JP4419802B2 - Method for analyzing residual stress in welded joints - Google Patents
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Description
本発明は、大径厚肉管の溶接継手部の残留応力の、軸対称シェルモデルを用いたFEM解析による解析方法に関するものである。 The present invention relates to a method for analyzing residual stress in a welded joint portion of a large-diameter thick-walled tube by FEM analysis using an axisymmetric shell model.
従来、原子力発電プラントに供用される厚肉配管溶接部においては、溶接残留応力に起因した応力腐食割れ(Stress Corrosion Cracking−以下、SCCと称する)を防止するため、高周波誘導加熱残留応力改善法(Induction Heating Stress Improvement−以下、IHSIと称する)施工による溶接残留応力緩和が実施されている。 Conventionally, in thick pipe welds used in nuclear power plants, in order to prevent stress corrosion cracking (hereinafter referred to as SCC) due to welding residual stress, a high frequency induction heating residual stress improvement method ( Induction Heating Stress Improvement—hereinafter referred to as IHSI).
IHSIは、誘導加熱を用いた熱処理方法である。被加熱物(配管の溶接部)の管外面周りにコイルを巻き、この加熱コイルに交流電流を通じることで誘導加熱により被加熱物の表面を加熱する。誘導加熱の原理は、交流電流によってできる交番磁束が、被加熱物を貫通して非常に密度の高い電流(うず電流)を誘導することにより短時間に加熱可能とするものである。一方、IHSI施工時に管内を水冷する(例えば、流速2m/sec、約300°K(ケルビン)の冷却水を流したり、管内に冷却水を停滞させる)ことで管内面側を冷却し配管内外面に温度差を生じさせ、熱歪により配管内面側に圧縮残留応力を導入(もしくは引張残留応力を緩和)することができる。 IHSI is a heat treatment method using induction heating. A coil is wound around the outer surface of the object to be heated (the welded portion of the pipe), and the surface of the object to be heated is heated by induction heating by passing an alternating current through the heating coil. The principle of induction heating is that an alternating magnetic flux generated by an alternating current penetrates an object to be heated and induces a very high density current (eddy current) to enable heating in a short time. On the other hand, during IHSI construction, the inside of the pipe is cooled by water (for example, by flowing cooling water at a flow rate of 2 m / sec, about 300 ° K (Kelvin) or by stagnating the cooling water in the pipe), the inner surface of the pipe is cooled. A temperature difference can be generated in the pipe, and a compressive residual stress can be introduced to the inner surface side of the pipe (or a tensile residual stress can be relaxed) by thermal strain.
IHSIを実施する上で残留応力緩和効果の支配的なパラメーターとしては、(1)最高加熱温度、(2)内外面の必要温度差、(3)コイル幅、(4)加熱時間、(5)溶接線とコイル幅中心の相対位置の5つが挙げられる(非特許文献1参照)。これらの値をEV(エッセンシャル・バリアブル)と称し、実施工前にEVと残留応力との関係を確認することで、IHSIの施工条件の計画を行う。 In implementing IHSI, the dominant parameters of the residual stress relaxation effect are as follows: (1) Maximum heating temperature, (2) Necessary temperature difference between inner and outer surfaces, (3) Coil width, (4) Heating time, (5) There are five relative positions of the weld line and the coil width center (see Non-Patent Document 1). These values are referred to as EV (essential variable), and the construction conditions of IHSI are planned by confirming the relationship between EV and residual stress before construction.
EVと残留応力との関係は、設定したEVで実験を行って、残留応力を実測することで導かれるが、すべての配管を対象として実験的に、有効なIHSI施工条件を求めるのは時間・費用の面から困難である。 The relationship between the EV and the residual stress is derived by conducting an experiment with the set EV and actually measuring the residual stress. However, it is time / experimental to obtain effective IHSI construction conditions for all pipes. Difficult in terms of cost.
そこで、溶接からIHSIまでの工程について、FEM解析を実施することによって、SCCが懸念される溶接継手部近傍の残留応力分布を推定し、解析により有効なIHSI施工条件を明らかにする必要がある。 Therefore, it is necessary to estimate the residual stress distribution in the vicinity of the weld joint where SCC is a concern by performing FEM analysis for the processes from welding to IHSI, and to clarify effective IHSI construction conditions by analysis.
FEM解析は、配管の溶接部周辺を複数の要素に分けて考え、基本式に要素ごとのデータを入力して方程式を組み立て、それを基に残留応力を解析する方法である。従来、配管の溶接継手部の残留応力を算出するには、軸対称シェルモデルを用いて、一般的な解析コードでそのまま解析を行っていた(非特許文献2参照)。 FEM analysis is a method in which the periphery of a welded portion of a pipe is divided into a plurality of elements, data for each element is input into a basic expression, an equation is assembled, and residual stress is analyzed based on the equation. Conventionally, in order to calculate the residual stress of a welded joint portion of a pipe, an analysis is performed as it is with a general analysis code using an axisymmetric shell model (see Non-Patent Document 2).
ところで、実プラントにおいては、既存・新設の別なく、IHSI施工を実施することでSCCによる損傷を未然に防止することが期待される。既存のプラントにおいては多種多様な形状(口径および肉厚)の配管が存在しており、それぞれの配管継手部に対して溶接残留応力を効果的に低減させるためのIHSI施工条件を明らかにする必要がある。 By the way, in an actual plant, it is expected to prevent damage due to SCC by implementing IHSI construction regardless of existing or new construction. Existing plants have a wide variety of pipe shapes (bore diameter and wall thickness), and it is necessary to clarify the IHSI construction conditions for effectively reducing the residual welding stress for each pipe joint. There is.
しかしながら、上述のFEM解析を行った場合、直径50mm程度の小径配管
では、解析値と実測値との差は少なく、問題とならなかったが、直径500mmを越える大径且つ厚肉の管では、解析値と実測値との誤差が大きくなるといった問題があった。特に、解析値の方が実測値よりも低く計算される(実測値よりも有利な側に出る)ため、IHSIの評価に用いることが困難であった。
However, when the above-mentioned FEM analysis was performed, the difference between the analysis value and the actual measurement value was small in a small-diameter pipe having a diameter of about 50 mm, which was not a problem, but in a large-diameter and thick-walled pipe exceeding 500 mm in diameter, There is a problem that an error between the analysis value and the actual measurement value increases. In particular, the analysis value is calculated to be lower than the actual measurement value (it appears on the more advantageous side than the actual measurement value), so that it is difficult to use it for the evaluation of IHSI.
大径厚肉管でFEM解析を行うに際しては、3次元シェルモデルまたは3次元ソリッドモデルを用いて実際の溶接を模擬した移動熱源の解析を行えば、溶接による残留応力の解析値と実測値との誤差を小さくすることができる。しかし、3次元モデル、特に3次元ソリッドモデルでは誤差を非常に小さくできるが、計算が非常に複雑になるため、軸対称シェルモデルの場合の解析時間(例えば2時間)と比較して、解析に多くの時間(例えば3ヶ月)を要するという問題がある。 When performing FEM analysis on large-diameter thick-walled pipes, if a moving heat source that simulates actual welding is analyzed using a 3D shell model or a 3D solid model, The error can be reduced. However, the error can be made very small in a three-dimensional model, especially a three-dimensional solid model, but the calculation becomes very complicated, so the analysis time is compared with the analysis time (for example, two hours) in the case of an axisymmetric shell model. There is a problem that a lot of time (for example, three months) is required.
そこで、本発明は、上記問題を解決すべく案出されたものであり、その目的は、大径厚肉管の溶接継手部の残留応力を短時間で正確に算出できる解析方法を提供することにある。 Therefore, the present invention has been devised to solve the above problems, and its purpose is to provide an analysis method capable of accurately calculating the residual stress of a welded joint portion of a large-diameter thick wall pipe in a short time. It is in.
請求項1の発明は、大径厚肉管の溶接継手部の残留応力を、軸対称シェルモデルを用いて複数の要素に分割し、
The invention of
に基づいてFEM解析する解析方法において、上記軸対称シェルモデルの所定の要素に、通常の軸対称シェルモデルによる全周加熱時のFEM解析で算出した径方向変位と3次元シェルモデルによる局所加熱時のFEM解析で算出した径方向変位との差分に応じた剛性を有する径方向バネ拘束を導入すると共に、上記軸対称シェルモデルの所定の要素に、通常の軸対称シェルモデルによる全周加熱時のFEM解析で算出した軸方向変位と3次元シェルモデルによる局所加熱時のFEM解析で算出した軸方向変位との差分に応じた剛性を有する軸方向バネ拘束を導入してFEM解析を行うことを特徴とする溶接継手部の残留応力の解析方法である。 In the analysis method for FEM analysis based on the above, the predetermined element of the axisymmetric shell model includes the radial displacement calculated by the FEM analysis at the time of all-around heating by the normal axisymmetric shell model and the local heating by the three-dimensional shell model. In addition to introducing a radial spring constraint having rigidity according to the difference from the radial displacement calculated by FEM analysis of the above, a predetermined element of the axisymmetric shell model is subjected to the entire circumferential heating by the normal axisymmetric shell model . FEM analysis is performed by introducing an axial spring constraint having rigidity corresponding to the difference between the axial displacement calculated by FEM analysis and the axial displacement calculated by FEM analysis at the time of local heating by a three-dimensional shell model. This is a method for analyzing residual stress in a welded joint.
