УДК 621.791.052:539.373:51-74
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕСТНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ В СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРЫ ИЗ СТАЛИ 03Х17Н9М3 МЕТОДАМИ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
© Биленко Георгий Андреевич, e-mail: bga@delcam-ural.ru
ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»; Группа компаний «ПЛМ Урал» - «Делкам-Урал». Россия, г. Екатеринбург
Статья поступила 24.02.2015 г.
Проведен анализ местных остаточных напряжений в сварном кольцевом соединении двух труб из стали 03Х17Н9М3, выполненном методом орбитальной сварки неплавя-щимся электродом в защитных газах. Для исследования использовано компьютерное моделирование процесса сварки методом конечных элементов.
Ключевые слова: сварка трубопровода; орбитальная многопроходная сварка; сварка аустенитных корозионностойких хроникельмолибденовых сталей; остаточные сварочные напряжения и деформации.
О
беспечение работоспособности в заданном периоде эксплу-
с применением орбитальной многопроходной сварки - проблема актуальная, особенно для изделий атомной промышленности, где количество кольцевых сварных швов исчисляется десятками сотен. Для выполнения таких требований необходима информация о напряженно-деформированном состоянии (НДС) как самого сварного соединения, так и конструкции в целом, так как именно остаточные напряжения приводят к значительным изменениям проектных размеров или в процессе сварки, или в ходе эксплуатации изделия. Высокий уровень НДС в сварном шве может дополнительно вызывать образование трещин, которые приводят к отказу изделия и дорогостоящему ремонту.
Для оценки уровня остаточных напряжений в кольцевых сварных швах в данной работе был проведен анализ НДС сварного соединения наиболее распространенного типа, используемого в трубопроводной арматуре атомных станций - стыкового, с симметричной разделкой кромок. Свариваемое изделие - труба размерами 9,5x100 мм из стали 03Х17Н9М3, материал электрода - стальная проволока 04Х19Н11М3.
Эскиз сварного соединения с геометрическими параметрами приведен на рис. 1. Сварка осуществляется в среде защитного газа. Режимы сварки приведены в таблице. В ходе сварки концы труб были жестко закреплены в оснастке, но после каждого прохода сварки торец верхней трубы ослаблялся.
Анализ НДС проведен с использованием программного обеспечения Visual Weld 9.5 ESI Group, основанного на методе конечных элементов (МКЭ) [1], который хорошо зарекомендовал себя для решения задач механики твердого деформированного тела. Геометрическое представление КЭ-модели показано на рис. 2.
Модель, основанная на последовательном решении уравнений теплового баланса (1) [2] и механики деформированного твердого тела (3-6) [3], предусматривает расчет полей температурных градиентов, инициируемых источником тепла сварки, а затем полей механических напряжений и деформаций. Расчет теплового состояния учитывает неравномерный нагрев и охлаждение, плавление и кристаллизацию металла при сварке , дТ
где
(1)
— изменение вну-
рС— = -\&ad(T) + q, ot
пдТ
треннеи
энергии
тела;
Рис. 1. Геометрические параметры сварного соединения
Режимы сварки, используемые в расчете
Сварочные проходы швов Режимы сварки
ток, А напряжение, В скорость, мм/мин
Корневой (1) 90 25 85
Заполняющие (2—7) 120 28 90
Лицевой (8—10) 130 28 145
Рис. 4. Модель ввода тепла на развертке сектора свариваемых труб:
8 - толщина стенки трубы, я. - максимальный тепловой поток
12т
Рис. 2. КЭ-модель свариваемой трубы, установленной в оснастке
и
0,040 ■5 0,035 -< 0,030 -£ 0,025 -
о 0,015
и '
а 0,010 -
° 0,005 -
8,00Е—06
7,50Е-06 -
н 7,00Е—06 -
о <
С
6,50Е-06 -
6,00Е—06
1000 2000 Температура, °С
900 800 700 600 500 400
1000 2000 Температура, °С
500
1000 1500 Температура, °С
2000
2500
Рис. 3. Изменение теплофизических характеристик сталей 03Х17Н9М3 и 04Х19Н11М3 в зависимости от температуры
Теплота, выделенная источником, вводилась по закону нормального полосового источника тепла, действующего в окружном направлении на всю длину сектора [2]. Модель ввода в развертке на плоскость схематично представлена на рис. 4.
Механическое поведение материала рассматривали как упругопластическое, описываемое уравнениями (3)-(5) [3].
Уравнение статического равновесия
да I .• —— = 0,
дХ:
(3)
где а., х
1,у I
-Xgrad(T) - теплота, подводимая внешними источниками; я - теплота, выделенная внутренними источниками.
Для решения тепловой задачи в качестве граничного условия на поверхности сварного шва и трубы принято условие полного теплообмена - лучистого и конвективного [2]
К0 = К + К, (2)
0 л к 4 '
где Кл = Се(Т + Т0)(Т + Т.2) - лучистая и Кк = 25 Вт/мм2 - конвективная составляющие теплообмена; Т0 = 20 °С - начальная температура среды; Т - температура нагрева; С - постоянная Стефана-Больцмана; е - коэффициент черноты тела. Значения использованных в расчете тепло-физических характеристик сталей определены по графикам, приведенным на рис. 3 [4].
