一种考虑焊接残余应力的焊接接头蠕变疲劳寿命评定方法

摘要

本发明公开了一种考虑焊接残余应力的焊接接头蠕变疲劳寿命评定方法，通过研究焊接残余应力在蠕变疲劳过程中的松弛规律，提出了焊接残余应力和循环周次之间的关系，并将焊接残余应力引入到Omega蠕变损伤本构模型中进行修正，然后采用修正后的Omega蠕变损伤本构模型计算不考虑疲劳损伤时的纯蠕变寿命、考虑蠕变损伤时的许用疲劳循环周次及考虑疲劳损伤的蠕变疲劳寿命，从而对焊接接头结构设计进行评定。本发明的蠕变疲劳寿命评定方法相比于传统未考虑残余应力影响的评估方式，可以更加切合焊接接头实际的受力情况，从而能够更加准确地对焊接接头结构设计进行评定。

说明书

技术领域

本发明涉及蠕变疲劳寿命预测技术领域，具体涉及一种考虑焊接残余应力的焊接接头蠕变疲劳寿命评定方法。

背景技术

在能源化工、核电、航空航天等行业中，大量机械设备如石油化工加氢反应器、航空发动机、换热器、蒸汽管道以及核电核心设备等，存在大量的焊接接头，并长期服役于高温条件。由于频繁的启动停车、较大范围内的温度波动以及高温高压极端环境，蠕变疲劳交互作用成为高温设备失效，尤其是焊接接头失效的最常见方式之一。因此，准确评估材料的蠕变疲劳交互寿命成为一项严峻的考验。

在上世纪90年代，Prager等人经材料试验和理论研究提出了Omega方法，用于蠕变工况下压力容器的设计和蠕变疲劳寿命的评定。但该蠕变疲劳寿命评定方法中均未考虑焊接残余应力的影响，而对于焊接接头又不可避免存在初始焊接残余应力，且残余应力对于蠕变疲劳过程的力学行为及变形均有很大的影响，因此，亟需提出一种考虑焊接残余应力的蠕变疲劳寿命评估方法，以精准设计并评定焊接接头的蠕变疲劳寿命。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种考虑焊接残余应力的焊接接头蠕变疲劳寿命评定方法，可以提高焊接接头设计的准确度，并提高蠕变疲劳寿命评估精度。

本发明采用的技术解决方案是：

本发明提供了一种考虑焊接残余应力的焊接接头蠕变疲劳寿命评定方法，包括如下步骤：

(1)对所选材料的结构进行有限元建模，选取设计温度及设计压力，采用线弹性模型进行分析设计，选取Mises应力值最大的区域作为危险区域，对危险区域进行线性化分析及强度校核，确定危险区域的疲劳应力幅值S

(2)建立焊接接头标准试样有限元模型，采用热力耦合计算方法，计算焊接残余应力在步骤(1)设计温度下的蠕变疲劳交互演化规律，对Omega蠕变损伤本构模型进行修正，建立修正后的Omega蠕变损伤本构模型；

(3)基于步骤(1)建立的有限元模型，选择最危险工况，计算至少2个带有保载时间的加载卸载循环，对待评估焊接接头进行弹性安定性分析，若弹性安定性分析符合要求，则继续步骤(4)，若弹性安定性分析不符合要求，则修改步骤(1)中的结构参数重新计算；

(4)根据步骤(2)所确定的修正后的Omega蠕变损伤本构模型，计算不考虑疲劳损伤时的纯蠕变寿命L

(5)根据步骤步骤(4)所得的纯蠕变寿命及步骤(1)所得的疲劳应力幅值，计算考虑蠕变损伤时的许用疲劳循环周次N

(6)通过修正系数对步骤(4)得到的纯蠕变寿命L

进一步地，所述步骤(2)中修正后的Omega蠕变损伤本构模型如下：

其中，D

上式中，

其中，

进一步地，所述焊接接头的初始残余应力σ

进一步地，所述步骤(6)中修正系数的计算公式为：

上式中，

其中，Δε

进一步地，所述步骤(6)中修正蠕变疲劳寿命L

进一步地，所述步骤(3)中弹性安定性分析过程中采用理想弹塑性模型与修正后的Omega蠕变损伤本构模型结合进行分析。

进一步地，所述步骤(3)中每个加载卸载循环的保载时间大于8800h。

本发明的有益效果为：

本发明通过研究焊接残余应力在蠕变疲劳过程中的松弛规律，提出了焊接残余应力和循环周次之间的关系，并将焊接残余应力引入到Omega蠕变损伤本构模型中对蠕变损伤本构模型进行修正，本发明修正后的Omega蠕变损伤本构模型可以更加切合焊接接头实际的受力情况，能够明显提高蠕变应变率以及蠕变疲劳寿命的计算精度，进而更加准确地对焊接接头结构设计进行评定。

附图说明

为了清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是残余应力随循环周次演化规律图；

图2是安定性分析应力与时间以及应力与应变关系示意图；

图3是蠕变损伤与蠕变寿命关系图。

具体实施方式

本发明提供了一种考虑焊接残余应力的焊接接头蠕变疲劳寿命评定方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种考虑焊接残余应力的焊接接头蠕变疲劳寿命评定方法，包括如下步骤：

