蒸发器耳式支座焊接的变形控制
梁化 舒寒芮 孙兆亮
[摘 要]介绍了某堆型核电蒸发器产品的耳式支座与筒体的焊缝情况，通过对焊接应力的有限元分析模拟，分析焊接应力分布和变形的趋势，制定了对应的防变形措施。通过模拟件的制造，在焊接工艺和操作方法上改进，验证了耳式支座在筒体焊接的变形控制方法的有效性。
[关键词]耳式支座焊接;有限元模拟;防变形措施;模拟件制造
[中图分类号]P414.8+2 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）03–00–03
[Abstract]In this paper， the weld of the support lug and the shell of steam generator for a nuclear power station is introduced. Through the finite element analysis of the welding deformation， the distribution of stress and anti-deformation measures are prepared， and the welding process and method is improved on the simulator， so that the welding deformation of the shell is effectively controlled.
[Keywords]Welding of the lug support and the shell; Finite element analysis; Anti-deformation measures; Simulation of manufacturing.
某堆型核电蒸汽发生器（简称蒸发器）因其运行工况特殊，承受整个产品重量的耳式支座与筒体的结合位置受力情况复杂，经力学计算需加大耳式支座与筒体的焊缝面积才能达到标准规定的强度要求[4]，因此该支座的结构设计[3]加大了各焊缝的面积和焊缝高度[1]，特别是支座垫板与筒体的连接焊缝，相对于筒体尺寸和材料，该处焊缝的焊接填充量大[2]，焊接变形难以控制，焊后筒体的外形难以满足最终的尺寸精度要求，且该产品结构不能变更。为保证材料的整体完整性，要求壳体材料在厚度上不得被机加，即外形尺寸不能通过厚度方向的机加达到要求，耳式支座与筒体连接的结构形式见图1。为此，本工作针对该结构的耳式支座与筒体的连接焊缝情况，结合初步制定的焊接工艺方案，通过对产品焊接应力分布情况的有限元模拟，分析制造过程中可能出现的变形趋势，制定了对应的防变形措施，并开展了模拟件制造，改进了焊接工艺和操作方法，验证了该结构的耳式支座与筒体焊接的变形控制。
筒体通过支座上的垫板与耳式支座焊接连接，两部分的材料及结构尺寸见图2，垫板装焊在筒体中间位置，单个垫板在筒体周向方向约占筒体周长的1/4，垫板四周都开有很大的焊接坡口，外部焊缝的角高为40 mm。在筒体上支座底板高度位置处开有一个直径622 mm的接管孔，后期装焊接管[5]。
筒体与支座的主要材质和尺寸见表1。
筒体与耳式支座的连接还包括了垫板和底板的焊缝，其中焊缝坡口最大的为垫板，焊接后对筒体的影响也最大，因此本文主要以垫板的焊接过程进行模拟分析，忽略其他零件焊接的影响。
1 筒体与垫板的焊接变形模拟分析
通过产品初步制造方案确定的焊接参数，设置有限元模型计算方式，分析受力情况。
2 焊接应力分析模型。
如图3所示，在该模型上，目标结构沿筒体纵向（1/2開孔处）轴对称，取1/2目标结构进行建模分析，为简化计算过程，非相关性焊缝未考虑其焊接热过程，将其按母材性能进行定义。为降低建模难度，各个板之间的拐角处未建立焊缝。此外，各部件处于自由状态，未进行非结构性约束。
2.1 焊接设置
对于该焊缝，根据制造及模拟数据经验，其焊接参数设置如表2所示。
2.2 制造顺序
根据已制定的方案，产品实际焊接时，垫板与筒体焊缝采用对称施焊，四周焊缝同时焊接，对于单侧焊缝，焊接凹槽区域时，凹槽宽度小于0～12 mm为单道焊，凹槽宽度12～27 mm采用分道焊，焊接顺序为垫板→筒体;焊接角焊缝区域时，由垫板侧向筒体侧焊接直至焊缝满足尺寸要求。
