WCB止回阀挖补修复焊工艺的仿真与优化

0 前言

随着经济社会的快速发展，人们对绿色环保的要求越来越高。清洁无污染的核能已成为应用最广泛的新型能源之一。阀门在核电设备中的应用极其广泛，是设备安全正常服役的重要保障[1]。WCB止回阀用于防止介质倒流、防止泵及驱动电机反转，在流体的高强度冲刷作用下，容易发生开裂、磨损等缺陷，若不及时采取措施会带来极大的安全隐患。相较于将其整个更换，挖补修复焊具有步骤简单、操作方便等优点，应用于坏损阀门的原位修复已经得到行业内的普遍认可[2-5]。文中结合相关研究成果[5]，并考虑到实际生产的便利性，采用焊条电弧焊对WCB止回阀进行原位挖补修复。

该止回阀所用材料WCB属于低碳铸钢，其Mn等合金元素含量大，碳当量高，可以预知其脆硬倾向较大，焊接性不佳[6]。且在WCB 钢焊接过程中，热影响区会产生淬硬性的马氏体组织，当焊接刚性较大或焊接材料、焊接参数选择不当时，极易产生冷裂纹。采用传统实验的方式进行阀体挖补修复焊的工艺窗口探索，具有材料消耗多、时间花费长、参数不易控制等问题。因此，文中首先基于Fluent对阀体内部流动场进行仿真预测，探明阀体最易产生磨损的部位，利用InteWeld模拟整个焊条电弧焊的堆焊过程，求解不同参数下的温度场和应力场，实现焊接参数的仿真优化，为实际生产工作提供理论和技术指导。

1 模型的建立

为了使挖补修复焊的焊接参数更有利于实际生产，文中针对止回阀冲蚀磨损问题，开展易破损位置和优化焊接参数的研究。

1.1 控制方程

阀体内部流体的流动状态为湍流流动，其满足Navier-Stokes方程[7]，即

式中 u、v、w分别为流体在t时刻的流动速度；υ为流体的运动粘度；p为压力；ρ为流体密度。斯托克斯公式可以相对较为准确地描述流体的真实流动情况。

由弹塑性力学三维平衡微分方程计算应力场，空间中各点的应力应满足下述关系：

式中为各点坐标偏量；为各点正应力偏量；为各点切应力偏量；X、Y、 Z为各点所受外力。

为了加快计算速度，采用线热源模型模拟多层多道焊的过程。模型如图1所示，功率分布为：

图1 线热源模型示意
Fig.1 Schematic diagram of line heat source model

1.2 流体模拟

使用UG绘制阀体的三维实体模型，将模型导入Hypermesh使用四面体流体网格对其进行划分。绘制完成后将网格文件导入Fluent，采用Fluent3D单精度求解器进行模拟计算，获取阀体破损位置[8]。具体流程如图2所示。

图2 阀体冲蚀模拟仿真流程
Fig.2 Flow chart of numerical simulation of valve body erosion

选择流动模型为单向流不可压缩三维粘性流动，湍流模型采用标准 κ-ε 模型[9]。其余设置默认不变。流体的边界条件设置：入口为速度10 m/s的速度入口；出口为自由出口，其余边界采用默认边界条件。阀体内部的流体材料设置为液态水，温度设置为38 ℃，密度ρ=998.2 kg/m3，动力黏性系数μ=1.003×10-3 Pa·s。

1.3 应力场分析模型及参数

为了简化模型、提升计算速度，并使模拟结果能适用于不同的零件，采用一块650 mm×300 mm的平板作为模拟实验试件。基于该模型展开挖补修复焊的仿真模拟。在开裂发生位置开坡口将裂纹完全清除。使用HyperMesh划分网格，为兼顾计算速度与精度，细化靠近修复区域的网格，并利用自适应功能在远离焊缝处加大网格，网格划分如图3所示。阀体材料为WCB，其化学成分[6]如表1所示。

表1 WCB的化学成分
Table 1 Chemical composition of WCB %

图3 坡口尺寸及网格划分示意
Fig.3 Diagram of groove size and grid division

焊接热源使用串热源以提高计算速度[11]，同时为了使热源模型模型更接近实际情况，使用对几何尺寸参数不敏感的双椭球点热源模型[11-12]进行模拟，根据其结果校核串热源模型的几何尺寸。

将整个模型表面作为温度边界，对流换热系数取15 J/m2·s·℃，辐射系数取0.85。由于模型为阀体上截取的一部分，将受到轴向及环向约束，将其四个侧面作为力学边界，约束其x、y、 z方向的位移。其上下两个平面可视为自由表面[13]。

挖补修复焊仿真实验参数设置为：打底焊采用焊条电弧焊，功率2600 W，焊接速度2.2 mm/s，搭接率为1/3，热效率系数为0.65。选用的焊丝为J507、φ3.2。道间的冷却时间为300 s。填充焊采用焊条电弧焊，焊接速度为2.5 mm/s，搭接率为1/3，热效率系数为0.65。选用的焊丝为J507，直径φ4。其他参数如表2所示。

表2 填充焊仿真实验参数设置
Table 2 Parameter setting of filling welding simulation experiment

