[发明专利]一种管壳式换热器管子与管板焊接接头应力腐蚀敏感性预测方法

权利要求书

1.一种管壳式换热器管子与管板焊接接头应力腐蚀敏感性预测方法，其特征是：

（1）确定管壳式换热器管子与管板焊接接头的几何尺寸；

（2）确定换热器管头随温度变化的材料参数，包括：弹性模量、泊松比、屈服强度、热传导系数、热膨胀系数、比热、密度；

（3）建立管壳式换热器管子与管板焊接接头的二维轴对称有限元模型，设置管壳式换热器管头的边界约束条件，换热管在管端点I处设置X向轴对称约束，管板在板端点II处设置Y向轴对称约束；计算换热器管头的焊接残余应力分布，得到焊接残余应力分布图；

（4）保持有限元模型的网格不变，利用扩展有限元的方法引入裂纹，导入焊接残余应力，导入前后的焊接残余应力未发生明显变化；考虑裂纹对换热器管头残余应力演化的影响，获得换热器管头的焊接残余应力重分布图；

（5）对换热器管子与管板焊接接头进行热处理消除应力，加工无应力腐蚀试样，测量试样焊接接头的腐蚀电流密度、腐蚀电位，获得管头不同焊接区域的电化学腐蚀参数；

（6）通过化学反应的激活能建立载荷与腐蚀反应之间的联系，应力腐蚀过程中，材料活化溶解的阳极电流密度与吉布斯自由能密切相关：

(1)

式(1)中，i₀为无外加载荷时的材料阳极电流密度，△G_σ为外加载荷造成的吉布斯能的变化值，R为气体常数，T为绝对温度；

在裂纹尖端的微区中，应力对材料表面电子活度的影响较小，因此外加载荷对阳极活化溶解的影响忽略电子逸出功的作用，吉布斯自由能表示为：

(2)

式(2)中，△U为载荷作用下材料内能的变化，T为绝对温度，△S为熵变，P为压力，△V为载荷作用下体积的变化；

材料塑性变形过程中，位错引起的体积变化较小，忽略塑性变形引起的体积变化，△V表示为：

(3)

式(3)中，M为金属原子质量，v为泊松比，σ_h为静水压力，E为材料的弹性模量，ρ为材料密度，；

σ_h由裂纹尖端的主应力表示：

(4)

式(4)中，σ₁、σ₂、σ₃表示选取裂纹尖端三个方向的主应力；

材料电极中，熵变和内能的变化量由存储在电极内的塑性应变能密度表示：

(5)

式(5)中，△U为载荷作用下材料内能的变化，T为绝对温度，△S为熵变，W为材料原子质量，ρ为金属电极的密度，η为存储于材料中塑性应变能密度的比率，W_P为材料单位摩尔体积内的塑性应变能密度；

根据Ramberg-Osgood power定律： (6)

式(6)中，P和n均为材料常数，σ为总应力；

外加载荷作用下，材料单位摩尔体积内的塑性应变能密度表示为：

(7)

式(7)中，σ_i为i方向的主应力，ε_pi为i方向的塑性应变，P和n均为材料常数，σ₁、σ₂、σ₃表示裂纹尖端的主应力；

管壳式换热器管子与管板焊接接头裂纹尖端的复杂应力促进管头的阳极溶解，根据载荷作用下的阳极活化溶解电流密度预测换热器管头不同焊接区域的应力腐蚀敏感性；

（7）改变裂纹在换热器管头中的位置，重复步骤(3)-(6)，求得管壳式换热器管子与管板焊接接头不同焊接区域的应力腐蚀敏感性。

2.如权利要求1所述的一种管壳式换热器管子与管板焊接接头应力腐蚀敏感性预测方法，其特征是：利用ABAQUS有限元软件辅助，建立二维轴对称有限元模型。