請求項2の発明は、上記径方向バネ拘束及び軸方向バネ拘束の導入位置と、上記径方向バネ拘束及び軸方向バネ拘束の剛性は、FEMによる試解析により軸対称シェルモデルによる解析の変位挙動と3次元シェルモデルによる解析の変位挙動が一致する値を算出して設定した請求項1記載の溶接継手部の残留応力の解析方法である。
According to the invention of
請求項3の発明は、上記軸対称シェルモデルによる径方向及び軸方向変位は、軸対称シェルモデルによる大径厚肉管の全周加熱時の解析によって算出され、上記3次元シェルモデルによる径方向及び軸方向変位は、3次元シェルモデルによる大径厚肉管の局所加熱時の解析によって算出される請求項1または2記載の溶接継手部の残留応力の解析方法である。
In the invention of
請求項4の発明は、上記大径厚肉管は、ステンレス鋼600A配管が用いられ、上記径方向バネ拘束は、上記溶接継手部の溶接中心から軸方向に±略30mmの位置に導入され、その剛性は2.581×1010(N/m)であり、上記軸方向バネ拘束は、上記溶接継手部の溶接中心から軸方向に±略100mmの位置に導入され、その剛性は11.621×1010(N/m)である請求項1から3いずれかに記載の溶接継手部の残留応力の解析方法である。
In the invention of
本発明によれば、大径厚肉管の溶接継手部の残留応力を短時間で正確に算出できるといった優れた効果を発揮する。 According to this invention, the outstanding effect that the residual stress of the welded joint part of a large diameter thick wall pipe can be calculated correctly in a short time is exhibited.
高周波誘導加熱残留応力改善法(IHSI)は、既設原子力発電所のオーステナイト系ステンレス鋼製配管のSCC対策工法の一つとして開発されており、溶接線近傍内面熱影響部における残留引張応力を改善する工法である。 High Frequency Induction Heating Residual Stress Improvement Method (IHSI) has been developed as one of the SCC countermeasures for austenitic stainless steel pipes in existing nuclear power plants, and improves residual tensile stress in the heat affected zone near the weld line. It is a construction method.
IHSIは、誘導加熱を用いた熱処理方法であり、被加熱物(配管の溶接部)の管外面周りにコイルを巻き、この加熱コイルに交流電流を通じることで誘導加熱により被加熱物の表面を加熱することができる。誘導加熱の原理は交流電流によってできる交番磁束が、被加熱物を貫通して非常に密度の高い電流(うず電流)を誘導することにより短時間に加熱可能とするものである。一方、IHSI施工時に管内を水冷し(例えば、管内に約300°K(ケルビン)(略27℃)の冷却水を満たしたり流したりする)、水冷ありの状態で管内面側を冷却し配管内外面に温度差を生じさせ、熱歪により配管内面側に圧縮残留応力を導入(もしくは引張残留応力を緩和)することができる。 IHSI is a heat treatment method using induction heating, in which a coil is wound around the outer surface of an object to be heated (piping weld), and the surface of the object to be heated is induced by induction heating by passing an alternating current through the heating coil. Can be heated. The principle of induction heating is that an alternating magnetic flux generated by an alternating current passes through an object to be heated and induces a very high-density current (eddy current) to enable heating in a short time. On the other hand, during IHSI construction, the inside of the pipe is water-cooled (for example, the pipe is filled or flushed with about 300 ° K (Kelvin) (approximately 27 ° C) cooling water), and the inside surface of the pipe is cooled with water cooling inside the pipe. A temperature difference is produced on the outer surface, and compressive residual stress can be introduced into the inner surface of the pipe by thermal strain (or relaxation of the tensile residual stress).
IHSIを実施する上で残留応力緩和効果の支配的なパラメーターとなるEVについて、実施工前にEVと残留応力との関係を確認することで、IHSIの施工条件の計画を行う。 About EV which becomes a dominant parameter of the residual stress relaxation effect in implementing IHSI, the construction condition of IHSI is planned by confirming the relationship between EV and residual stress before construction.
本実施の形態では、設定したEVに対する残留応力をFEM解析によって算出する。そして、その算出された残留応力が、所望の残留応力となっているかを確認する。 In the present embodiment, the residual stress for the set EV is calculated by FEM analysis. Then, it is confirmed whether the calculated residual stress is a desired residual stress.
FEM解析は、解析すべき部分(配管の溶接部周辺)を複数の要素に分けて考え、要素ごとのデータをコンピュータに入力して、コンピュータで基本式を基に方程式を組み立て、これを基に残留応力を解析する。 In FEM analysis, the part to be analyzed (around the welded part of the pipe) is divided into a plurality of elements, data for each element is input to the computer, and an equation is constructed based on the basic formula by the computer. Analyze the residual stress.
本実施の形態では、軸対称シェルモデルを用いて、要素に分割している。要素の分割は、図3に示すように、IHSIによる応力緩和の解析で特に重要となる、溶接部2と配管(大径厚肉管)62の母材部1との境界近傍61を細かく分割している。また、溶接部2は、溶接パスに相当するように要素Eに分割している。
In this embodiment, it is divided into elements using an axisymmetric shell model. As shown in FIG. 3, the element division is finely divided near the boundary 61 between the
そして、各要素Eごとに下記の基本式を基に解析を行っている。 Then, each element E is analyzed based on the following basic formula.
上記式において、rは配管の径方向、θは配管の周方向、zは配管の軸方向を示し、σは応力、τは剪断応力、εは直ひずみ、γは剪断ひずみを示す。[D]は弾性マトリックスを示し、これに直ひずみεと、剪断ひずみγをかけることで、応力σと剪断応力τが表される。 In the above equation, r represents the radial direction of the pipe, θ represents the circumferential direction of the pipe, z represents the axial direction of the pipe, σ represents stress, τ represents shear stress, ε represents direct strain, and γ represents shear strain. [D] indicates an elastic matrix, and a stress σ and a shear stress τ are expressed by applying a direct strain ε and a shear strain γ to the elastic matrix.
本実施の形態では、解析コードは、例えばABAQUS Ver6.4、モデルは軸対称シェルモデル、解析方法は非定常熱伝導温度分布解析及び熱弾塑性応力解析を用いて解析を行う。 In the present embodiment, the analysis code is, for example, ABAQUS Ver6.4, the model is an axisymmetric shell model, and the analysis method is performed using unsteady heat conduction temperature distribution analysis and thermal elastic-plastic stress analysis.
上記ABAQUSでは、材料の各温度でのヤング率Eやポアソン比ν等の材料物性を入力すると共に、各要素Eの節点や溶接部及び配管部のグループ定義等を行うことで、上記基本式を基に各要素Eごとに方程式を組み立てて、計算を行い、各要素ごとの応力を算出する。 In the above ABAQUS, by inputting the material physical properties such as Young's modulus E and Poisson's ratio ν at each temperature of the material, and by defining the node of each element E and the group definition of the welded portion and the piping portion, the above basic formula is obtained. Based on this, an equation is assembled for each element E, calculation is performed, and a stress for each element is calculated.
ところで、本発明は、軸対称シェルモデルによる本解析と、実際の応力との相違点を補完するため、軸方向および径方向にバネによる拘束を導入してFEM解析することを特徴とする。 By the way, the present invention is characterized in that FEM analysis is performed by introducing constraints by a spring in the axial direction and the radial direction in order to complement the difference between the main analysis by the axially symmetric shell model and the actual stress.
これは、配管を溶接で接合する際には、実際の溶接では溶接ビードに沿って熱源が移動して行くのに対して、軸対称シェルモデルでは全周に渡って溶接ビードを同時に温めてしまい、軸方向へ自由膨張すると共に径方向にも比較的変形しやすくなるためである。この実際には起こらない軸方向への自由膨張と径方向への変形の容易さを適度に拘束することを目的として、バネ拘束条件を導入している。 This is because when welding pipes by welding, the heat source moves along the weld bead in actual welding, whereas in the axisymmetric shell model, the weld bead is warmed all around at the same time. This is because it expands freely in the axial direction and relatively easily deforms in the radial direction. Spring restraint conditions are introduced for the purpose of moderately restraining the free expansion in the axial direction and the ease of deformation in the radial direction, which do not actually occur.
すなわち、配管における周溶接という事象を考えた場合、溶接に伴う入熱は点熱源が移動することから、3次元的な挙動となる。しかし軸対称シェルモデルを用いて、溶接部を有する配管の残留応力を解析する場合、溶接を模擬した入熱を与えると環状のリングが同時期に加熱される状態となり、実機のような点熱源の移動とは異なる挙動を示す。実機においては溶接により局部的に加熱された領域は周りの構造(低温であるため)により変形が拘束されるが、軸対称シェルモデルでは径方向への変位が比較的自由に膨張・収縮することとなり、主に周方向の解析結果が実機と差異が生じると考えられる。以上の点に着目して、軸対称シェルモデルで実際の変形挙動を再現するために、便宜的な拘束条件を付与することとした。 That is, when considering the phenomenon of circumferential welding in piping, the heat input associated with welding becomes a three-dimensional behavior because the point heat source moves. However, when analyzing the residual stress of a pipe having a welded part using an axisymmetric shell model, if a heat input simulating welding is applied, the annular ring is heated at the same time, and a point heat source like an actual machine Behaves differently from the movement of In the actual machine, the region heated locally by welding is constrained by the surrounding structure (because of the low temperature), but in the axisymmetric shell model, the radial displacement expands and contracts relatively freely. Therefore, it is considered that the result of analysis in the circumferential direction mainly differs from the actual machine. Focusing on the above points, in order to reproduce the actual deformation behavior in the axisymmetric shell model, a convenient constraint condition was given.
バネ拘束の導入位置及び剛性は、FEMによる試解析により、軸対称シェルモデルによる解析の変位挙動と、実際に実験で求めた変位挙動とが一致する値を算出して、決定される。なお、実際に実験で求める変位挙動は、3次元シェルモデルを用いてFEM解析を行って求める。 The introduction position and rigidity of the spring restraint are determined by calculating a value in which the displacement behavior of the analysis based on the axially symmetric shell model and the displacement behavior actually obtained by the experiment coincide with each other by FEM trial analysis. In addition, the displacement behavior actually obtained by experiment is obtained by performing FEM analysis using a three-dimensional shell model.
