裂解炉管焊接残余应力场中裂纹扩展行为数值分析.pdf

第29卷第5期 焊 接 学 报 V01．29No．5 2008年5月TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTIONMay 2008 裂解炉管焊接残余应力场中裂纹 扩展行为的数值分析 祝金丹1， 张礼敬2， 巩建呜2 (1．南京化工职业技术学院机械系，南京210048； 2．南京工业大学机械与动力工程学院，南京210009) 摘要：针对裂解炉管对接焊接热影响区中常见的环向与斜裂纹在焊接残余应力的作 用下的扩展行为进行数值预测。采用基于VNA算法的有限单元交互法(FEAM)，结合 有限元方法研究焊接残余拉应力对炉管裂纹扩展的影响，通过研究裂纹尖端区域的应 力强度因子的变化来判断裂纹的准静态扩展倾向。结果表明，在多道焊焊接残余应力 的影响下，在炉管焊缝热影响区内表面的环向裂纹有沿环向变长的倾向，而斜裂纹则同 时有变长、变深的倾向。 关键词：裂解炉管；残余应力；有限单元交互法；有限元方法；裂纹扩展 …． “。4“ 中图分类号：TG4t)4文献标识码：A 文章编号：0253—360X(2008)05—0101—05 0序 言 于焊缝的环向裂纹开裂的主要驱动力，而斜裂纹的 开裂则是轴向与环向残余拉应力共同作用的。 在HP40Nb裂解炉管对接焊接过程中，高梯度 的温度分布以及材料的非线性响应促成的焊接残余 2有限单元交互法 应力是不可避免的。拉伸残余应力的存在会增加焊 接结构开裂驱动力、降低结构的抗脆性断裂性能，从 2．1 F：EAM技术 而对焊接结构的完整性产生不利影响…。残余拉应 使用有限元方法研究裂纹扩展问题无法保证对 力与炉管恶劣的服役条件交互作用增加了应力腐蚀 裂尖扩展方向的捕捉，且通常需要花费大量的时间 开裂SCC(stresscorrosion 用于裂纹的网格划分(尤其是裂尖区域的网格)，因 cracking)或疲劳开裂倾向。 而有限元方法处理裂纹问题目前仍有较大困难。由 同时SCC裂纹的触发会导致炉管高温蠕变开裂[2]2。 采用基于VNA算法的数值求解技术(有限单元交互Atl嘶等人【3,4J提出的有限单元交互法则对复杂结 element 构含裂纹受载问题求解具有明显的优势。其基本思 法，finite method，FEAM)研究焊接 altemating 拉伸残余应力对炉管连接件焊缝区域裂纹扩展的影 想是：先通过有限元方法求解出无裂纹结构在受载 ’响，通过研究裂纹尖端区域的应力强度因子的变化 时裂纹所在位置处的载荷分布，然后使用解析法求 来判断裂纹的准静态扩展倾向。 解出裂纹无限体为平衡上述裂纹处载荷所需外力， 得到的外力作用于无裂纹结构上再次进行有限元分 1 裂解炉管中的裂纹 析，如此重复直至实现在无裂纹结构裂纹对应位置 的载荷为零，即裂纹自由表面状态(图2)。对无限 图1为裂解炉管对接焊缝区域常见的表面裂纹 区域内含裂纹问题的求解是基于VNA方法引5。 宏观形态，主要存在两种裂纹状态即与焊缝方向成