，此时用相同的厚度为基料。建议的做法，只给一个粗略的板缝领域，如最短培养时间的规定，当6MR 125MM，不同类别的基础材料给予不同的培养时间。根据 125NMA厚度范围，建议的方法尤其适用。热处理加工的效果。从出发地的热处理的实际效果的角度为5-150MM规格Q345R板以模拟局部焊后热处理试验，测量各个局部热处理工艺温度场，在测试中，温度场的分布，并结合理论计算，出去后偏厚6 50MM钢焊后热处理的焊缝宽度小，经验式绝缘区宽度，有效加热区的宽度的经验公式。承压容器焊接接头残余应力测试及有限元分析172.5 焊接结构的有限元分析理论计算机辅助工程(CAE)领域中应用最广泛的有限元分析软件的是ANSYS，通过对该软件的工作原理、工作流程和系统组成等方面进行全面分析，研究了有限元方法FEM焊接热效应领域的应用。ANSYS能与其他CAD软件双向互相传递数据，具有便捷的前后数据处理能力和多物理场分析能力，通过基于ANSYS虚拟试验的平台，能够用低成本、高效率的优化与焊接热效应相关产品的设计方案，因而在生产方面和焊接研究领域有着广阔的应用前景。焊接是涉及许多学科的复杂物理-化学过程。焊接过程中由于涉及的变量数目繁多，想深入了解和控制焊接过程单凭积累工艺试验数据，不但不切实际而且成本昂贵以及费时费力。随着计算机的发展，通过数学方程描述焊接基本物理过程的来模拟焊接过程，采用数值分析求解以获知焊接过程中的定量认识，即计算机模拟焊接过程，成为一种有力的手段。计算机模拟方法为焊接科学技术的发展提供了强有力的条件。 在ANSYS的程序中，PLANE182 (结构单元)和单元类型PLANE55 (热单元)都分别支持单元生死功能，将分别应用于应力计算和温度场计算分析中。单元生死分别用EKILL和EALIVE 命令执行，并打开分析选项中完全牛顿拉佛森(full Newton-Raphson )方法，将得到非常好的非线性计算收敛结果。为通过对焊接过程的三维有限元模拟分析以及焊接后构件变形及残余应力分布分析，为评估焊接对焊件的影响提供更加合理、有效、可靠的分析数据，并为焊接工艺提供一定的指导，为采用的焊接过程提供一定的分析依据，采用大型有限元计算软件Ansys作为分析工具对焊接过程与焊件的变形与残余应力进行了分析。ANSYS有两种方式考虑力学分析与热分析之间的耦合，即间接耦合和直接耦合。 间接耦合法为先进行温度场的模拟分析，然后将求得的结点温度作为体载荷施加在结构当中，计算焊接的残余应力与变形。即：(1热分析)使用热分析的手段，根据需要可采用瞬态分析与稳态分析模型，此处为瞬态分析。 (2)重进入前处理，将热分析单元转变为相应的结构分析单元，设置结构材料属性，如热膨胀系数、泊松比、弹性模量等。 (3) 结构分析的荷载是读入热分析的结点温度，设置好参考温度，结构分析求解残余应力。 承压容器焊接接头残余应力测试及有限元分析18而直接耦合法为采用Ansys提供的能够进行复合域（热-力学分析）分析的单元类型，同时进行热分析与力学分析，从而获得焊接后的变形与残余应力。以下分析过程分为厚板对接焊的焊接过程模拟与焊件的变形与残余应力分析、厚板的全熔透T形接头焊缝的焊接过程模拟与焊件的变形与残余应力分析、箱型截面构件的焊接变形与残余应力分析和K型节点的焊接变形与残余应力分析四个部。 其中第一、二、三部分采用Ansys中的实体单元，以直接耦合法对焊接过程进行模拟，并分析了焊接后的变形与残余应力，第四部分则采用壳单元以间接耦合法对焊接变形与残余应力分析。 采用的计算参数说明如下。钢的应力 - 应变关系双线性运动学硬化非线性关系，如图在不同温度下，其中，1）顶点位置作为屈服应力在室温下被取为345* E6 N / M 2的应力 - 应变曲线； 2）在曲线的斜率是弹性模量E，取为在室温下0.06* E11 N / M 2； 3）实现屈服点后的弹性模量更小的值，以塑性地产生模拟钢。使用具有温度变化，如图非线性关系钢的弹性模量。不考虑以下参数随温度而变化，但它被取为常数：热膨胀系数取为1.4* 10 -5 M / M* K的热容量取为520焦耳/（KGK） ）的热电导率取为49.8 W /（MK） ）的0.3密度7850N/ M3为您提供方便泊松比，药物性能和焊接钢管的热力学采取相同的机械性能。承压容器焊接接头残余应力测试及有限元分析193 承压板材焊接热处理试验分析3.1 焊接接头试验样本制作取两块Q345R板材，厚度10mm，对称焊接。焊接电流在160180A。焊层大约几层。模型为对称模型，左右、前后焊缝在焊接工艺下完成。