3 计算结果及分析
3.1 变形趋势
图4为焊接完成后筒体的最终变形情况，最大变形位置出现在筒体上端面的轴对称面上，最小变形区域出现刚性较好的肋板、底板和垫板的交汇区域（这是由于肋板和底板的存在起到了加强筋的作用，限制了该区域的自由变形）。
3.2 模拟结果
整体变形趋势为：筒体端面呈椭圆形，椭圆长轴为模型对称中心截面，短轴为模型对称中心法向截面;筒身沿模型对称中心法向截面轴向（上端面起始）先凹陷后凸起，而后又产生凹陷，直至下端面;筒身沿模型对称中心截面轴向（上端面起始）先凸起后凹陷，而后又产生凸起，直至下端面。
局部变形情况如下。
上端面：y向膨胀量4.025 mm，x向收缩量3.879 mm;
下端面：y向膨胀量3.556 mm，x向收缩量3.487 mm。
4 模拟件制造
根据筒体与耳式支座的焊缝变形有限元分析结果，焊接过程中垫板焊缝区会产生很大的变形，垫板周圈位置向筒体内部塌陷，形成类似凸台的外形。为详细掌握焊接变形趋势，制定后续制造方案，特开展了模拟件制造，模拟件的防变形措施及制造的结果如下。
4.1 防变形措施
对变形趋势进行限制，采取必要的防变形措施，在焊接应力最大的几个位置增加防变形工装，主要结构所下：
（1）筒体两端使用环板支撑，并点焊固定，保证整体刚性，待最终热处理后再拆除。
（2）中间部分使用刚性较强的厚环板撑住，最大限度地撑紧筒体，环焊缝区域全撑，纵向焊缝区使用垫板顶住，垫板与两个环板之间牢固焊接。
（3）支座垫板的焊接预热方式，采用筒体内壁整圈加热，以减小温差的影响。
（4）垫板焊缝在焊接到2/3厚度时，增加一次中间消应力热处理，整体进热处理炉加热保温，保温时间2 h，以消除整体焊接应力。
4.2 模拟件变形情况）
在模拟件制造过程中，对其变形情况时时检查测量，发现整体变形趋势与有限元模拟结果较接近，因防变形工装的使用，筒体的变形数据小于模拟情况（模拟分析的模型是建立在未加任何约束的筒体上），筒体不同高度的变形数据趋势见图5（纵轴为变形数据，横轴为测量日期，焊接填充量随日期往后逐步增加），最终变形数据从大到小的位置点依次是：2 140、1 700、900、1 380、1 050、1 500、0、500 mm（数值代表测量位置距离筒体上端面的距离），变形随着焊接量的增加逐渐累积，当热输入量达到一定数值时变形趋势突然增大，中间热处理后应力被部分消除，从图5可明显见到变形趋势减缓，此外筒体在开孔后应力释放最为明显，筒体变形部分得到恢复。
5 结束语
因为设计原因，不能对变形的筒体采取机加等其他工艺手段破坏材料的完整性，或是更改材料或设计结构，以获得必要的外形.只能按原结构制造，采取相应的防变形措施。该蒸发器筒体通过模拟件的制造，发现了对筒体变形影响最大的因素，主要包括预热方式、热输入量、焊接操作位置等，并在立式焊接评定完成后，将焊接操作位置由平焊位改为了立焊位，较好地完成了产品制造。针对类似情况有如下建议：
（1）有限元分析只能建立在无刚性约束的模型上，因此其模拟结果仅供后续的分析及制定对应的防变形措施。
（2）如果条件允许，可选择性制造模拟件，对有限元的分析结果做充分论证，找到影响变形最大的因素，该结构的最大影响因素是焊接热输入量。
（3）针对导致變形最大的因素，采取必要的工艺手段，该材料使用了立式操作位置的手工焊条焊接，有效减小了焊接变形。
（4）焊接的预后热方式，在产品中改为了电加热，比火焰加热更加均匀，降低了该区域的热输入量。
（5）接管位置的开孔，也使得支座区域内应力降低，合理选择开孔时机对变形的控制非常关键。
（6）焊接过程中应力不均匀导致的变形在筒体上有一定规律，筒体径向变形有大有小，因筒体本身的椭圆度，焊接前可以适当调整支座在筒体的方位。
参考文献
[1] 冯劢.AP1000汽水分离再热器焊接变形控制[J].锅炉制造，2014（7）：17.
[2] 张萌，朱忠尹.基于固有应变法反应堆压力容器支座焊接变形预测[J].机械，2017，44（8）：25.
[3] 李海兵，丁剑强，汪洋，等.球形钢支座焊接影响的试验研究[J].建筑技术，2018，49（9）：16.
[4] 吕延茂.新型结构蒸发器的制造特点[J].化工装备技术，2004（5）：56.
[5] 王保军，鲁悦，湛波，等.核电常规岛汽水分离再热器厂化设计综述[J].锅炉制造，1999（6）：3.