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蒸汽凝结水罐焊接工艺模拟与优化研究

发表时间：2020/8/3 来源：《文化时代》2020年5期作者：1李建 2谭秀庆

[导读] 以某石油企业蒸汽凝结水罐为研究对象，针对蒸汽凝结水罐使用寿命较低的问题，对蒸汽凝结水罐焊接工艺进行模拟研究，结果表明，原焊接工艺下蒸汽凝结水罐整体的最大变形为1.63mm，是其使用寿命较低的主要原因。通过改进蒸汽凝结水罐焊接工艺顺序的方法完成了焊接工艺的优化设计，应用结果表明，改进焊接工艺顺序之后制备得到的蒸汽凝结水罐，焊接整体最大变形减小0.28mm，达到了预期的优化结果。

1成都益志科技有限责任公司四川成都 610000；
2成都英德生物医药装备技术有限公司四川成都 610100
        摘要：以某石油企业蒸汽凝结水罐为研究对象，针对蒸汽凝结水罐使用寿命较低的问题，对蒸汽凝结水罐焊接工艺进行模拟研究，结果表明，原焊接工艺下蒸汽凝结水罐整体的最大变形为1.63mm，是其使用寿命较低的主要原因。通过改进蒸汽凝结水罐焊接工艺顺序的方法完成了焊接工艺的优化设计，应用结果表明，改进焊接工艺顺序之后制备得到的蒸汽凝结水罐，焊接整体最大变形减小0.28mm，达到了预期的优化结果。
        关键词：蒸汽凝结水罐；焊接工艺；模拟分析；优化设计；应用


引言
        随着石油行业的发展，石油开采设备工作的安全性和可靠性要求越来越高。压力容器作为石油开采的重要设备，工作环境极其恶劣，不仅需要承受高压，还要同时承受高温和腐蚀等，因此对其质量要求极高[1-3]。蒸汽凝结水罐是石油行业中常用的压力容器，工作过程中一旦出现事故，威胁人员安全和环境，给企业带来不可估量的损失[4]。焊接作为蒸汽凝结水罐制备过程中的关键技术，决定着蒸汽凝结水罐的质量，对焊接工艺需要进行严格控制[5]。焊接变形对于蒸汽凝结水罐的疲劳性能影响较大，关系着蒸汽凝结水罐使用的安全性和寿命，必须引起高度重视[6]。因此开展蒸汽凝结水罐焊接工艺模拟与优化研究具有重要的意义。
        1.蒸汽凝结水罐焊接工艺概述
        焊接作为蒸汽凝结水罐生产制造过程中的主要工艺，决定了蒸汽凝结水罐的质量。焊接变形问题作为焊接工艺设计人员面临的技术难题，现已制约了蒸汽凝结水罐抗疲劳性能和使用寿命的进一步提升，开展蒸汽凝结水罐焊接工艺优化工作迫在眉睫。以某石油企业蒸汽凝结水罐为研究对象，针对蒸汽凝结水罐使用寿命较低的问题，对蒸汽凝结水罐焊接工艺进行模拟研究。蒸汽凝结水罐包括筒体纵向焊缝、端部环焊缝和封头焊缝，当前使用的焊接工艺顺序为纵向焊缝→左封头焊缝→右封头焊缝。基于现有焊接工艺开展焊接变形数值模拟分析，得到焊后蒸汽凝结水罐的变形分布情况，进一步调整优化焊接工艺，以此为蒸汽凝结水罐的设计改进提供技术参考。
        2.蒸汽凝结水罐焊接工艺模拟
        2.1有限元仿真模型建立
        蒸汽凝结水罐三维模型的建立采用了SolidWorks软件，由于蒸汽凝结水罐的结构较为复杂，为了保证模拟过程的计算效率，对其模型进行了简化处理，忽略了部分非关键孔、倒角、筋板等。之后将建立完成的蒸汽凝结水罐的实体模型保存成.igs格式，导入Hyper works 软件完成网格的划分。网格划分时网格类型选择8节点6面体单元。为了保证焊缝模拟计算的精度，焊缝区、热影响区和筒体格划分密度逐渐减小，不同网格密度边缘进行相容设置。
        2.2模拟参数设置
        蒸汽凝结水罐完成网格划分之后，启动Visual-mesh模块进行焊接分组的定义，主要涉及焊缝区域、母材区域、焊接工艺路线、焊接起始点和终了点、热扩散条件等。蒸汽凝结水罐封头和筒体的材料牌号为15CrMoR[H]，主要化学成分如下：C：0.13~0.17%，Si：0.16~0.42%，Mn：0.43~0.68%，Cr：0.76~1.3%，Mo：0.28~0.55%，Ni：≤0.18%，Cu：≤0.19%。焊接所用的耐热钢焊丝牌号为H08CrMoC，主要化学成分如下：C：≤0.14%，Si：≤0.29%，Mn：0.47~1.1%，Cr：0.85~1.45%，Mo：0.46~0.67%，Cu：≤0.34%。
        蒸汽凝结水罐焊接完直接置于空气环境中自然冷却，焊缝与空气接触位置的散热边界条件设置成自由边界，对焊接夹持位置设置成固定约束，仿真时焊接保护气体选择二氧化碳，气体流量设置为30L/min。焊接工艺如下：选择直径尺寸为Φ3mm的喷嘴，配置直径为Φ2.2mm的焊丝，设置焊接电流为550A，焊接电压为32V，焊接过程中的焊接速度设置为9mm/s，送丝的速度设置为140mm/s，确保焊接过程的连续可靠运行。
        蒸汽凝结水罐模拟分析运用Sysweld软件中的Check 模块完成，设置蒸汽凝结水罐焊接过程的时间为17005s，分析计算时间设置为30000s，之后即可启动Sysweld 软件中的Temperature Analysis 和Mechanical Analysis求解器进行分析求解。
        2.3模拟结果与分析
        焊接变形的程度与蒸汽凝结水罐的疲劳强度及使用寿命息息相关，要想提高蒸汽凝结水罐的使用寿命，必须严格控制焊接过程产生的变形量。此处采用Sysweld 软件完成了蒸汽凝结水罐的焊接过程模拟，结果如图1所示。