(1)对所选材料的结构进行有限元建模，选取设计温度及设计压力，采用线弹性模型进行分析设计，选取Mises应力值最大的区域作为危险区域，对危险区域进行线性化分析及强度校核，确定危险区域的疲劳应力幅值S

(2)建立焊接接头标准试样有限元模型，对Omega蠕变损伤本构模型进行修正，建立修正后的Omega蠕变损伤本构模型；修正过程具体为：

(21)基于abaqus有限元分析，采用热力耦合计算方法，计算焊接残余应力在步骤(1)设计温度下的蠕变疲劳交互演化规律，并建立焊接残余应力σ

N＝t/(T+T

其中，σ

(22)将焊接残余应力σ

其中，E代表半寿命周次的循环杨氏模量；

将上述焊接残余应变ε

(23)考虑焊接残余应变ε

其中，

(24)基于上述修正初始蠕变应变率

其中，

(3)基于步骤(1)建立的有限元模型，选择最危险工况，计算至少2个带有保载时间的加载卸载循环，对待评估焊接接头进行弹性安定性分析，若弹性安定性分析符合要求，则继续步骤(4)，若弹性安定性分析不符合要求，则修改步骤(1)中的结构参数重新计算；在该步骤(3)中弹性安定性分析过程中采用理想弹塑性模型与修正后的Omega蠕变损伤本构模型结合进行分析，且所述步骤(3)中每个加载卸载循环的保载时间大于8800h；

(4)根据步骤(2)所确定的修正后的Omega蠕变损伤本构模型，计算不考虑疲劳损伤时的纯蠕变寿命L

(5)根据步骤(4)所得的纯蠕变寿命及步骤(1)所得的疲劳应力幅值，计算考虑蠕变损伤时的许用疲劳循环周次N

(6)通过修正系数对步骤(4)得到的纯蠕变寿命L

其中，Δε

基于上述修正系数，修正蠕变疲劳寿命L

实施例1

本实施例1以CrMoV钢制备的加氢反应器的顶部封头与筒体焊接接头部位为例对上述蠕变疲劳寿命评定方法进行详细说明，步骤如下：

(1)对所选封头和筒体连接区域进行有限元建模，选取设计温度为450℃，设计压力为18MPa，采用线弹性模型进行分析设计，选取Mises应力值最大的危险区域进行线性化分析及强度校核，评定结果如表1所示，并确定了危险点的疲劳应力幅值S

(2)建立焊接接头标准试样有限元模型，对Omega蠕变损伤本构模型进行修正，建立修正后的Omega蠕变损伤本构模型；修正过程具体为：

(21)基于abaqus有限元分析，建立连接区域焊接接头标准样模型，采用热力耦合的计算方法，计算焊接残余应力在450℃下、应力比R＝0、应力幅值为36MPa、周期T＝5s，保载时间T

同时，通过abaqus有限元分析模拟得到半寿命周次的循环杨氏模量E＝1.83*10

(22)将上述焊接残余应力σ

然后将上述焊接残余应变对加载时间求导并取绝对值，得到残余应变率为：

(23)将表2中的CrMoV钢材料蠕变损伤系数A

(3)对封头和筒体连接区域进行弹性安定性分析，选取设计温度为450℃，设计压力为18MPa，计算2个带有保载时间的加载卸载循环，每个循环保载时间为9000h；安定性分析采用理想弹塑性模型，同时使用Fortran对蠕变损伤模型进行二次开发，通过理想弹塑性模型与修正的Omera蠕变损伤模型结合，进行结构的弹性分析，如图2所示，发现结构每次重新加载时，应力均可达到卸载前的值，每次加载卸载段完全重合，均未出现反向屈服，没有塑性应变的累积，所以本例中结构满足弹性安定的要求；

(4)不考虑疲劳损伤的影响，选用修正的Omega蠕变损伤模型，选取450℃和36MPa的工况，计算模拟蠕变损伤与蠕变寿命之间的关系，从而得到如图3所示的蠕变损伤与蠕变寿命的关系图，当Dc＝0.95时，L

(5)根据AMSE标准中表3M(如下表3)关于CrMoV材料的疲劳寿命应力幅与循环周次的关系，并结合步骤(4)所得的纯蠕变寿命L

(6)通过修正系数ξ对步骤(4)得到的纯蠕变寿命L

(6-1)计算修正系数ξ

Δε

ε

从而：Δε

(6-2)计算考虑疲劳损伤的蠕变疲劳寿命L

L

另外，如果本实施例在步骤(6)计算过程中不考虑焊接残余应力对蠕变疲劳寿命的影响，则由表4可知，当S

实施例2

本实施例2采用修正前后的Omega蠕变损伤本构模型计算实施例1中的CrMoV钢封头和筒体连接区域在不同疲劳应力幅值下的蠕变疲劳寿命L

表1

表2

表3

表4

表5

需要说明的是，本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。