以上のように、軸対称シェルモデルにバネ拘束を導入することにより、溶接による配管溶接継手部(図3参照)63の残留応力を短時間で正確に算出できることとなる。 As described above, by introducing the spring restraint into the axisymmetric shell model, the residual stress of the pipe welded joint portion 63 (see FIG. 3) by welding can be accurately calculated in a short time.
すなわち、溶接時の加熱により加工硬化した降伏点の上昇度合いを、実際の継手断面でモックアップ試験により計測した硬さ分布より求め、溶接残留応力解析結果との差異の分(%)だけ圧延を受けた(硬さが増加した)材料に置き換えて解析を実施している。 That is, the degree of increase in the yield point that has been work-hardened by heating during welding is obtained from the hardness distribution measured by the mock-up test on the actual joint cross section, and rolling is performed by the difference (%) from the welding residual stress analysis result. The analysis is performed by replacing the received material (with increased hardness).
以上のように、ひずみ量の差分が発生した部分の材料を上記差分に応じた加工硬化を受けた材料に置き換えてFEM解析を行うことにより、IHSI施工後の配管溶接継手部の残留応力を短時間で正確に算出できることとなる。 As described above, the residual stress of the pipe welded joint after IHSI is shortened by replacing the material of the part where the difference in strain occurs with the material that has undergone work hardening according to the difference and performing FEM analysis. It can be calculated accurately in time.
以下、本実施の形態におけるFEM解析のバネ拘束及び材料置き換えの条件の決定工程について具体的に説明する。 Hereinafter, the determination process of the spring restraint of FEM analysis and the conditions of material replacement in this Embodiment is demonstrated concretely.
まず、解析対象と解析モデルを説明する。 First, the analysis target and the analysis model will be described.
本実験では、FEM解析による解析データが、実際の実験データと整合するかを確認するために、図1に示す4体のモックアップを形成し、モックアップ試験を実施した。No.2、3、4は、口径の異なる配管に対して多層の周溶接およびIHSI施工を行った試験体、No.1は、No.2と同口径で溶接施工のみの試験体である。各モックアップについて、それぞれ溶接およびIHSI施工中の温度履歴の計測を行った。さらに施工終了後、切断法による残留応力分布の計測に供した。 In this experiment, four mockups shown in FIG. 1 were formed and a mockup test was performed in order to confirm whether the analysis data by FEM analysis was consistent with the actual experimental data. No. Nos. 2, 3, and 4 are specimens that were subjected to multilayer circumferential welding and IHSI construction on pipes having different diameters. 1 is No. This is a test body having the same diameter as 2 and only welding. About each mockup, the temperature history during welding and IHSI construction was measured, respectively. Furthermore, after the construction was completed, the residual stress distribution was measured by a cutting method.
一方、解析は4体のモックアップ試験を模擬した軸対称シェルモデルによって実施した。図2及び図3にモックアップを模擬した解析モデルの一例として、口径600Aのモデルを示す。なお、図2は配管の全体断面図、図3は配管の溶接部近傍(図2中、A部分)の要部拡大断面図を示す。 On the other hand, the analysis was performed by an axisymmetric shell model simulating four mock-up tests. 2 and 3 show a model having a diameter of 600A as an example of an analysis model that simulates mockup. 2 is an overall cross-sectional view of the pipe, and FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of the main part in the vicinity of the welded portion of the pipe (A portion in FIG. 2).
解析は、解析コードはABAQUS Ver6.4、解析方法は非定常熱伝導温度分布解析および熱弾塑性応力解析によって解析を行う。 In the analysis, the analysis code is ABAQUS Ver6.4, and the analysis method is analysis by unsteady heat conduction temperature distribution analysis and thermal elastic-plastic stress analysis.
そして、モックアップ試験から得られた溶接時温度計測結果を基に、溶接による入熱を模擬した熱伝導温度解析を実施し、温度分布を算出する。その結果得られた熱荷重を用いて溶接部を含む熱弾塑性応力解析を実施し、その後IHSI施工を模擬した熱履歴を与えて、溶接部周りの残留応力の変化を確認する。 And based on the temperature measurement result at the time of welding obtained from the mockup test, a heat conduction temperature analysis simulating heat input by welding is performed, and a temperature distribution is calculated. The thermal elastic-plastic stress analysis including the welded portion is performed using the thermal load obtained as a result, and then a thermal history simulating the IHSI construction is given to confirm the change in the residual stress around the welded portion.
解析に用いた材料物性(母材、溶着金属の応力−ひずみ関係(降伏応力)及び比熱、熱膨張率、ヤング率、熱伝導率、比重)は、別途実施した「高温引張り強度試験」より得られたデータを使用した。図4〜図6に解析に用いた材料の真応力−塑性ひずみ関係を示す。 The physical properties of the materials used for the analysis (stress-strain relationship (yield stress) and specific heat, thermal expansion coefficient, Young's modulus, thermal conductivity, specific gravity) of the base metal and the weld metal are obtained from a separate “high-temperature tensile strength test”. Data was used. 4 to 6 show the true stress-plastic strain relationship of the materials used in the analysis.
一方、塑性降伏の条件は、ミーゼスの降伏条件を採用し、硬化則は等方硬化則とした。なおクリープ、変態膨張など速度依存性がある変形機構については考慮していない。 On the other hand, Mises' yield condition was adopted as the plastic yield condition, and the hardening rule was the isotropic hardening rule. Note that deformation mechanisms with speed dependency such as creep and transformation expansion are not considered.
次に、温度分布の計算方法(非定常熱伝導温度分布解析)について説明する。 Next, a calculation method of temperature distribution (unsteady heat conduction temperature distribution analysis) will be described.
溶接およびIHSIによる温度分布の解析は、解析モデルに外部雰囲気や冷却による除熱の条件等を設定し、溶接パスに相当する要素を順次発生させつつ、溶接による入熱を模擬して順次発熱させることで、溶接部及びそのまわりの温度分布を計算する。その際、利用する溶接条件等は、モックアップ試験結果のデータを援用する。 In the analysis of temperature distribution by welding and IHSI, the conditions of heat removal by external atmosphere and cooling are set in the analysis model, and the elements corresponding to the welding pass are generated sequentially, and the heat input by welding is simulated to generate heat sequentially. Thus, the temperature distribution around the welded part and the welded part is calculated. At that time, the data of the mock-up test result is used for the welding conditions to be used.
溶接による温度分布解析を説明する。 The temperature distribution analysis by welding will be described.
溶接時の温度分布解析の境界条件および溶接入熱の導入概要を以下に記す。 The boundary conditions for temperature distribution analysis during welding and the outline of introduction of welding heat input are described below.
(1)境界条件は、溶接部を含む内外面に、外部雰囲気に対する熱伝達及び輻射伝熱を考慮した。 (1) The boundary conditions considered heat transfer and radiant heat transfer to the external atmosphere on the inner and outer surfaces including the weld.
(2)溶接パスの設定は、モックアップの溶接による熱影響を模擬するため、実際のモックアップ試験体の溶接パスを模擬した要素分割でモデル化した。溶接の都度、溶着金属に相当する要素を発生させ、この要素を発熱させることによって溶接による入熱を模擬する手法を用いた。解析において実溶接のパスに相当する要素との対応を図7及び図8に示す。なお、図7及び図8は600A配管の例を示す。図7中、1は配管の母材部を示し、2は溶接材部を示す。丸数字は解析の層を示し、層内の数字はモックアップ溶接の溶接パスを示す(詳細は図8参照)。 (2) The setting of the welding path was modeled by element division simulating the welding path of an actual mock-up specimen in order to simulate the thermal effect of mock-up welding. An element corresponding to the weld metal was generated every time welding was performed, and a method of simulating the heat input by welding by generating heat from this element was used. FIG. 7 and FIG. 8 show the correspondence with the elements corresponding to the actual welding path in the analysis. 7 and 8 show examples of 600A piping. In FIG. 7, 1 indicates a base material part of the pipe, and 2 indicates a welding material part. The circled number indicates the analysis layer, and the number in the layer indicates the mock-up welding pass (see FIG. 8 for details).
(3)熱履歴の初期設定を行うに際して、溶接線の単位長さあたりの入熱量は、電流×電圧÷速さ×入熱効率で求めることができる。これら電流、電圧、速さは溶接施工記録を基に設定した。溶接の入熱効率は、「Distribution of temperatures in arc welding, Christensen, N.」に、0.21〜0.48という数字が紹介されており、ここではTIG溶接で0.4を初期値として用いた。 (3) When performing the initial setting of the heat history, the amount of heat input per unit length of the weld line can be obtained by current × voltage ÷ speed × heat input efficiency. These current, voltage, and speed were set based on welding construction records. As for the heat input efficiency of welding, the numbers 0.21 to 0.48 are introduced in “Distribution of temperatures in arc welding, Christensen, N.”, where 0.4 was used as the initial value in TIG welding. .