тензоры напряжения и оси прямоугольной системы координат.
Деформация представлена как сумма компонент
8 = 8 + 8 + 8й,
ер
где 8 , 8 , 8
ер
(4)
упругие, пластические и термоупругие деформации.
Переход материала в пластическое состояние характеризуется критерием пластичности
Б(а,х,ат(Т)) = Ла - х) - ат(Т) * 0, (5)
где ат(Т) - предел текучести материала в зависимости от температуры; а - тензор напряжения; х - направляющий тензор.
Общий вид закона пластического деформирования описывается выражением
дт2
= Х-
8Б.: ч
(6)
где Эх2 - приращение интенсивности девиатора напряжений; дБ. - девиатор напряжения; X - скалярная величина.
0
0
0
0
400
£ 300
200
ч 100
<
си ср
с
200 400 600 800 1000 Температура, °С
1200 1400 1600
Рис. 5. Изменение предела текучести сталей 03Х17Н9М3 и 04Х19Н11М3 в зависимости от температуры
200 180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 -
0
300 250200150-
| 100-
с
СЗ
X
50 -
500 1000 Температура, °С
1500
0,2 0,4 0,6
Степень деформации, усл. ед.
20 -»-200 -»-300 -»-400 500 -в-600 -в-700 800 1000 1200, °С
Рис. 6. Изменение механических свойств сталей 03Х17Н9М3 и 04Х19Н11М3 в зависимости от температуры: а - модуль упругости; б - кривые деформационного
упрочнения
0,14-
0,12-
я ( я
3
л
3 I ср
0
Си Н
>У I
Ср
^У
1 1
ср
си Н
Щ С учетом плавления
_ -ф- Без учета плавления
Интервал ^^^
плавления/кристаллизации
для стали 03Х17Н9М3 и
_ 04Х19Н11М3 • ^-1-1-
Использованные в расчете механические характеристики материала определены по графикам, представленным на рис. 5-7 [4].
Плавление и кристаллизация металла сопровождаются процессами расширения и усадки [5], что в модели было учтено нелинейно изменяющейся термоупругой деформацией (см. рис. 7).
Экспериментальное измерение сварочных деформаций показало, что максимальная ошибка расчетов составила 14% (рис. 8). Анализ расчетной и экспериментальной форм сечения шва после сварки показал (рис. 9), что расхождение связано с использованием усредненных теплофизи-ческих входных данных, а также с последовательным решением тепловой и механической задач.
Полученные величины и характер распределения временных и остаточных напряжений в сварном шве (рис. 10) показывают, что окружные напряжения имеют максимальные значения на уровне 80-85% от ав - 630 МПа для стали 04Х19Н11М3.
о
500
2000
2500
1000 1340 1500
Температура, °С
Рис. 7. График изменения тепловых деформаций в зависимости от температуры
л
о;
С
Модель с кинематическим упрочнением - Эксперимент
3 5 7
Количество сварочных проходов
Рис. 8. Сравнение экспериментально измеренных и рассчитанных перемещений после каждого прохода
Заключение. Таким образом, можно сделать вывод, что во время работы изделия при повышенных температурах, начиная с 450 °С, возможно изменение проектных размеров ввиду значительной релаксации остаточных напряжений. Из-за высокого уровня остаточных напряжений в центре сварного соединения возможно также образование трещин в осевом направлении, что в ходе эксплуатации может привести к нарушению герметичности трубопровода.
0
а
0
1
9
Рис. 9. Профиль сечения шва после сварки: а - расчетный; б - экспериментальный
Рис. 10. Распределение остаточных напряжений после сварки: а - окружные напряжения; б - осевые напряжения
Библиографический список
1. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. М. : Мир, 1979. 392 с.
2. Рыкалин Н.Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. М. : Машгиз, 1951. 296 с.
3. Соколовский В.В. Теория пластичности. М. : Высш. шк., 1969. 608 с.
4. Thermophysical properties of materials for nuclear engineering: Tutorial and Collection of Data. IAEA, Vienna, 2008.
5. Бочвар А.А. Исследование механизма и кинетики кристаллизации сплавов эвтектического типа. М.-Л., 1935.
6. Коновалов А.В., Неровный В.М., Куркин А.С. Теория сварочных процессов. М. : МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2007. 752 с.
7. Пономаренко Д.В., Сюкасев Г.М. Механизм возникновения сварочных напряжений и деформаций. Учеб. электр. текстовое изд. Каф. «Технология сварочного производства». Екатеринбург : УГТУ-УПИ, 2009.
INVESTIGATION OF LOCAL STRESS AND STRAINS IN WELDED JOINTS OF TUBE FITTINGS FROM STEEL 03Х17Н9М3 BY METHODS OF COM-PUTER SIMULATION
© Bilenko G.A.
The local stress strain analysis of tube welded joint made of 03X17H9M3 steel by orbital TIG welding was done by computer simulation based on finite element method.
Keywords: tube welding; orbital multipass welding; welding austenitic corrosion-resistant steel; residual welding stresses and strains.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.