316LQ345异种钢钢管焊接数值模拟研究毕业论文

 2022-06-21 11:06

论文总字数:21957字

摘 要

不锈钢与低合金钢的异种钢焊接构件在热电、石油及化工领域的压力容器、锅炉及热交换器等行业中应用越来越广。它既具有不锈钢较强的耐腐蚀性,又有低合金钢的经济性。

本文基于ANSYS软件,选用高斯分布的热源模型,分别从单元类型、材料属性、几何模型及生死单元技术等几个方面对316L/Q345异种钢管道焊接接头建立了有限元模型,并进行了温度场和应力场进行了研究。结果表明:在焊接热源前方温度梯度大,焊接热源后方温度梯度较小,x向应力焊缝处最大约为240MPa,焊缝中心约为-100MPa压应力。远离焊缝应力逐渐降低,约为-11MPa。y向应力最大拉应力约为285MPa,最大压应力约为-395MPa。Mises应力分布并不对称,焊缝处的最大Mises应力可达350MPa, 焊缝中心处应力约为73MPa,远离焊缝处应力逐渐减少,最低处Mises应力仅为几兆帕。

关键字:ANSYS软件 焊接 应力 温度场

Numerical simulation of Dissimilar welding between Q345 Low-alloy Steel and 316L Stainless Steel Pipe

Abstract

Dissimilar metal welded joints of low-alloy steel and stainless steel are widely used in pressure vessels, boilers, heat exchangers of power generation industry and petrochemical plants and oil and gas industry. It not only has the highly corrosion resistance of the stainless steel but also has the high economical efficiency of the low-alloy steel.

In this paper, the finite element model of Q345 low-alloy steel and 316L stainless steel welded joint was established based on Gauss heat distribution model, and the temperature field and stress field were also studied based on element types, material properties, geometry model and life-death element technique in the ANSYS software. The results show that the temperature gradient in front of the welding heat source is big, but it is small at the back of the welding heat source. The highest stress in x-direction is about 240MPa. However, the highest stress on the center of welding seam is about -100MPa, and the stress gradually reduces to -11MPa with increasing the distance to welding center. The highest stress in y-direction is about 285MPa. However, the highest compressive stress is about -395MPa, and the Mises stress is not symmetry. The highest Mises stress is about 350MPa, and the Mises stress on the center of seam is about 73MPa. Meanwhile, the stress gradually reduces with increasing the distance to welding center and is only several megapascals.

Keywords:ANSYS software;Welding;Stress;Temperature field;

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 绪论 1

1.1课题研究的意义及背景 1

1.2 316L/Q345异种钢焊接国内外研究进展 3

1.3焊接过程数值模拟研究现状 5

1.4 ANSYS软件介绍 6

1.5 课题研究内容及技术路线 6

第二章 焊接基础及有限元模型建立 8

2.1基本概念和基本理论 8

2.2焊接温度场理论 8

2.3焊接热源模型 9

2.4潜热处理 10

2.5 有限元模型建立 10

2.5.1建立几何模型 11

2.5.2 材料物性 12

2.5.3 网格划分 17

2.5.4 杀死焊缝单元 18

2.6 本章小结 21

第三章 焊接数值模拟结果分析 22

3.1焊接温度场的计算结果 22

3.1.1 不同时刻焊接温度场云图 22

3.1.2 焊接温度的热循环 24

3.2 焊接接头应力场计算结果 25

3.2.1管道不同时刻的应力云图 25

3.2.2 应力分布曲线图 27

3.2.3 焊接的应力循环 29

3.3 本章小结 32

第四章 结论 33

参考文献 34

致 谢 36

第一章 绪论

1.1课题研究的意义及背景

现代工业不断发展,对零部件的性能也提出了更高的要求,任何一种金属材料都不可能全面满足使用要求,即使某种金属比较理想,也往往会导致成本过高而不能广泛应用于工程建设中。随着焊接技术的发展,现已经可以将不同性能的材料焊接成复合零部件,这样即可节约贵重材料也可以满足各种性能要求。

不锈钢与碳钢的异种钢焊接构件在石油钻采、油气输送及原油炼化等行业中应用越来越广。它既具有不锈钢较强的耐腐蚀性,又有碳钢的经济性。其中,316L不锈钢与Q345碳钢的异种钢焊接在结构设计与制造中经常被采用。

316L是一种不锈钢材料牌号,我国的标准牌号为022Cr17Ni12Mo2(新标),旧牌号为00Cr17Ni14Mo2。316L因其优异的耐腐蚀性在化工行业有着广泛的应用,316L也是属于18-8型奥氏体不锈钢的衍生钢种[1]。其化学成分见表1-1,常温下力学性能见表1-2。316L钢的主要物理性能数据见表1-33。

表1-1 316L化学成分[2]

成分

C

Si

Mn

S

P

Cr

Ni

Mo

含量

≤0.030

≤1.00

≤2.00

≤0.030

≤0.045

16.00~18.00

10.00~14.00

2.00~3.00

表1-2 316L的常温力学性能[3]

σb(MPa)

σ0.2(MPa)

硬度(HB)

ψ (%)

δ5 (%)

≥480

≥177

≤187

≥60

≥40

表1-3 316L钢的物理性能[4]

密度,kg/m3

8.00×103

熔点 ℃

1371~1398

温度,℃

20

93

95

204

316

427

538

649

871

热导率λ,W/m·k

13.4

-

-

15.5

-

18.8

-

21.8

24.3

比热容C,J/kg·k

444

-

-

515

-

561

-

582

628

电阻率P,nΩ·m

-

670

-

810

950

1080

1160

-

-

线膨胀系数α,10-6/k

-

-

15.7

16.3

-

17.5

-

18.3

18.9

316L应用广泛,该钢种的使用性能具有以下优点:

  1. 优良的耐候性,长时间使用无老化、劣化现象,无由老化产生的裂纹及脱皮现象。
  2. 优良的耐热性,耐温316L不锈钢管产品可在-193到350摄氏度的温度范围使用,耐高温材质的产品则具有更大的耐温范围。
  3. 高耐压性,由于316L不锈钢管管体采用高品质不锈钢,内径10mm的软管可承受20Mpa的压力;内径300mm的软管可承受1Mpa的压力。
  4. 长寿命,改善后的环形系列不锈钢管反复弯曲时的疲劳寿命是标准品的4倍以上。
  5. 品质稳定, 适宜的质量保证及管理体系的确立,使产品的质量稳定可靠。 
  6. 最小弯曲半径,与直线状配管保持相同的压力性能时,带网的钢管总成所能允许的最小弯曲半径。

Q345钢是老牌号的12MnV、14MnNb、18Nb、16MnRE、16Mn等多个钢种的替代,而并非仅替代16Mn钢一种材料,Q345钢的主要组成元素比例与16Mn钢基本相同,区别是增加了V、Ti等微量合金元素。少量的V、Ti等合金元素能细化晶粒,提高钢的韧性,钢的综合机械性能得到较大提高[5],其化学成分见表1-4,常温下力学性能见表1-5。

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