        a）X方向变形云图

        b）Y方向变形云图

        c）Z方向变形云图

        d）整体变形云图
        图1蒸汽凝结水罐变形模拟结果
        图1分别给出了蒸汽凝结水罐X轴方向的变形云图、Y轴方向的变形云图、Z轴方向的变形云图及蒸汽凝结水罐整体变形云图。由上述模拟结果可以得出，蒸汽凝结水罐焊接之后整体最大变形量为1.63mm，出现在焊缝位置，呈现出中间凹陷，两端凸出翘曲的形态。蒸汽凝结水罐在X轴方向两端焊缝的变形量差距基本一致，右端的变形量稍微大一些，变形量为0.78mm，此处不仅会受到纵向焊缝焊接过程中产生的拉应力，还是纵向焊缝和环形焊缝相交的位置，包含了纵向焊缝的起点、终点和两端环形焊缝的起点和终点，以上多种焊接应力综合作用导致该处的变形量较大。蒸汽凝结水罐在Y轴方向上的最大变形量为-1.57mm，变形量大于X轴和Z轴的最大变形量，可见厚度方向上的焊接变形是最大的；蒸汽凝结水罐Z轴方向上的最大变形量为1.37mm。

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综述所述，蒸汽凝结水罐焊接之后的整体最大变形量为1.63mm，是导致其使用寿命较低的主要原因，因此有必要对其焊接工艺进行优化改进，以便降低焊接过程产生的变形量。
        3.蒸汽凝结水罐焊接工艺优化设计
        3.1焊接工艺改进
        蒸汽凝结水罐结构极为复杂，焊接是其生产制造过程中的主要工序，焊接工艺的先进性直接与蒸汽凝结水罐的质量和变形大小有关。基于当前蒸汽凝结水罐焊接所用的工艺完成了焊后蒸汽凝结水罐变形量的模拟分析，结果表明焊后变形较大，需要进一步进行优化设计。目前焊接工艺的改进方向主要有焊接顺序的优化、焊缝起始点的优化、多维度优化等，结合蒸汽凝结水罐实际生产过程现状，此处选择调整焊接顺序的方法对蒸汽凝结水罐焊接工艺进行优化设计，该种优化方法实施起来较为简单，不需要进行过多的准备工作。
        蒸汽凝结水罐目前使用的焊接工艺顺序是先完成纵向焊缝的焊接，之后依次完成左封头和右封头的焊接，在此基础上提出的优化方案是首先完成蒸汽凝结水罐纵向焊缝的焊接，之后同时完成左封头和右封头的焊接，焊接工艺参数不改变。
        3.2工艺改进模拟结果与分析
        提出蒸汽凝结水罐焊接工艺优化方案之后，调整Sysweld 软件中蒸汽凝结水罐的焊接顺序，其余设置参数保持不变，再次调用软件自带求解器，完成蒸汽凝结水罐焊接过程的模拟计算。计算完成之后得出的模拟结果如图2所示。