溶接線の単位長さあたりの入熱量を決定するにあたって、本来3次元的に移動する溶接プロセスを軸対称シェルモデルで模擬するため、入熱量の時間的変化を図9のように台形状に仮定する。具体的には、最初の入熱時間に対する所定割合の時間で入熱量が増加し、次に入熱時間に対する所定割合の時間で入熱量は一定であり、最後の入熱時間に対する所定割合の時間で入熱量が減少する。これによって、トータルで同じ熱量を入熱しても時間幅が異なると溶接部の最高温度は異なる。本解析においては、単位長さあたりの入熱量を固定しつつ溶接部の最高温度が1300℃となるような入熱時間幅を設定し、温度フィッティングの初期値とした。温度フィッティングとは、温度の解析値をモックアップ試験計測値に近づけることをいう。 In determining the amount of heat input per unit length of the weld line, the temporal change in the amount of heat input is assumed to be trapezoidal as shown in FIG. To do. Specifically, the amount of heat input increases at a predetermined rate of time relative to the first heat input time, then the amount of heat input is constant at a predetermined rate of time relative to the heat input time, and a predetermined rate of time relative to the last heat input time. The heat input decreases. As a result, even if the same amount of heat is input in total, the maximum temperature of the welded portion differs if the time width is different. In this analysis, the heat input time width was set so that the maximum temperature of the welded portion was 1300 ° C. while fixing the heat input amount per unit length, and was used as the initial value of the temperature fitting. Temperature fitting means bringing the temperature analysis value closer to the mock-up test measurement value.
(4)温度フィッティングを行うに際して、モックアップ試験結果より得られた熱電対の温度履歴計測結果と前述の初期設定の温度履歴を比較して、実測温度履歴に沿うように入熱時間、溶接効率を調整し、初期設定温度履歴を、実機の計測結果を反映した温度履歴に調整した。これら入熱時間、溶接効率の調整は、複数の条件を基に試解析して、最も近似する条件を見つけだすことで求める。なお、図10及び図11にモックアップの温度計測位置3を黒塗り点にて示す。温度計測位置3には、熱電対がそれぞれ設置されている。温度計測位置3は、配管1の内面と外面にそれぞれ設けられており、溶接部より所定の間隔を隔てた位置に複数設けられている。
(4) When performing temperature fitting, the thermocouple temperature history measurement results obtained from the mock-up test results are compared with the previously set temperature history, and the heat input time and welding efficiency are matched to the measured temperature history. The initial setting temperature history was adjusted to a temperature history reflecting the actual measurement results. The adjustment of the heat input time and the welding efficiency is obtained by trial analysis based on a plurality of conditions and finding the most approximate condition. 10 and 11, the mock-up
温度フィッティングは、配管断面に90度ピッチで設けた4方位の計測点(温度計測位置3)でのピーク温度に対して、解析結果温度が概ね±6%になる基準を設けて、フィッティングの程度を評価した。±6%に収まらない場合に対しても、ピーク温度の最大値から最小値の間に収まることを確認している(図12〜図14参照)。図9に示す時間幅の調節によって、温度カーブの山の形をほぼ再現し、入熱効率の調節も併用して、計測点でのピーク温度に近づける調節を行った。ただし、入熱効率は0.2から0.8の間にあるものとし、時間幅は概ね10秒を下回らない値を採用した。図12〜図14に、600A配管の温度フィッティング結果の一例を示す。なお、図12〜図14中、4は参照温度計測点を示す。
For temperature fitting, a standard is set so that the analysis result temperature is approximately ± 6% of the peak temperature at four measurement points (temperature measurement position 3) provided at 90 ° pitch on the pipe cross section. Evaluated. It has been confirmed that the peak temperature falls between the maximum value and the minimum value even when it does not fall within ± 6% (see FIGS. 12 to 14). By adjusting the time width shown in FIG. 9, the shape of the peak of the temperature curve was almost reproduced, and the adjustment of the heat input efficiency was also used to adjust the peak temperature at the measurement point. However, it was assumed that the heat input efficiency was between 0.2 and 0.8, and the time width was not less than 10 seconds. 12 to 14 show an example of the temperature fitting result of the 600A pipe. In FIGS. 12 to 14,
実際の解析では、これによって得られた熱効率、加熱時間の平均値を算出し、それを全溶接パスの入熱条件として解析を実施した。 In the actual analysis, the average value of the thermal efficiency and heating time obtained by this was calculated, and the analysis was carried out using this as the heat input conditions for all welding passes.
一例としてNo.3(550A配管)を対象とした解析における熱効率および加熱時間は以下の通りである。 As an example, no. The thermal efficiency and heating time in the analysis for 3 (550A piping) are as follows.
熱効率:0.74
加熱時間:19.0秒
なお、実際のモックアップ試験体は、配管軸方向に収縮するため、実測値に相当する解析メッシュのポイントもオフセットし、実機に沿うように考慮した。
Thermal efficiency: 0.74
Heating time: 19.0 seconds Since the actual mock-up specimen contracted in the direction of the pipe axis, the points of the analysis mesh corresponding to the actually measured values were also offset and considered so as to follow the actual machine.
以上、温度フィッティングを行ったことによって、3次元的に移動する溶接プロセスの温度履歴を軸対称シェルモデルで模擬することができた。 As described above, by performing the temperature fitting, the temperature history of the welding process that moves three-dimensionally can be simulated with the axisymmetric shell model.
次に、IHSIによる温度分布解析を説明する。 Next, temperature distribution analysis by IHSI will be described.
IHSI施工時の温度分布解析の境界条件およびコイルによる入熱について以下に記す。 The boundary conditions for temperature distribution analysis during IHSI construction and the heat input by the coil are described below.
境界条件は、以下のようにする。 The boundary conditions are as follows.
(a)管外面は周囲空気による放熱境界とする。 (A) The outer surface of the pipe is a heat dissipation boundary with ambient air.
(b)管内面は強制対流境界とする。(管内を約300°K(ケルビン)の冷却水が2m/secで流れる状態を模擬するため、円管内を強制対流熱伝達とし、既存の経験式(Dittus - Boelterの式)を用いて熱伝達率を求める。)
(c)管外面からの発熱は、電磁誘導加熱による内部発熱とする。
(B) The inner surface of the pipe is a forced convection boundary. (In order to simulate a state where cooling water of about 300 ° K (Kelvin) flows in the pipe at 2 m / sec, the inside of the pipe is set to forced convection heat transfer, and heat transfer is performed using the existing empirical formula (Dittus-Boelter formula). Find the rate.)
(C) Heat generated from the outer surface of the tube is internal heat generated by electromagnetic induction heating.
ここで、EV(エッセンシャル・バリアブル)と温度フィッティングについて説明する。 Here, EV (essential variable) and temperature fitting will be described.
IHSIを実施する上で残留応力緩和効果の支配的なパラメーターとして(1)最高温度、(2)必要温度差、(3)コイル幅、(4)加熱時間、(5)溶接線とコイル幅中心の相対位置の5つが挙げられる。これらの値をEV(エッセンシャル・バリアブル)と称し、実施工前に算出・確認することで、IHSIの施工条件の計画を行う。 As the dominant parameters of the residual stress relaxation effect in implementing IHSI, (1) maximum temperature, (2) required temperature difference, (3) coil width, (4) heating time, (5) weld line and coil width center There are five relative positions. These values are referred to as EV (Essential Variable), and IHSI construction conditions are planned by calculating and confirming before implementation.
本解析においては、モックアップの施工条件のEV値を模擬するように、発熱位置を調整した。さらにモックアップ試験体のIHSI施工時で得られた配管外面温度の履歴および分布と一致するようにFEM解析の入熱量を調整して温度フィッティングを行った。 In this analysis, the heat generation position was adjusted so as to simulate the EV value of the mock-up construction conditions. Furthermore, temperature fitting was performed by adjusting the amount of heat input in the FEM analysis so as to coincide with the history and distribution of the pipe outer surface temperature obtained during the IHSI construction of the mock-up specimen.
IHSI加熱時の温度計測位置を図10及び図11に示す。図15及び図16に温度フィッティング結果の一例を示す。図15中、5は、図中右側に表示した各温度計測位置での温度履歴を示した温度履歴群である。そして、配管外面側の計測位置の中で最も低い温度の計測結果(温度履歴群5の中で最も低い温度)に合わせるように試解析を行い、解析の温度フィッティングを行った。これによって、図16に示すように、解析により得られた軸方向の温度分布が、MU(モックアップ)の計測結果と同等になった。
The temperature measurement position at the time of IHSI heating is shown in FIGS. 15 and 16 show an example of the temperature fitting result. In FIG. 15,
以上、温度フィッティングを行ったことによって、3次元的に移動するIHSIプロセスの温度履歴を軸対称シェルモデルで模擬することができた。 As described above, by performing the temperature fitting, the temperature history of the IHSI process moving three-dimensionally can be simulated with the axisymmetric shell model.
次に、残留応力の計算方法(熱弾塑性応力解析)について説明する。 Next, a method for calculating residual stress (thermoelastic-plastic stress analysis) will be described.
上述の非定常熱伝導解析により得られた温度分布を基に、熱荷重を算出し、熱弾塑性大変形解析により、配管内外面及び、内部の残留応力分布を算出した。 Based on the temperature distribution obtained by the above-mentioned unsteady heat conduction analysis, the thermal load was calculated, and the residual stress distribution inside and outside the pipe was calculated by thermal elastic-plastic large deformation analysis.
ここで、溶接による残留応力解析を説明する。 Here, the residual stress analysis by welding will be described.
まず、溶接による温度分布解析より算出した各節点における温度の時刻暦変化を入力し、線膨張係数を介して熱荷重に変換する。熱荷重は、入熱初期の昇温過程から入熱終了後に溶接部周辺の温度分布がほとんど変化しなくなる時間までを考慮した。応力解析においても、溶接パスに対応して加熱される領域の要素を逐次発生させつつ解析を進めた。この要素の発生タイミングは加熱領域が最も高温となる時間とした。 First, the change of the time calendar of the temperature at each node calculated from the temperature distribution analysis by welding is input and converted into a thermal load through a linear expansion coefficient. The thermal load was considered from the temperature rising process at the beginning of heat input to the time when the temperature distribution around the welded portion hardly changed after the heat input was completed. In the stress analysis, the analysis proceeded while sequentially generating the elements of the heated area corresponding to the welding pass. The generation timing of this element was set to the time when the heating region became the highest temperature.