焊接的电弧与水平面平行，由于自身重力的作用，电弧过渡中的熔滴会下落，熔池中的液态金属也会向焊道后方流动，与焊件分开，焊瘤缺陷也容易生成。但另一方面低熔点的熔渣流动性强，并且因为、焊接位置可以更容易地分离金属和熔池，焊接产生的炉渣的缺陷可能是非常的小。通过精确测量焊接焊缝宽度20mm左右。图3-1 焊接样本制作实体3.2 样本的热处理试验3.2.1 试验目的本次试验的目的是想通过对10mm厚的板材进行焊后热处理，获得加热区宽度、绝热区宽度与焊缝宽度的关系，从基于热处理消除残余应力的角度得到超厚板对接接头PWHT的实践经验。承压容器焊接接头残余应力测试及有限元分析203.2.2 试验设备热处理设各型号ZWK-120KW，便携式热电偶焊接机型号3.2.2试验设备的热处理：XWDH热电偶型号：WRN（镍铬镍硅一个直径O 4MM，1 0MM棉保温材料：硅酸铝棉厚度30MMX2层绝缘值保护的条件下，电击和热处理试验测量前的其他措施。3. 2.3 热处理方案给出的热处理温度，升温速率在热处理过程中，冷却速度和冷却热处理工艺是基于“程压力设备焊缝温带宽度热处理程序“的规定，SB =焊缝宽度MIN（壁厚，10） ，根据带宽景区的经验集7加热木珠宽度。热加热参数表前后测量点结构，由于规格试验片的限制，测试做两次，其中之一将降低的焊接点温度稍低侧，将上侧测温点略多，另一次将板材的上下反置，下侧的测温点略多但上侧的测温点略少，第二次试验将板材的上下反置。分析试验所得数据，主要根据绝热区出口温度、均温区内温度、升温速率等工艺参数判定。从加热带所测的温度分布能够看出，加热带的温度平稳，并没有大的有害的温度梯度的产生。3.3 样本接头残余应力测量3.3.1 盲孔法测残余应力在前文已经介绍测量系统盲孔法测量残余应力的原理即构件表面的小盲孔能够损坏盲孔点原有的残余应力场和弹性应变场。小孔的周围将产生一定量的释放应变。其值的大小与释放的应力是相互对应的，其释放应变的多少与结构本身刚度约束，构件自身的弹性模量有关，如果残余应力大，那么小孔释放的应变就越多，材料自身的弹性模量越大，那么让材料发生变形的应力也就越大，相应释放的应变也就越小。利用0。 、45。 、90。三向的应变片测量出盲孔的三个方向释放应变，就能够利用相应计算公式得出初始测试点的残余应力。在通孔法的推算应力的基础上推导的盲孔法测量残余应力的计算公式。对于三轴承压容器焊接接头残余应力测试及有限元分析21应变片其应力的计算公式为：图3-2 应变片计算公式释放系数就是一个有多重影响原因的系数，与盲孔的深度、直径、应变片的几何尺寸。其中主要是被测材料杨氏模量以及应变栅极的感知半径，泊松比等众多原因有关，确定的释放系数能够在拉伸机上通过拉伸试验进行标定，目前也用有限元计算的方法来进行推断，不但节省了试验时间和成本，而且准确性也很高，还能够通过理论的计算公式给出，主要包括具有应变数据采集转化功能的多通道应变仪、感知材料释放应变的电阻应变片、专用盲孔法测应力钻孔工具、数据显示记录的PC终端组成。3.3.2 试验条件应变仪选用济南西格玛科技有限公司生产的ASMB2D32型静态应变采集箱。仪器的规格，如表3-1所示：表3-1：ASMB2D32仪器规格ASMB2D-32 型 应力应变仪性能参数特点静态、高精度、便携、自带触摸屏和打印机，可选配锂电、接桥简单；适合野外应力精密测试测试内容应变、应力接传感器类型应变片测试信号应变测试范围/-60000+60000承压容器焊接接头残余应力测试及有限元分析22ADC24 位，-通道数32（可一起接 10 个测应力用的应变化，自动巡检、监测 10 个点的应力变化；或能够接 32 个电阻应变片，自动巡检 32 个通道）数据接口通过 U 盘导出测试结果，以记事本格式在 PC 机上再现每通道最高采样率1S/s分辨率0.1误差 10.05%D0.3温漂 21/显示、操作自带平板电脑（8 英寸/800X600 彩色触摸屏） 、鼠标（可外接键盘）打印自带微型打印机（320 点/行）灵敏度设置应变片灵敏度可设置，并存在仪器内部内置测试软件具有设置、测试、自定义等界面，可显示曲线、图表，能够存储和打印测试结果接桥方式半桥公共补偿 (8 通道共享 1 个补偿应变片)抗干扰可抗静电、脉冲群、电磁辐射等电磁干扰，允许在被测材料上电钻打孔、电焊、等离子切割等操作接线端子夹式直插电源220VAC 电源输入，可选配内置 7.4V 锂电池工作温度050尺寸465mm359mm154mm重量6353g应变仪能够实现将被测构件因外加载荷而引起的应变量的变化转化为电阻变化率。通过相应的换算得到应变值。图3-3-应变仪内部等