厚壁核压力容器焊接残余应分析范文

摘要：

伴随经济社会的快速发展，我国出现巨大能源缺口。核能属于相对清洁、安全与低廉的新型能源，其重要地位日益突现。核反应堆有着极强的辐射性，核压力容器生产材料要选择优质材料，严格把控核压力容器生产质量与使用时段内的质量。能源需求的不断加大，推动进一步提高核电站数量和反应堆单堆的容量，生产大型化与复杂化的核压力容器，更我依靠焊接工艺来完成。本文探讨焊接工艺对厚壁核压力容器焊接残余应力的影响，以期为生产厚壁核压力容器焊接时消除残余应力与控制变形提供建议。

关键词：

焊接工艺；厚壁核压力容器；残余应力；影响

现代工业发展与科技进步，海洋工程、航空航天、核动力工程等领域越来越广泛运用焊接工艺。焊接工艺是集传热、电弧物理、冶金和力学等于一身的复杂过程，成为将金属材料连接成构件的极为重要手段。在生产核压力容器时，它更是起到无可替代的作用。为了提升能源安全级别，降低核辐射带给自然界与人类社会的危害，务必要确保核压力容器的质量。因此，探讨焊接工艺对厚壁核压力容器焊接残余应力的影响时，了解焊接当中构件所带的残余应力与大小分布特点，以确保焊接接头安全性，从而保证核压力容器的质量。

1现有情况

20世纪70年代日本大阪大学的上田幸雄教授等人根据有限元法，分析焊接残余应力的应变过程。自此之后，有限元模拟技术开始快速发展，有限元模型的建立简化了复杂的动态焊接应力分析过程。虽然我国在这方面的研究起步较晚，但是发展速度较快，且已获得一定成果。20世纪80年代初，以陈楚为首的研究人员对热弹塑性理论进行系统化的分析，推导出有限元计算公式，并编制出相对应的计算机程序。20世纪90年代，我国学者对这一领域进行更加深入的探索。目前，在确保焊接结构的稳定性的前提下，采用不同方法去除焊接残余应力的求值计算方法得到快速发展。只不过要完全达到实践需要，还有待进一步研究。

2现有问题

目前焊接残余应力的探索有了很大的进步，但是难以应对实际工程的要求。利用数值分析法控制复杂的焊接结构的残余应力的措施还有很多不足之处。第一，缺少足够的材料热物理性能重要数据，如:密度、导热系数与比热容等。第二，缺乏热源分布参数数据，有待进一步探讨多层焊缝、开坡口焊缝等的热源分布方式。第三，如何选取焊接热源的热效率资料较为分散，存在比较大的误差。第四，处置焊接熔池的方式存在问题，未把焊接熔池内部液态金属的对流传热特性纳入考虑范畴之内。第五，我国分析复杂核压力容器焊接残余应力的水平尚处在初级水平。待深入研究与探索焊接数值模拟技术的意义与作用，对焊接现象的本质有了更加精准的认识之后，方可把焊接残余应力精确计算出来，以提供可借鉴的理论。

3焊接温度场的分析理论

模拟焊接应力与应变的前提就是温度场，计算应力与应变的参考数据就是由流动准则、屈服准则、热弹塑性与强化准则所构成的基本理论。运用ANSYS软件模拟焊接过程时，上述理论和依据用来判定材料有无屈服、如何进行流动与强化，同时成为计算材料出现弹性与塑性变形时应力与应变关系的理论标准。屈服准则主要用来确定材料开始出现塑性变形的应力状况，计算单值的等效应力，并将结果与屈服强度进行对比，以得出材料的屈服时间。流动准则主要是从几何的角度出发，说明塑性应变增量向量与成与屈服面的法向，两者方向始终是一致的。强化准则主要用来阐释初始屈服准则是如何跟着塑性应变的增加而变化发展的。热弹塑性基本原理主要用来计算焊接全过程动态应力与应变的变化过程及最终的残余应力与变形的态势。

4焊接工序的影响力

4.1焊接流程参数作用于残余应力焊接残余应力出现的关键因素就是有不均匀的温度场存在。出现裂纹重大原因就是焊接残余应力。运用不同的焊接工艺参数，如：1350℃、1420℃、1490℃，焊接之后的出现的等效残余应力的变化走势是相同的。处在焊缝中心，其应力是最大的，距离焊缝中心越远，距离增加的同时，而应力会慢慢降低。其中，使用1350℃和1490℃焊接工艺参数，焊接之后应力的变化态势呈现大致相同的曲线，两者应力数值分别为360.28MPa和369.34MPa。而使用1420℃的焊接工艺参数，焊接之后应力的变化态势曲线，与前两个曲线相比，其态势略为走高，其应力值也是三者中最大的，为370.22MPa。据此可知，使用不同的焊接工艺参数，影响着焊后残余应力的大小。

4.2坡口形式作用于焊接残余应力焊接厚壁核压力容器时，有很多因素会影响焊接残余应力，坡口形式就是其中之一的影响因素。因此，在操作过程中，极为重要且必不可少挑选合宜的坡口形式与尺寸。就40mm宽I型坡口、35mm宽I型坡口及35mm宽双U型坡口等三种不同坡口形式而言，利用有限元算出结果来证明其作用于焊接残余应力的大小。在焊接结束后,出现于焊缝中心的等效应力值都不一样，40mm宽的I型坡口焊接后残余应力最大,其应力值460.12MPa，35mm宽的I型坡口焊接后残余应力位居第二,为420.68MPa，35mm宽的双U型坡口焊接后残余应力最小，为370.36MPa。三个坡口形式的相同之处在于，处在焊缝中心的应力最大，离焊缝中心越远，应力慢慢降低。所以，在有着相同宽度的焊缝的情况下，焊接应力相对较小的是双U型坡口；在有着相同的坡口形式的情况下，焊接后残余应力相对较低的是35mm宽。

4.3焊接后热处理工序作用于焊接残余应力去除焊接残余应力才能确保焊接结构的安全与牢靠，热处理成为去除焊接残余应力常用手段。在35mm宽的I型坡口完成6道焊接后，对其执行热处置，回火温度640℃，分别放在炉中保温1-7h，再行冷却，以去除残余应力。试验结果表明，没有执行热处理之前，焊缝处的等效应力值为最高，执行热处理之后，焊缝中心的等效应力相对降低。热处理之前焊缝中心的应力峰值为421.86MPa，执行热处理之后，等效应力相对较大的出现在1小时与7小时后,分别为351.32MPa和341.71MPa。等效应力相对较低的出现在2小时、3小时与4小时后，分别为270.14MPa、269.56MPa和267.97MPa。据此可知，执行热处理可以有效减少焊接残余应力，引起重新分布焊接残余应力，并且处在640℃的高温下，执行2小时热处理，可以让残余应力得到更好清除。

5结束语

社会经济发展，能源的需求变得越来越大，能源供给面临巨大挑战。核能有着广阔的开发前景，应当大力开发与使用。同时，不可忽略能源的安全与可靠性问题。日趋复杂化的核压力容器，给能源安全与可靠性带来新的考验。而焊接工艺成为决定其质量的重要手段，务必要进一步加以改进。本文探讨了焊接工艺对厚壁核压力容器焊接残余应力的影响，希望以此为核压力容器质量的改进方法的执行提供参考意见。

参考文献

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作者：包增成 单位：江苏省特种设备安全监督检验研究院常州分院