2 数值模拟结果及分析

2.1 破损位置

由于旋启式止回阀在正常工作状态下长时间处于稳定状态，所以文中基于Fluent对稳定状态下的止回阀进行流体模拟。稳定阶段是指阀瓣完全旋起，流体流动情况几乎不会随着时间的推移发生改变。

当止回阀阀瓣完全开启，管道最为通畅，流体在阀体内部的流动情况如图4所示。止回阀内部进口端压力大于出口端压力，由于阀体内壁呈凹状且在重力作用下承受流体冲击，导致压力最大分布区域位于止回阀底部靠阀门出口一端。流体速度10 m/s时的压力场分布云图如图5所示。管道部位所受压力相对于阀体较小，稳定在7.97×104 Pa。阀体所受压力整体不大，在阀盖与阀体交接部位压力略有上升；流体的压力最大值出现在阀体底部，最大值为1.08×106 Pa。在压力最大值上方区域存在较大负压，压力值为-3.49×105 Pa。负压过大会产生气蚀现象，也会加剧阀体的受损，所以该部位最容易损坏。

图4 流体流动方向示意
Fig.4 Schematic diagram of fluid flow direction

图5 压力场分布
Fig.5 Distribution of pressure field

2.2 应力场分析

提取破损位置，采用顺序耦合方法对焊缝及其附近区域的应力场进行计算。

数值模拟计算获得的残余等效应力云图如图6所示，最大残余应力位于焊缝上表面区域。由于经过挖补修复焊的止回阀主要是内壁经受水流冲刷，对应模型的上表面，因此主要关注上表面的残余等效应力。为了优化工艺参数，沿图6中平板上表面白线提取位置曲线进行比较。

图6 残余等效应力云图
Fig.6 Nephogram of residual equivalent force

焊接功率2 400 W；焊接顺序：左到右；冷却时间300 s

不同功率下平板中部上表面等效残余应力情况见图7。焊接功率为2 400 W、2 700 W、3 000 W时，残余等效应力最大值分别为322 MPa、326 MPa、330 MPa。残余等效应力随着焊接功率的增加而上升。焊后的等效残余应力主要是由焊接热输入导致的热膨胀引起的。在保证熔合质量的情况下，采用尽量小的热输入能够降低焊后残余应力。

图7 不同焊接功率下平板中部上表面等效残余应力
Fig.7 Equivalent residual stress of upper surface of plate under different welding power

焊接功率分别为2 400 W、3 000 W时，不同焊接顺序下平板中部上表面等效残余应力如图8所示。由图8可知，当焊接功率和冷却时间一定时，每层从左往右施焊比从两边到中间施焊的残余应力更小。在每道焊缝间的冷却时间较短的情况下，以从左往右的施焊顺序能明显降低焊缝区域的残余应力，防止容易出现裂纹的位置再次发生失效。

图8 不同焊接顺序下平板中部上表面等效残余应力
Fig.8 Equivalent residual stress of upper surface of plate under different welding sequence

当焊接功率与焊接顺序都相同时，每道焊缝在不同冷却时间下，平板中部上表面等效残余应力如图9所示。由图9可知，每道焊缝施焊前经过充分冷却的情况下，焊后残余应力显著下降。在实际生产中，可灵活控制冷却时间，将每道焊缝区域冷却至300～350 ℃，以保证修复质量同时兼顾生产效率。

图9 不同冷却时间下平板中部上表面等效残余应力
Fig.9 Equivalent residual stress of upper surface of plate under different cooling time

综上所述可以推断出，当焊接功率为2 400 W、每层的焊接顺序为从左到右，每道焊缝间的冷却时间为300 s时，焊后的残余应力最小。其z方向的变形比较明显（见图10a），在焊缝左侧凹陷、右侧凸起，这是由于热输入的不对称导致的。为了缓解其变形，将焊接顺序调整为从左到右、从右到左交替施焊（层间充分冷却），得到的变形情况见图10b，其z方向的变形情况得到了极大的改善。

图10 z方向的残余变形云图
Fig.9 Nephogram of residual deformation in z direction

3 结论

（1）常开状态下阀体内部流体流动情况总体平稳。但由于止回阀内部压力以及流体本身重力的作用，使得止回阀底部所受压力更大，在长时间的使用过程中更容易被磨损甚至穿透。

（1）焊接线能量越大，焊后残余应力增大，焊接功率分别为2 400 W、2 700 W、3 000 W时，平板上表面残余等效应力最大值分别为323 MPa、326 MPa、329 MPa。

（2）不同焊接顺序的残余应力由大到小为：两边到中间>从左到右，焊接功率2 400 W时分别为323 MPa、319 MPa，功率3 000 W时分别为329 MPa、327 MPa。

（3）道间冷却时间延长，焊后残余应力减小。焊接功率为3 000 W，焊接顺序从左到右时，平板上表面残余等效应力最大值分别为343 MPa、327 MPa，焊接顺序为从两边到中间时，分别为343 MPa、329 MPa。

（4）当焊接功率为2 400 W、每层的焊接顺序为从左到右，每道焊缝间的冷却时间为300 s时，焊后的残余应力最小，为323 MPa。将每层焊接顺序调整为左到右、右到左交替进行，能改善其变形情况。