ところで、本発明は、軸対称シェルモデルによる本解析と、実際の3次元溶接現象の相違点を補完するため、溶接中において、軸方向および径方向にバネによる拘束を導入したことを特徴とする。 By the way, the present invention is characterized in that, in order to complement the difference between the main analysis by the axially symmetric shell model and the actual three-dimensional welding phenomenon, the restraint by the spring is introduced in the axial direction and the radial direction during welding. .
拘束のタイミングは、溶金を模擬した入熱を与えた瞬間から冷却後までとし、その後一旦拘束を外し内部応力の自平衡に伴う変形を与える状態を求めている。次のパスを入熱する際は再び同様の拘束を行い、この操作を全ての溶接パスについて繰り返した。 The timing of restraint is from the moment when heat input simulating molten metal is applied to after cooling, and thereafter, the restraint is once removed to obtain a state in which deformation due to self-equilibration of internal stress is applied. When the next pass was heated, the same restraint was performed again, and this operation was repeated for all the weld passes.
FEM解析における次元の違いによる相違点とは、実際の溶接では溶接ビードに沿って熱源が移動して行く(3次元体の一部を温める)のに対して、軸対称モデルでは全周に渡って溶接ビードを同時に温めてしまい、軸方向へ自由膨張すると共に径方向にも比較的変形しやすい事象のことである。この実際には起こらない軸方向への自由膨張と径方向への変形の容易さを適度に拘束することを目的として、バネ拘束条件を導入した。 The difference due to the difference in dimensions in FEM analysis is that the heat source moves along the weld bead in actual welding (a part of the three-dimensional body is warmed), whereas in the axially symmetric model, it extends over the entire circumference. This is an event in which the weld bead is heated at the same time, and is free to expand in the axial direction and is relatively easily deformed in the radial direction. Spring restraint conditions were introduced for the purpose of moderately restraining the free expansion in the axial direction and the ease of deformation in the radial direction, which do not actually occur.
この拘束条件の検討は口径、板厚により周辺領域の剛性が異なることから、解析対象の配管ごとに実施する必要がある。バネ拘束条件は、以下の点に着目して決定する。 Since the rigidity of the peripheral region differs depending on the diameter and the plate thickness, it is necessary to carry out the study of this constraint condition for each pipe to be analyzed. The spring constraint condition is determined by paying attention to the following points.
溶接時の軸方向および径方向拘束条件算定方法については、配管における周溶接という事象を考えた場合、溶接に伴う入熱は点熱源が移動することから、3次元的な挙動となる(図17参照)。そのためFEM解析により配管の周溶接の残留応力を高精度に解析するためには3次元モデルを用いて実際の入熱状況を再現した解析が必要であると考えられる。しかし、実機の溶接が多パス(配管の径や板厚により異なるが30〜50パス程度)となり、昨今の計算機の著しい能力向上を鑑みても3次元モデルでの解析には膨大な時間を要することから、多種多様な条件を検討する上で軸対称シェルモデルに置き換えて解析するのが一般的である。 Regarding the axial direction and radial direction constraint calculation method at the time of welding, considering the phenomenon of circumferential welding in piping, the heat input accompanying welding moves three-dimensionally because the point heat source moves (FIG. 17). reference). Therefore, in order to analyze the residual stress of the pipe circumferential weld with high accuracy by FEM analysis, it is considered necessary to perform an analysis that reproduces the actual heat input state using a three-dimensional model. However, welding of actual machines becomes multi-pass (depending on the diameter and thickness of the pipe, but about 30-50 passes), and analysis with a three-dimensional model takes enormous time even in view of the remarkable improvement in the capabilities of recent computers. Therefore, it is common to analyze by replacing with an axisymmetric shell model when examining various conditions.
しかし軸対称シェルモデルを用いて、溶接部を有する配管の残留応力を解析する場合、溶接を模擬した入熱を与えると環状のリングが同時期に加熱される状態(図18参照)となり、実機のような点熱源の移動とは異なる挙動を示す。図19に示すように、実機においては溶接により局部的に加熱された領域は周りの構造(低温であるため)により変形が拘束されるが、軸対称シェルモデルでは径方向への変位が比較的自由に膨張・収縮することとなり、主に周方向の解析結果が実機と差異が生じると考えられる。そこで軸対称シェルモデルで本来3次元の変形挙動を再現するためには、図19に示すような便宜的な拘束条件を付与する必要があると考えられる。 However, when the residual stress of a pipe having a welded portion is analyzed using an axisymmetric shell model, when a heat input simulating welding is applied, the annular ring is heated at the same time (see FIG. 18). It shows a behavior different from the movement of a point heat source. As shown in FIG. 19, in the actual machine, the region heated locally by welding is constrained from deformation by the surrounding structure (because of the low temperature), but in the axially symmetric shell model, the radial displacement is relatively small. It will expand and contract freely, and it is thought that the analysis results in the circumferential direction will differ from the actual machine. Therefore, in order to reproduce the original three-dimensional deformation behavior with the axially symmetric shell model, it is considered necessary to give a convenient constraint condition as shown in FIG.
ところで、円柱座標系におけるひずみは3次元の場合、垂直3成分、せん断3成分を考え、軸対称シェルモデルでの径、軸方向変位挙動を3次元モデルに近づけることで、3次元の径、軸、周方向のひずみ挙動を模擬できる。 By the way, when the strain in the cylindrical coordinate system is three-dimensional, the three-dimensional diameter and the axis are determined by considering the vertical three-component and the shear three-component, and bringing the diameter and axial displacement behavior of the axisymmetric shell model closer to the three-dimensional model. The strain behavior in the circumferential direction can be simulated.
しかし、対象が円柱であることから、その変位挙動は複雑であり、解析解として周溶接のように本来3次元の変形挙動を軸対称シェルモデルにより再現するために径、軸方向の変形を一致させるような拘束条件を決めるのは困難であると考えられる。 However, since the object is a cylinder, the displacement behavior is complex, and the same three-dimensional deformation behavior as an analytical solution is reproduced by an axially symmetric shell model, as in circumferential welding. It is considered difficult to determine such constraint conditions.
そこで、本発明では軸対称シェルモデル及び3次元シェルモデルを用いたFEMによる試解析を行い、局所加熱と全周加熱の変形挙動の違いを明らかにした。さらにFEMによるケーススタディを実施し局所過熱と全周加熱の変形挙動を一致させるような拘束方法を検討した。 Therefore, in the present invention, a trial analysis by FEM using an axisymmetric shell model and a three-dimensional shell model was performed, and the difference in deformation behavior between local heating and whole circumference heating was clarified. In addition, a case study using FEM was conducted to investigate a restraint method that matched the deformation behavior of local overheating and all-around heating.
以下にFEMによる拘束方法の決定方法について記す。 The method for determining the restraint method by FEM will be described below.
まず、FEMによる試解析方法について説明する。 First, a trial analysis method using FEM will be described.
全周を同時に溶接した場合と局所的に溶接した場合の変形挙動の違いを明らかにするため軸対称シェルモデルと3次元シェルモデルを用いて弾性解析を行った。比較に用いたのは以下の3種類の解析である。 In order to clarify the difference in deformation behavior between the case where the entire circumference was welded simultaneously and the case where it was locally welded, an elastic analysis was performed using an axisymmetric shell model and a three-dimensional shell model. The following three types of analysis were used for comparison.
(1)軸対称シェルモデルを用いて中央部加熱(全周同時加熱に相当)
(2)3次元シェルモデルを用いて中央部全周加熱(全周加熱に相当)
(3)3次元シェルモデルを用いて中央部に局所加熱(実機の点熱源に相当)
なお、軸対称シェルモデルと3次元シェルモデルを用いた全周加熱は同じ解析結果が得られるはずであるが、軸対称シェルモデルの変形の妥当性を確認するため比較に供している。
(1) Center heating using an axisymmetric shell model (equivalent to simultaneous heating around the entire circumference)
(2) All-around center heating using a 3D shell model (equivalent to all-around heating)
(3) Local heating at the center using a three-dimensional shell model (corresponding to the actual point heat source)
Although the same analysis result should be obtained for all-round heating using the axisymmetric shell model and the three-dimensional shell model, they are used for comparison in order to confirm the validity of the deformation of the axisymmetric shell model.
図20に、検討に用いた3次元シェルモデルの一例として600A配管のモデルを示す。図20(a)中、6で示す局所加熱領域の寸法は、600A配管で実施した溶接時温度計測結果を基に設定した。1層1パス溶接時温度計測結果より、配管内面では、開先中心から±8mm位置で約700℃、±13mm位置で約390℃、±23mm位置で約200℃以下である。 FIG. 20 shows a 600A piping model as an example of the three-dimensional shell model used for the study. In FIG. 20 (a), the size of the local heating region indicated by 6 was set based on the temperature measurement result during welding performed with 600A piping. From the results of temperature measurement at the time of one-layer one-pass welding, the inner surface of the pipe is about 700 ° C. at a position of ± 8 mm from the groove center, about 390 ° C. at a position of ± 13 mm, and about 200 ° C. or less at a position of ± 23 mm.
よって加熱領域は、解析メッシュも考慮し、温度の下限を200℃として、幅20mmとした。加熱領域の長さは溶接速度90mm/min及び200℃以上での高温持続時間約1.3minより128mmとした。また、全周加熱領域(軸対称シェルモデルでの入熱を想定)7についても図20(b)で示すように、20mm幅を入熱の範囲とした。 Therefore, in consideration of the analysis mesh, the heating region has a lower limit of 200 ° C. and a width of 20 mm. The length of the heating region was set to 128 mm from a welding speed of 90 mm / min and a high temperature duration of about 1.3 min at 200 ° C. or higher. In addition, as shown in FIG. 20B, the entire circumference heating region 7 (assuming heat input in an axially symmetric shell model) 7 was set to have a 20 mm width as a heat input range.
