[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

说明书

本发明属于焊接材料技术领域，是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。考虑裂纹对焊接残余应力重分布的影响，提高换热器管头应力分布有限元模拟结果与实际构件应力分布的吻合程度，进而精确获得裂纹缺陷对管头应力集中的影响。通过管子与管板焊接接头不同区域的腐蚀试验，获得不同区域的电化学腐蚀参数。优点：基于材料的热力学和电化学理论，对管子与管板焊接接头的应力腐蚀敏感性进行预测，获得不同部位的应力腐蚀敏感性，对保证换热器管头的安全运行具有重要的理论指导意义和工程应用价值。

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域，涉及焊接部位应力腐蚀敏感性预测。

背景技术

换热器是过程工业的单元热工设备，是平衡过程工业热能或回收过程余热或冷却物料的关键设备，广泛应用于炼油、化工、能源、冶金、制药、食品等行业。石化行业中，换热器占设备总数的1/3，约占设备投资的1/4。管壳式换热器因其回转壳结构具有安全、可靠、耐用的优点，在工业装置中约占换热器总数的80%以上。

随着科学技术的发展，管壳式换热器逐渐向大型化和高参数化发展，换热管与管板的焊接连接是管壳式换热器的薄弱环节，是制约装置长周期安全运行的瓶颈之一。焊接过程中，剧烈且不均匀的热量分布导致管头不同区域微观组织及成分的差异，产生较大的残余塑性变形和残余应力。换热器管头在服役过程中特别容易受到周围环境的影响，且难免会存在结构缺陷，最常见的缺陷为裂纹缺陷。裂纹的存在会破坏基体材料的连续性，降低结构的承载能力，在缺陷周围产生应力、应变集中的现象。当腐蚀介质存在时，管子与管板焊接接头容易发生应力腐蚀开裂。目前，焊接残余应力对含裂纹缺陷焊接接头的影响未考虑实际焊接残余应力的分布，其对含裂纹缺陷换热器管头影响的研究相对缺乏。材料应力腐蚀敏感性的预测主要集中在均匀材料，不同焊接区域的应力腐蚀敏感性预测鲜有报道。由于管壳式管子与管板焊接接头结构的特殊性，其应力分布较为复杂，增加了管头应力腐蚀敏感性预测的难度。

换热器管头中裂纹的存在会破坏其结构完整性，在环境和载荷的作用下更容易发生应力腐蚀开裂。材料由于受到焊接热循环作用，不同区域的微观组织和力学性能发生改变，不同区域裂纹对管头可靠性的影响程度不同。焊接残余应力是影响裂纹萌生和开裂的重要因素，其对裂纹萌生敏感性具有重要的影响。目前，对换热器管头应力腐蚀开裂敏感性的研究存在以下几个缺点：

（1）裂纹对焊接接头残余应力的影响未考虑真实残余应力的分布，大多通过预设温度场施加残余应力，与实际工况存在一定的偏差；

（2）换热器材料的腐蚀敏感性主要集中在管子与管板母材的腐蚀行为，缺乏对不同焊接区域腐蚀敏感性的研究。

（3）换热器管头应力腐蚀行为的研究主要停留在失效分析上，裂纹缺陷、焊接残余应力和微观组织对换热器管头应力腐蚀敏感性的影响未见相关报道。

因此，从结构、材料和环境的角度出发，提出一种管壳式换热器管子与管板焊接接头的应力腐蚀敏感性预测方法尤为重要。对含裂纹缺陷的换热器管头进行准确的应力腐蚀敏感性预测，可提高换热器管头的可靠性，具有重要的理论指导意义和工程应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种管壳式换热器管子与管板焊接接头的应力腐蚀敏感性预测方法。

本发明的技术方案：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，（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；