半管夹套焊接残余应力分析与安全评定研究

摘要

半管夹套作为一种加热冷却设备具有筒体受力好、传热效率高及节约钢材用量等优点而被广泛运用在化工、医药等行业。然而半管与筒体是通过焊接形成的，焊接不可避免的会引入残余应力，在外部载荷作用下，焊接接头处的应力分布状态比较复杂，成为最薄弱的环节，容易出现焊接缺陷从而引起泄露。因此针对半管夹套焊接残余应力分布状态进行系统的研究并进行相应的安全评定具有重要的研究意义。本文数值模拟方法对三种坡口形式（45°外坡口、不开坡口和2mm余隙坡口）的半管设备的温度场和应力场分布规律进行了详细的分析，并分析了不同半管直径和距离对焊接残余应力的影响规律。通过实验对比分析了这三种坡口形式下的焊缝成形和宏观结构。运用线弹性断裂力学方法对三种不同坡口形式的半管夹套进行了更为精确的应力分析，将不同坡口类型看成不同的缺陷类型（表面裂纹）进行相应的安全评定研究。结果结论如下： （1）不同坡口半管夹套根部具有不同的温度场分布，开45°外坡口根部峰值温度最高，已超过熔点，不开坡口和开2mm平行坡口时焊缝根部温度未达到熔点，根部未焊透，产生了焊接缺陷，降低了半管夹套的力学性能。开45°外坡口焊缝成型良好，可有效减轻半管夹套焊接过程中筒体内壁表面金属的氧化，并能增强焊缝金属的塑韧性和低温性能；不开坡口焊缝根部未焊透，造成严重的焊接缺陷；开2mm平行坡口时焊缝根部存在焊角缺陷。开坡口降低了焊缝根部的残余应力同时使得厚度方向的残余应力大大降低，有利于降低半管夹套焊缝的应力腐蚀开裂敏感性。 （2）不同坡口半管夹套根部具有不同的焊接残余应力分布，不开坡口时残余应力最大，开2mm平行坡口时残余应力有所降低，开45°外坡口时残余应力得到了很大程度降低，因此在实际焊接中需要开45°外坡口处理。半管直径的改变对横向应力的影响较大，而对纵向应力影响不大，而在半管直径为25mm时，总体应力值最小，为最佳选择。半管间距的增大或者减小对的横向应力和纵向应力均有影响，对横向应力的影响大于纵向应力。综合考虑半管间距为30mm时，总体应力值较小，为最优选择。 （3）通过对三种不同坡口形式的焊接接头进行应力分析和安全评定，可以得出，平行坡口出现明显的焊接缺陷，焊缝出现了未焊透，其应力在未焊透处出现了应力集中，峰值应力达到269MPa，超过屈服强度，出现了应力集中，应该极力避免；坡口开45°坡口和2mm间隙的坡口无缺陷，进行应力评定，二者均满足使用要求。然而，考虑焊接残余应力后发现，开45°坡口的应力结果要好于开2mm间隙的坡口应力结果，因此在焊接过程中应对半管进行开45°坡口处理，并保留一定的间隙。

目录

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第一章 绪论

1.1 研究意义

1.2 研究背景介绍

1.2.1残余应力产生与半管夹套研究现状

1.2.2有限元法

1.2.3焊接残余应力的分布与测量

1.2.4焊接残余应力的影响及消除措施

1.2.5 失效评定图法

1.3 研究内容

第二章 焊接温度场有限元模拟及实验

2.1 焊接温度场基本理论

2.1.1 焊接温度场简介

2.1.2 温度分布测量研究进程

2.1.2 焊接温度场计算

2.2 有限元模型

2.2.1 有限元分析思路

2.2.2 几何模型及网格划分

2.2.3 材料参数

2.2.4 热源模型

2.3 焊接温度场结果及分析

2.4 半管夹套焊接实验

2.4.1焊接工艺

2.4.2实验结果与分析

第三章 焊接残余应力场分析

3.1焊接应力场热弹塑性基本理论

3.1.1 米塞斯屈服准则

3.1.2 流动准则

3.1.3 强化准则

3.2 热弹塑性理论

3.3 有限元模型

3.3.1 有限元分析思路

3.3.2 边界条件

3.4 残余应力计算

3.5 焊接应力场结果与分析

3.6 半管直径及半管间距对残余应力的影响

3.6.1 半管直径对残余应力的影响分析

3.6.2 半管间距对残余应力的影响分析

3.7 本章小结

第四章 不同坡口类型半管夹套安全评定

4.1 设计压力下强度校核

4.2 Tresca 应力分布

4.3 应力评定

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