次に、試解析結果の比較について説明する。 Next, comparison of trial analysis results will be described.
3次元シェルモデルおよび軸対称シェルモデルを用いた3種類の試解析を実施、径方向および軸方向の変位を図21及び図22に示す。なお、図21及び図22中、11(細線に四角マーク)は3Dシェル(3次元シェルモデル)・局所加熱の場合の変位挙動を示し、12(太線)は3Dシェル・全周加熱の場合の変位挙動を示し、13(細線に丸マーク)は軸対称シェル(軸対称シェルモデル)・全周加熱の場合の変位挙動を示す。 Three types of trial analysis using a three-dimensional shell model and an axially symmetric shell model were performed, and radial and axial displacements are shown in FIGS. In FIG. 21 and FIG. 22, 11 (square mark on the thin line) shows the displacement behavior in the case of 3D shell (three-dimensional shell model) and local heating, and 12 (thick line) in the case of 3D shell and all-around heating. The displacement behavior is shown, and 13 (circle mark on the thin line) shows the displacement behavior in the case of an axially symmetric shell (axially symmetric shell model) and all-around heating.
図21より、3次元シェルモデルで全周加熱した場合の変位挙動12と、軸対称シェルモデルで全周加熱した場合の変位挙動13がほぼ等しいことが確認できる。一方、3次元ソリッドモデルで局所加熱した場合の径方向の変位挙動11は、全周加熱した場合の変位挙動12,13と比較して、発生する変位がかなり少ないことが確認できる。この差を補正することで、軸対称シェルモデルでも溶接時の変位挙動が3次元ソリッドモデルと等価になり、結果として塑性ひずみや応力バランスが実機に近づくと考えられる。
From FIG. 21, it can be confirmed that the
図22に示すように、軸方向の変位についても径方向変位と同様、3次元シェルモデルで全周加熱した場合の変位挙動12と、軸対称シェルモデルで全周加熱した場合の軸方向の変位挙動13とがほぼ等しいことがわかる。一方、3次元シェルモデルで局所加熱した場合の変位挙動11は、全周加熱した場合の変位挙動12,13と比較して、発生する変位がかなり少ないことが確認できる。この差を補正することで、軸対称シェルモデルでも溶接時の変位挙動を3次元ソリッドモデルと同等とすることが可能となり、結果として塑性ひずみや応力バランスが実機に近づくと考えられる。
As shown in FIG. 22, the displacement in the axial direction is similar to the radial displacement, the
次に、変形挙動を一致させるための拘束条件の検討について説明する。 Next, the examination of the constraint conditions for matching the deformation behavior will be described.
径・軸方向共に軸対称シェルモデルでは現れない周辺領域の剛性が、加熱による変位を抑制している。その差を軸対称シェルモデルで再現するためには適切な位置に適切な剛性(バネ拘束)を与え、解析モデルを構築するとよい。対象が円柱であることから、その変位挙動は複雑であり、バネ拘束の導入位置、剛性はFEM解析で検証し、求める必要がある。そこでFEMによるケーススタディを実施しバネの拘束設定位置及び剛性を確認・決定した。 The stiffness in the peripheral region that does not appear in the axially symmetric shell model in both the radial and axial directions suppresses displacement due to heating. In order to reproduce the difference with an axisymmetric shell model, it is preferable to provide an appropriate rigidity (spring constraint) at an appropriate position and construct an analysis model. Since the object is a cylinder, the displacement behavior is complicated, and the introduction position and rigidity of the spring constraint need to be verified and obtained by FEM analysis. Therefore, a case study using FEM was conducted to confirm and determine the spring restraint setting position and rigidity.
さまざまなケーススタディを実施した結果、溶接線中心から±30mmの位置に径方向バネ拘束、溶接中心から±100mm位置に軸方向バネ拘束を導入する事とした。与えるバネ剛性は軸対称シェルモデルと3次元シェルモデルでの変位挙動が一致する剛性を試解析から算出し設定した。 As a result of various case studies, we decided to introduce radial spring restraint at a position ± 30 mm from the center of the weld line and axial spring restraint at a position ± 100 mm from the weld center. The given spring stiffness was set by calculating from the trial analysis the stiffness with which the displacement behavior in the axisymmetric shell model and the three-dimensional shell model matched.
すなわち、軸対称シェルモデルに複数の条件を入力して複数回FEM解析(パラメータサーベイ)を行い、軸対称シェルモデルと3次元シェルモデルでの変位挙動が一致する剛性(バネ定数)を見つけて設定した。具体的には、600A配管の場合には、径方向バネの剛性が、2.581×1010(N/m)、軸方向バネの剛性が、11.621×1010(N/m)とする。 In other words, multiple conditions are input to the axisymmetric shell model and FEM analysis (parameter survey) is performed multiple times to find and set the stiffness (spring constant) that matches the displacement behavior of the axisymmetric shell model and the three-dimensional shell model. did. Specifically, in the case of 600A piping, the stiffness of the radial spring is 2.581 × 10 10 (N / m), and the stiffness of the axial spring is 11.621 × 10 10 (N / m). To do.
ABAQUSに条件を入力する際に、径方向及び軸方向バネ拘束を導入する要素をそれぞれ指定すると共に、各バネの剛性(バネ定数)を入力する。 When inputting conditions to ABAQUS, elements for introducing radial and axial spring restraints are specified, and the stiffness (spring constant) of each spring is input.
本拘束を導入した軸対称シェルモデルの変位挙動と局所加熱した3次元シェルモデルの変位挙動を比較したものを図23及び図24に示す。なお、図23及び図24中、11(細線に四角マーク)は3Dシェル(3次元シェルモデル)・局所加熱の場合の変位挙動を示し、12(太線)は3Dシェル・全周加熱の場合の変位挙動を示し、13(細線に丸マーク)は軸対称シェル(軸対称シェルモデル)・全周加熱の場合の変位挙動を示し、14(太線)は径・軸方向にバネ拘束を導入した軸対称シェル(軸対称シェルモデル)・全周加熱の場合の変位挙動を示す。 FIG. 23 and FIG. 24 show a comparison between the displacement behavior of the axisymmetric shell model in which this constraint is introduced and the displacement behavior of the locally heated three-dimensional shell model. 23 and 24, 11 (square mark on thin line) indicates the displacement behavior in the case of 3D shell (three-dimensional shell model) and local heating, and 12 (thick line) indicates the case in the case of 3D shell and all-around heating. Shows displacement behavior, 13 (circle mark on thin line) shows displacement behavior in case of axially symmetric shell (axially symmetric shell model) and all-around heating, and 14 (thick line) shows shaft with spring restraint introduced in radial and axial directions The displacement behavior in the case of symmetrical shell (axisymmetric shell model) and all-around heating is shown.
図23及び図24に示すように、径・軸方向にバネ拘束を導入した軸対称シェル(軸対称シェルモデル)で全周加熱した場合の径・軸方向の変位挙動14と、3次元シェルモデルで局所加熱した場合の径・軸方向の変位挙動11がほぼ等しいことが確認できる。すなわち、上述の拘束を導入することにより3次元シェルモデルでの局所加熱の変形挙動を軸対称シェルモデルで模擬することが可能となった。
As shown in FIGS. 23 and 24, the
軸対称シェルモデルでのバネ拘束の効果について説明する。 The effect of spring restraint in the axisymmetric shell model will be described.
600A配管を対象として軸対称シェルモデルに上記の方法により求めたバネ拘束を導入し解析を行った結果(As Weld解析結果)を図25及び図26に示す。なお、図25及び図26中、15はバネ拘束なしのFEM解析(軸対称シェルモデル)による内面の応力を示し、16はバネ拘束ありのFEM解析(軸対称シェルモデル)による内面の応力を示し、17はバネ拘束なしのFEM解析(軸対称シェルモデル)による外面の応力を示し、18はバネ拘束ありのFEM解析(軸対称シェルモデル)による外面の応力を示す。また、19はMUの内面の各温度計測位置の応力を示し、20はMUの外面の各温度計測位置の応力を示す。
FIG. 25 and FIG. 26 show the results (As Weld analysis results) of the analysis by introducing the spring constraint obtained by the above method into the axisymmetric shell model for 600A piping. In FIGS. 25 and 26, 15 indicates the stress of the inner surface by FEM analysis (axisymmetric shell model) without spring constraint, and 16 indicates the stress of the inner surface by FEM analysis (axial symmetry shell model) with spring constraint. , 17 indicates the stress on the outer surface by FEM analysis (axisymmetric shell model) without spring constraint, and 18 indicates the stress on the outer surface by FEM analysis (axisymmetric shell model) with spring constraint.
図25よりAs Weldでの解析結果(バネ拘束ありのFEM解析による内面の応力16及び外面の応力18)は、配管内面軸方向応力分布においては従来解析結果(バネ拘束なしのFEM解析による内面の応力15及び外面の応力17)と比較し、内外面共に径方向拘束の影響が若干、発生しているもののその応力分布の傾向は等しく、また溶金近傍での応力レベルはほとんど変化しない。また、図26に示すように、バネ拘束ありのFEM解析による内面の応力16及び外面の応力18の配管内面周方向応力分布は、溶金近傍での応力レベルが下がり、実測結果(MUの内面の各温度計測位置の応力19及び外面の各温度計測位置の応力20)と傾向が近づく結果が得られることを確認した。
As shown in FIG. 25, the As Weld analysis results (
以上より解析上の境界条件を付与することにより軸対称シェルモデルによるFEM解析でも実機の3次元的な影響によるひずみ挙動を模擬できることが判明した。 From the above, it was found that the strain behavior due to the three-dimensional influence of the actual machine can be simulated even by FEM analysis using an axisymmetric shell model by giving boundary conditions for analysis.
