某汽轮机大型管板带极堆焊数值模拟及工艺优化

熊建坤，张峻铭，徐健，陶德

（东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000）



某汽轮机大型管板带极堆焊数值模拟及工艺优化

熊建坤，张峻铭，徐健，陶德

（东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000）

管板堆焊技术是低压加热器制造的关键技术，文章利用FORTRAN语言编制了一个新热源，基于SYSWELD软件模拟管板带极堆焊的温度场和应力应变场，计算出反变形量，并将其运用到产品上。

带极堆焊，热源模型，数值模拟

1　前言

JD-2600-Ⅰ型低压加热器是百万级火力发电机组回热系统中的主要设备，其利用在汽轮机内做过部分功的蒸汽，抽至加热器内加热给水，提高水的温度，减少了汽轮机排往凝汽器中的蒸汽量，对降低能源损失，提高热力系统的循环效率和电厂经济运行具有重要意义。在低压加热器的制造过程中，管板堆焊是一个关键的质量控制点，堆焊质量直接影响到设备生产进度以及后续工序，特别是管与管板的焊接质量，进而影响整个设备的使用寿命。

传统的堆焊工艺采用带极埋弧堆焊技术，在实际操作过程中，考虑到焊接变形和部分加工余量，一般需要堆焊3～4层以保证达到产品技术要求中的堆焊层厚度和化学成分要求。这种大面积的堆焊带来了一定的制造难度，例如：管板变形严重；而堆焊层数和堆焊厚度的增加更容易造成较多的重大质量问题。对此，为降低质量风险，缩短制造周期，同时控制成本，拟将工艺进行优化，适当减薄堆焊层厚度，进而减少堆焊层数至2层，并预期堆焊层化学成分满足要求。为解决此工艺优化问题，常用的方法是进行试验，但试验工作量较大，需耗费大量的人力物力，很多时候不能满足生产需求。

近年来，随着计算机的发展，人们对焊接进行了数值模拟研究，以此来准确分析焊接中的一些现象。其意义在于，根据对焊接现象和过程的数值模拟，可以优化结构设计与工艺设计，从而减少试验工作量，提高焊接质量。通过模拟和计算得到定量的结果，最终达到在焊接过程中接头不出现缺陷，而且能够满足规定的目的。焊接数值模拟技术的发展为焊接生产朝“理论—数值模拟—生产”模式的发展创造了条件，使焊接技术正在发生着由经验到科学、由定性到定量的飞跃。

但是，由于管板带极堆焊是用较长的矩形截面的钢带代替圆形截面的焊丝或焊条，其熔池形态与常规焊丝或焊条焊接时的熔池形态差异较大，国内外对带极堆焊的数值模拟研究又较少，且到目前为止，还没有成熟的带极堆焊热源可用，而常用的无论是高斯热源或者双椭球热源都不适合。本文针对低加管板带极堆焊，利用FORTRAN语言编制了一个新型热源，基于SYSWELD软件模拟管板堆焊的温度场分布情况及变形情况，从而优化工艺，并将其运用到产品上。

2　管板带极堆焊介绍

2.1管板堆焊结构介绍

管板是低压加热器制造的一个关键部件。管板虽然很厚，但与其直径相比仍属于较薄件。据有关检验结果统计表明：由于管口焊接质量问题而导致渗水、漏水的比例占2%～3%。为保证管板与换热管的焊接是同材质间的焊接，要求在材质为20MnMo锻件的管板上堆焊5 mm厚的不锈钢，如图1所示。

图1　管板结构图

2.2管板堆焊工艺介绍

管板堆焊工艺为：根据生产经验确定反变形量，首先，从中心开始以同心圆向外堆焊过渡层，再热处理；然后，堆焊第2层耐蚀层以及堆焊第3层耐蚀层；最后，进行UT探伤。具体工艺参数如表1所示。

表1　堆焊工艺参数

2.3目前存在的问题

（1）堆焊直径较大，为φ1 450，单面堆焊容易引起较大凹陷变形；

（2）堆焊层厚度大，堆焊越厚，变形越大；

（3）加工余量大，制造周期长。

3　管板堆焊数值模拟方案

3.1焊接数值模拟软件的选择

在有限元计算方面，现在已经有商业化的大型通用有限元软件NASTRAN、MARC、ABAQUS、ANSYS等，专门用于分析焊接现象的软件有：SYSWELD（法）、SIMUFACT（德）、HEARTS（日）等。其中，SYSWELD是世界上最著名的热处理、焊接模拟和焊接装配软件，SYSWELD完全实现了机械、热传导和金属冶金的耦合计算，允许考虑晶相转变及同一时间晶相转变潜热和晶相组织对温度场的影响。几种焊接软件对比分析如表2所示。