        a）X方向变形云图

        b）Y方向变形云图

        c）Z方向变形云图

        d）整体变形云图
        图2改进蒸汽凝结水罐变形模拟结果
        图2分别给出了改进焊接工艺顺序之后蒸汽凝结水罐X轴方向的变形云图、Y轴方向的变形云图、Z轴方向的变形云图及蒸汽凝结水罐整体变形云图。由上述模拟结果可以得出，蒸汽凝结水罐焊接之后整体最大变形量为1.34mm，出现在焊缝位置，呈现出中间凹陷，两端凸出翘曲的形态，相较于焊接顺序改进之前，最大变形量降低了0.28mm，变形规律相同。蒸汽凝结水罐在X轴方向两端焊缝的变形量差距基本一致，最大变形量为0.68mm，蒸汽凝结水罐在Y轴方向上的最大变形量为-1.3mm，，蒸汽凝结水罐Z轴方向上的最大变形量为1.13mm。相较于焊接工艺顺序改进之前，X轴方向、Y轴方向、Z轴方向的焊接变形量均出现的一定程度的降低，由此可见，通过改变蒸汽凝结水罐生产制造过程中的焊接工序顺序，能够降低蒸汽凝结水罐焊接变形，有利于提高蒸汽凝结水罐的疲劳性能和使用寿命。
        4.应用效果评价
        为了验证焊接工艺优化设计的效果，将该优化结果反馈至蒸汽凝结水罐生产制造企业并得到了相关技术人员的认可与支持，随即开展了蒸汽凝结水罐的试制工作。试制过程中焊接工艺参数采用了模拟计算时的设置参数，焊接工人具有焊工专业资格证及相关高压容器的焊接经验，采用了先焊接纵向焊缝，之后同时焊接左封头和右封头的焊接顺序，顺利完成了蒸汽凝结水罐的焊接。请制造企业的质量检测人员对焊接之后的蒸汽凝结水罐进行焊接变形量的检测，检测结果如下：蒸汽凝结水罐的整体变形量为1.26mm，蒸汽凝结水罐在X轴方向两端焊缝的变形量差距基本一致，最大变形量为0.57mm，蒸汽凝结水罐在Y轴方向上的最大变形量为-1.19mm，，蒸汽凝结水罐Z轴方向上的最大变形量为1.02mm。由以上蒸汽凝结水罐焊后变形检测结果可以看出，实测值与模拟计算的变形量数值基本吻合，实测值整体偏小的原因可能是模拟仿真过程进行了较多简化和假设。
        之后质量检测人员对整个蒸汽凝结水罐的整体几何尺寸进行了检测，蒸汽凝结水罐焊后的最大直线度尺寸为1.36mm，最大圆度误差尺寸为1.28mm，相较于焊接工艺顺序改进之前，最大直线度降低近14%，最大圆度降低近19%，取得了很好的优化效果，预计蒸汽凝结水罐的使用寿命至少提高25%以上。据制造企业精益部门统计反馈，改进之后的焊接工艺顺序，蒸汽凝结水罐的焊接工艺实施时间降低了近30%，大大提高了蒸汽凝结水罐的生产效率，预计会为企业产生65万/年的经济收益，具有很好的应用价值。
        5.结论
        蒸汽凝结水罐作为石油炼制过程中的重要设备，必须保证其工作的安全性和可靠性。以某石油企业蒸汽凝结水罐为研究对象，针对蒸汽凝结水罐使用寿命较低的问题，对蒸汽凝结水罐焊接工艺进行模拟研究，结果表明，蒸汽凝结水罐整体的最大变形为1.63mm，是其使用寿命较低的主要原因。之后通过改进蒸汽凝结水罐焊接工艺顺序的方法完成了焊接工艺的优化设计，结果表明，改进焊接工艺之后制备得到了蒸汽凝结水罐，整体焊接最大变形量降低了0.28mm，X轴方向、Y轴方向、Z轴方向的焊接变形量均出现了降低趋势，取得了很好的优化效果，预计蒸汽凝结水罐的使用寿命至少提高25%以上，提高了蒸汽凝结水罐生产效率，预计会为企业产生65万/年的经济收益，应用效果显著。

        参考文献：
        [1]杨奎，段攀峰.现代化压力容器焊接残余应力的研究现状与展望[J].工程技术（全文版）：00264-00264.[2]龙昕，汪建华.温差法在焊接残余应力和变形控制中的应用[J].压力容器，2000（04）：39-42+61+2.
        [3]韦宏.基于模拟的聚合物激光透射焊接工艺参数优化研究[D].苏州大学，2012.
        [4]孙少南，于敦吉，张喆，等.反应堆压力容器内环形件焊接残余应力数值模拟[C]压力容器先进技术—第九届全国压力容器学术会议论文集.2017.
        [5]宋丽平，李继红.压力容器接管焊接残余应力及变形的数值模拟研究[J].热加工工艺，2012，41（005）：150-153.
        [6]任水利，李笑雨.冷轧双相钢激光焊接工艺优化与数值模拟研究[J].铸造技术，2016，037（009）：1984-1986.