次に、IHSIによる残留応力解析について説明する。 Next, residual stress analysis by IHSI will be described.
IHSI施工時の温度分布の計算により算出した時刻暦データ(図15参照)を、溶接時の解析と同様に各節点に時間変化する温度として入力し、線膨張係数を介して熱荷重に変換する。熱荷重は、入熱初期の昇温過程から入熱終了後に溶接部周辺の温度分布がほとんど変化しなくなる時間までを考慮した。 The time calendar data (see Fig. 15) calculated by calculating the temperature distribution during IHSI construction is input as a time-varying temperature at each node in the same manner as the analysis during welding, and is converted into a thermal load via a linear expansion coefficient. . The thermal load was considered from the temperature rising process at the beginning of heat input to the time when the temperature distribution around the welded portion hardly changed after the heat input was completed.
実機のIHSIの施工時は軸方向にはほとんど拘束がない状態となる。そこで解析においても剛体変形を防止するために配管の片端部のみ拘束して解析を実施した。 At the time of actual IHSI construction, there is almost no constraint in the axial direction. Therefore, in order to prevent rigid body deformation in the analysis, only one end of the pipe was constrained.
なお、HAZ部(溶接材と母材との境界部)に関しては溶接による加工硬化によって硬さが増加するが、解析においてはこの挙動を完全に再現することができないことから、図27中、ハッチングA、Bに示す領域を、別途実施した圧延材を用いた試験結果より得られた加工硬化材の物性値に置き換えた後、IHSI施工時の温度分布の計算で得られた熱荷重を付与して解析を実施した。 The HAZ portion (boundary portion between the weld material and the base material) increases in hardness due to work hardening by welding, but this behavior cannot be completely reproduced in the analysis. After replacing the areas shown in A and B with physical properties of work-hardened materials obtained from the results of tests using separately performed rolled materials, the thermal load obtained by calculating the temperature distribution during IHSI construction was applied. The analysis was performed.
すなわち、溶接時の加熱により加工硬化した降伏点の上昇度合いを実際の継手断面で計測した硬さ分布より求め、溶接残留応力解析結果との差異の分だけ補正した解析を実施している。詳細については以下に説明する。 That is, the degree of increase in the yield point that has been work-hardened by heating during welding is obtained from the hardness distribution measured on the actual joint cross section, and the analysis is performed by correcting the difference from the welding residual stress analysis result. Details will be described below.
図28及び図29に圧延材の試験から得られた応力―ひずみ線図(真応力−塑性ひずみ曲線)を示す。 28 and 29 show stress-strain diagrams (true stress-plastic strain curves) obtained from the rolling material test.
溶接部近傍の塑性ひずみ量修正方法について説明する。 A method for correcting the amount of plastic strain near the weld will be described.
溶接工程の後、IHSI施工により溶接部近傍の残留応力が緩和される挙動については、バネ拘束を導入した軸対称シェルモデルを用いたFEM解析の結果とモックアップによる実験結果が定性的によく一致することが明らかとなった。しかし溶接裏波部近傍(配管内面)の軸方向応力においては、定量的に完全な一致が得られていない。特に、解析ではIHSI後の残留応力がモックアップと比較して圧縮残留応力が高い傾向を示すことから、実機の残留応力を解析で評価する上では安全側とは逆の評価となる。 Regarding the behavior in which residual stress in the vicinity of the weld is relaxed by the IHSI construction after the welding process, the results of the FEM analysis using the axisymmetric shell model with the spring constraint introduced agree well with the experimental results of the mock-up. It became clear to do. However, in the axial stress in the vicinity of the weld back surface portion (inner surface of the pipe), a perfect match is not obtained quantitatively. In particular, in the analysis, the residual stress after IHSI tends to be higher than the mock-up in the residual stress. Therefore, the evaluation of the residual stress of the actual machine is the opposite of the safety side in the analysis.
この部位は溶金及び近傍の溶融・凝固、及び熱変形を受けるため解析において完全に再現することが難しい加工硬化が生じていると考えられる。そこで解析とモックアップの加工硬化の度合いを比較するため、600A配管のモックアップ試験体を対象としてAs Weldの溶接部近傍の硬さ分布を計測した。 It is considered that this part is subject to work hardening that is difficult to reproduce completely in the analysis because it is subjected to molten metal and nearby melting / solidification and thermal deformation. Therefore, in order to compare the degree of work hardening of analysis and mockup, the hardness distribution near the weld of As Weld was measured for a mockup specimen of 600A piping.
図30に実測の硬さ分布を示す。図30中のハッチングAで示される配管内面側の溶金近傍の硬さはHv260程度、また板厚中心の溶金近傍の硬さはHv220程度(ハッチングBの領域)であった。一般に硬さと引張強度とは比例関係にあることが知られており、0.2%耐力とも比例関係が予想される。そこで予ひずみ(圧延)を与えたSUSF316(LC)材の引張試験を実施し予ひずみによる硬さと0.2%耐力の関係を求めた。 FIG. 30 shows the measured hardness distribution. The hardness in the vicinity of the molten metal on the inner surface side of the pipe indicated by hatching A in FIG. 30 is about Hv 260, and the hardness in the vicinity of the molten metal at the center of the plate thickness is about Hv 220 (hatching B region). Generally, it is known that hardness and tensile strength are in a proportional relationship, and a proportional relationship is also expected with 0.2% proof stress. Therefore, a tensile test was performed on a SUSF316 (LC) material to which prestrain (rolling) was applied, and the relationship between hardness by prestrain and 0.2% proof stress was obtained.
図31及び図32に試験結果一覧および硬さと0.2%耐力の関係を示す。これらの図から硬さと0.2%耐力は比例関係にあることが明らかとなった。モックアップから計測された硬さと図32から溶金近傍の0.2%耐力は600MPa程度と推定される。この値と図31の表から図30のハッチングAの部分で15%程度、ハッチングBの部分で10%程度のひずみ履歴を受けたと推定される。 31 and 32 show a list of test results and the relationship between hardness and 0.2% proof stress. From these figures, it became clear that the hardness and the 0.2% proof stress are in a proportional relationship. From the hardness measured from the mock-up and FIG. 32, the 0.2% proof stress near the molten metal is estimated to be about 600 MPa. From this value and the table of FIG. 31, it is estimated that a strain history of about 15% was received in the hatched portion A of FIG. 30 and about 10% in the hatched B portion.
このような推定手法によりモックアップの硬さ分布から予ひずみ量を推定し、対応するFEMモデルの要素ごとに予ひずみ量をコンター図で示したものを図33及び図34に示す。図33に示すように、溶金部に近いほど予ひずみ量が大きく、また内面の方が予ひずみ量が大きいことが判る。また、図34に示すように、溶金でも中心部及び内面に近いほど予ひずみ量が多いことが判る。 The prestrain amount is estimated from the mock-up hardness distribution by such an estimation method, and the prestrain amount for each element of the corresponding FEM model is shown in a contour diagram as shown in FIGS. As shown in FIG. 33, it can be seen that the closer to the molten metal portion, the larger the pre-strain amount, and the inner surface has a larger pre-strain amount. In addition, as shown in FIG. 34, it can be seen that the amount of pre-strain increases as the distance from the center and the inner surface increases.
一方、FEM解析で得られた相当塑性ひずみの分布を図35及び図36に示す。図33と図35の差分(配管母材部の予ひずみ量と相当塑性ひずみ量との差分)、図34と図36の差分(溶接材部の予ひずみ量と相当塑性ひずみ量との差分)を表示した結果を図37、図38にそれぞれ示す。なお、図33〜図38中、数値(%)は塑性ひずみを示す。 On the other hand, the distribution of equivalent plastic strain obtained by FEM analysis is shown in FIGS. Difference between FIG. 33 and FIG. 35 (difference between the pre-strain amount of the pipe base material portion and the equivalent plastic strain amount), difference between FIG. 34 and FIG. 36 (difference between the pre-strain amount of the weld material portion and the equivalent plastic strain amount) The results of displaying are shown in FIGS. 37 and 38, respectively. In FIGS. 33 to 38, the numerical value (%) indicates plastic strain.
図示するように、概ねモックアップのほうが高い塑性ひずみが生じており、溶金とSUS母材との境界において5〜10%程度の塑性ひずみの差異がある。特に内面側の差異が大きい。この差がFEM解析で再現することのできない変形挙動であると考えられる。 As shown in the figure, the plastic strain is generally higher in the mock-up, and there is a difference in plastic strain of about 5 to 10% at the boundary between the molten metal and the SUS base material. In particular, the difference on the inner surface side is large. This difference is considered to be a deformation behavior that cannot be reproduced by FEM analysis.
この塑性ひずみの差を模式化した応力ひずみ関係で示したのが図39である。ここで、As Weldの応力−ひずみの状態はFEM解析結果では図39中のAにあると仮定する。これに対して、実測から推定した塑性ひずみ量と解析による塑性ひずみ量の差からモックアップではA’にあると予想される(応力は等しいが、塑性ひずみ量が異なる)。 FIG. 39 shows the stress-strain relationship schematically representing the difference in plastic strain. Here, it is assumed that the stress-strain state of As Weld is at A in FIG. 39 in the FEM analysis result. On the other hand, from the difference between the amount of plastic strain estimated from actual measurement and the amount of plastic strain obtained by analysis, it is expected that the mock-up is at A '(stress is the same, but the amount of plastic strain is different).