表2　焊接软件对比表

3.2管板堆焊数值模拟流程

管板堆焊数值模拟流程如图2所示。

图2　管板数值模拟流程图

4　模拟过程分析

4.1热源模型的选择

焊接热源模型是实现焊接过程数值模拟的基本条件。焊接热源具有电弧局部集中、瞬时和快速移动的特点，易在时间和空间域内梯度都很大的不均匀温度场形成，这种不均匀温度场会导致在焊接过程中和焊后出现较大的焊接应力和变形。因此，在数值模拟计算焊接过程的温度场时，热源模型的选择至关重要，它关系到焊接温度场和应力变形的计算精度，特别是在靠近热源的地方影响更大［1］。目前描述焊接热源的模型有好几种，常用的主要有高斯热源模型和双椭球热源模型，但是对于本文中的60 mm宽带极堆焊都不适用［2］。带极埋弧堆焊焊接热相对集中，焊接热输入大，母材稀释率高，约为15%～20%，每层堆焊层厚度一般为4 mm，但不超过5 mm［3］。文中带极堆焊基于高斯热源设计了一个新型的有限元热源模型。

4.2热源模型编程组合

高斯热源如图3所示。

图3　高斯热源

设想新型的有限元热源模型由多个高斯热源并列组成，采用FORTRAN语言根据下列数学模型进行编程修正。

新热源简图如图4所示，新热源温度场示意图如图5所示。

图4　新热源简图　

图5　新热源温度场示意图

4.3边界条件的设置

定义边界条件主要是约束焊接构件的自由度，需根据具体情况确定。加载位移边界条件既要防止在有限元计算过程中产生刚性位移，而又不能严重阻碍焊接过程中的应力释放和自由变形（无外约束情况下）。定义参考温度，如果焊前没有预热，则为室温；反之，则为预热温度。本文管板材质为20MnMo，考虑焊前预热，温度为130℃。

5　管板堆焊数值模拟

对管板建模，导入新编热源，基于SYSWELD软件进行了管板堆焊数值模拟。图6为温度场分布情况，图7～8为应力场分布情况。

图6　管板堆焊温度场

图7　第1层变形模拟　

图8　第2层变形模拟

6　工艺优化

6.1工艺对比

原堆焊工艺与优化后的工艺对比如表3所示。

表3　工艺对比

根据模拟结果，计算分析得出该管板最大变形量为3.681 mm，综合考虑后，为尽量保证堆焊层厚度满足设计要求，确定反变形台阶为3 mm（见图9），并将其应用到产品上。

图9　反变形台阶

6.2结果对比

选取两件管板，在堆焊层取样进行化学成分分析，结果与预期相符，满足对化学成分的设计要求；同时对其变形情况进行测量，与模拟结果进行对比，如表4所示。

表4　模拟结果与实测结果对比

通过模拟情况和实测产品情况对比发现，其变形趋势一致，呈内凹变形，最大变形位置在距离管板半径1/3位置，实测变形数据与模拟数据基本吻合。

7　总结

（1）本文基于SYSWELD，根据高斯热源模型设计出了并列型新热源模型，类似长方形，熔池类似长方体，可适用于带极埋弧堆焊的有限元热源模型。

（2）模拟出的变形趋势及整体变形量与实际产品基本一致，能成功运用到产品上。

（3）由于目前没有特定的带极堆焊热源模型，本文基于高斯热源尝试设计了一个新型热源，在合理性及准确性上还有较大的提升空间。

（4）利用SYSWELD进行管板堆焊数值模拟，在一定程度上可以为管板堆焊提供理论依据。

［1］陈家权，肖顺湖，吴刚，等。焊接过程数值模拟热源模式的比较［J］.焊接技术，2006，35（1）：9-11.

［2］王志锋，陈佩寅，吴伟，等.厚板带极埋弧堆焊温度场的有限元模拟［J］.焊接学报，2009，30（1）：89-92.

［3］李奋昆，吴文军，杜永前.不锈钢带极埋弧堆焊焊材选择和焊接缺陷的防止［J］.甘肃科技，2004，20（12）：64-65.

Numerical Simulation and Process Optimization of A Steam Turbine with Large Tube Sheet Welding

Xiong Jiankun，Zhang Junming，Xu Jian，Tao De
（Dongfang Turbine Co.，Ltd.，Deyang Sichuan，618000）

Tube sheet welding technology is the key technology in the manufacture of low pressure heater，a new heat source is compiled by using FORTRAN，based on SYSWELD software simulation with a tube sheet welding temperature field and stress strain field，the anti-deformation is calculated，and it's applied to the product.

welding，heat source model，numerical simulation

TK262

A

1674-9987（2016）03-0037-05

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.03.009

熊建坤（1980-），男，工程师，清华大学在读博士，2008年毕业于重庆大学焊接专业，现从事焊接技术研究工作。