次に溶接施工後にIHSIの熱サイクルを受けた場合の配管内面の応力−ひずみ挙動を図40に示す。解析においては加熱に伴いA→B→C、冷却によってC→Dのような経路をたどり、IHSI施工後は高い圧縮残留応力が導入される。しかし塑性ひずみがA’であった場合、IHSI施工により加熱過程はA’→B’→C’、冷却過程はC’→D’をたどる。すなわち、予ひずみの履歴が大きいA’の場合はB’において再降伏する応力がBと比べて高い値となるため、結果としてIHSIにより導入される圧縮残留応力は相対的に低い値となる。SUS材のように加工硬化が顕著な材料においては加工硬化に伴う降伏応力の増大が、IHSI後の残留応力分布に対して顕著に影響すると考えられる。 Next, FIG. 40 shows the stress-strain behavior of the inner surface of the pipe when subjected to the IHSI thermal cycle after welding. In the analysis, a path such as A → B → C with cooling and C → D with cooling is followed, and high compressive residual stress is introduced after IHSI construction. However, when the plastic strain is A ′, the heating process follows A ′ → B ′ → C ′ and the cooling process follows C ′ → D ′ by the IHSI construction. That is, in the case of A ′ having a large pre-strain history, since the stress that yields again at B ′ is higher than that of B, as a result, the compressive residual stress introduced by IHSI is a relatively low value. In a material with remarkable work hardening such as SUS material, it is considered that an increase in yield stress accompanying work hardening significantly affects the residual stress distribution after IHSI.
そこで、解析においてAの状態からIHSIによる熱サイクルによってD’時の応力を得るためには、IHSIの過程において図41のようなA→B”→C”→D”挙動をするような応力−ひずみ関係を用いることで模擬できると考えられる。つまりB”C”を通るような破線で示すような応力ひずみ関係を持つ材料物性値にIHSI解析直前に入れ替えることが必要となる。 Therefore, in order to obtain the stress at the time D ′ from the state A in the analysis by the IHSI thermal cycle, the stress that causes the behavior of A → B ″ → C ″ → D ″ as shown in FIG. 41 in the process of IHSI− It is considered that the simulation can be performed by using the strain relationship, that is, it is necessary to replace the material property value having the stress strain relationship as shown by the broken line passing through B "C" immediately before the IHSI analysis.
破線で示す応力ひずみ関係を求めるため、図42に実験から得られた圧延材の真応力―塑性ひずみ曲線を示す。図42中、21で示された線は予ひずみを受けていない材料の真応力―塑性ひずみ曲線である。仮にモックアップのAs Weld時の塑性ひずみが20%であった場合、IHSI施工中は図42中の22のループをたどると考えられる。一方、FEMにおいて相当塑性ひずみが15%の領域においてモックアップと同様のループをたどるためには21の真応力―塑性ひずみ曲線を5%左にシフトした線上(図中の一点鎖線23)をたどる必要がある。この5%シフトした真応力―塑性ひずみ曲線23は5%圧延を受けた材料の真応力―塑性ひずみ曲線(図中の24の曲線)とほぼ等価である。またFEMにおいて相当塑性ひずみが10%の領域においても同様にモックアップと同じループをたどるためには21の真応力―塑性ひずみ曲線を10%左にシフトした線上(図中の破線25)をたどる必要がある。この線図25は10%圧延を受けた材料の真応力―塑性ひずみ曲線(図中の26の曲線)に近いことがわかる。
In order to obtain the stress-strain relationship indicated by the broken line, FIG. 42 shows a true stress-plastic strain curve of the rolled material obtained from the experiment. In FIG. 42, a line indicated by 21 is a true stress-plastic strain curve of a material that has not undergone prestrain. If the plastic strain at mock-up As Weld is 20%, it is considered that 22 loops in FIG. 42 are followed during IHSI construction. On the other hand, in order to follow the same loop as mock-up in the region where the equivalent plastic strain is 15% in FEM, follow the true stress-plastic strain curve of 21 on the line shifted to the left by 5% (one-
上記の検討からモックアップとFEM解析のIHSI後の応力を等価にするためには、As Weld後の塑性ひずみの差分だけ予ひずみを受けた材料の応力ひずみ曲線をFEM解析で用いることで再現できると考えられる。そこで600A配管を対象に軸対称シェルモデルを用いた試解析を実施し、材料入れ替えがIHSI後の残留応力分布に与える影響を検討した。図37,38の塑性ひずみ差分を単純化した図27に示すような領域においてそれぞれ5%および10%圧延を受けた材料の応力ひずみ挙動に溶接の解析終了後の計算で入れ替えを行った。 In order to make the mock-up and the stress after IHSI of FEM analysis equivalent from the above study, it can be reproduced by using the stress-strain curve of the material pre-strained by the difference in plastic strain after As Weld in FEM analysis. it is conceivable that. Therefore, a trial analysis using an axisymmetric shell model was conducted for 600A piping, and the effect of material replacement on the residual stress distribution after IHSI was examined. In the region shown in FIG. 27 where the plastic strain difference between FIGS. 37 and 38 is simplified, the stress strain behavior of the material subjected to 5% and 10% rolling, respectively, was replaced by the calculation after the end of the welding analysis.
上述のFEM解析の結果を図43及び図44に示す。図43は材料入れ替えが軸方向残留応力分布に与える影響を示し、図44は材料入れ替えが周方向残留応力分布に与える影響を示す。図43中、太線27は材料入れ替えを行った解析結果の配管内面における軸方向応力分布を示している。図44中、太線27は材料入れ替えを行った解析結果の配管内面における周方向応力分布を示している。一方材料を入れ替えない解析結果を細線28で示す。これらの比較より材料の入れ替えによりFEM解析値とモックアップの応力分布とがほぼ一致した結果が得られていることがわかる。なお、太線29は材料入れ替えを行った解析結果の配管外面における軸方向応力分布(図43)及び周方向応力分布(図44)を示している。一方材料を入れ替えない解析結果を細線30で示す。また、31はMUの内面の各温度計測位置の応力を示し、32はMUの外面の各温度計測位置の応力を示す。
The result of the above-mentioned FEM analysis is shown in FIGS. FIG. 43 shows the effect of material replacement on the axial residual stress distribution, and FIG. 44 shows the effect of material replacement on the circumferential residual stress distribution. In FIG. 43, a
以上の結果からFEM解析において溶接工程終了後の硬さ分布を反映した材料の入れ替えをおこなうことで、IHSI後の軸方向応力をモックアップと等価に推定できることが判った。 From the above results, it was found that the axial stress after IHSI can be estimated equivalent to mock-up by replacing the material reflecting the hardness distribution after the end of the welding process in the FEM analysis.
ここで、解析結果と実験結果の比較を行う。 Here, the analysis result and the experimental result are compared.
As Weldの状態でのモックアップ試験結果と解析結果とを比較する。 The mock-up test result in the state of As Weld is compared with the analysis result.
No.1モックアップ試験体(600A配管)の実験結果とそれを模擬したFEM解析結果を比較した結果を図45および図46に示す。図45は配管外表面および内表面における軸方向応力の応力分布を示し、図46は配管外表面および内表面における周方向応力の応力分布を示す。図45及び図46中、線33はFEM解析による配管内面の応力分布を示し、線34はFEM解析による配管外面の応力分布を示す。また、35はMUの内面の各温度計測位置の応力を示し、36はMUの外面の各温度計測位置の応力を示す。
No. FIG. 45 and FIG. 46 show the results of comparing the experimental results of one mock-up specimen (600A piping) with the FEM analysis results simulating it. 45 shows the stress distribution of the axial stress on the outer surface and inner surface of the pipe, and FIG. 46 shows the stress distribution of the circumferential stress on the outer surface and inner surface of the pipe. 45 and 46, a
図45および図46から、As Weldの状態における溶接部近傍(溶接中心より±50mm以内)の残留応力分布は、解析(FEM解析による配管内面の応力分布33及びFEM解析による配管外面の応力分布34)と実験(MUの内面の各温度計測位置の応力35及びMUの外面の各温度計測位置の応力36)とでよい一致(ほぼ同等の傾向)を示していることがわかる。また軸方向の最大応力は400MPa程度に達する結果が得られた。
45 and 46, the residual stress distribution in the vicinity of the welded portion (within ± 50 mm from the weld center) in the As Weld state is analyzed (
IHSI施工後のモックアップ試験結果と解析結果の比較を行う。 The mock-up test results after IHSI construction and the analysis results will be compared.
No.2モックアップ試験体(600A配管)の実験結果とそれを模擬したFEM解析結果を比較した結果を図47および図48に示す。図47は配管外表面および内表面における軸方向応力の応力分布を示し、図48は配管外表面および内表面における周方向応力の応力分布を示す。図47及び図48中、線37はFEM解析による配管内面の応力分布を示し、線38はFEM解析による配管外面の応力分布を示す。また、39はMUの内面の各温度計測位置の応力を示し、40はMUの外面の各温度計測位置の応力を示す。
No. 47 and 48 show the results of comparing the experimental results of the two mock-up specimen (600A piping) and the FEM analysis results simulating it. 47 shows the stress distribution of the axial stress on the outer surface and inner surface of the pipe, and FIG. 48 shows the stress distribution of the circumferential stress on the outer surface and inner surface of the pipe. 47 and 48, a
図47および図48から、IHSI後における溶接部近傍(溶接中心より±50mm以内)の残留応力分布は、解析(FEM解析による配管内面の応力分布37及びFEM解析による配管外面の応力分布38)と実験(MUの内面の各温度計測位置の応力39及びMUの外面の各温度計測位置の応力40)でよい一致(ほぼ同等の傾向)を示していることがわかる。材料の硬さ入れ替えを行った解析が、モックアップの結果によく一致することがわかる。
47 and 48, the residual stress distribution in the vicinity of the welded portion (within ± 50 mm from the weld center) after IHSI is analyzed (the
No.3モックアップ試験体(550A配管)の実験結果とそれを模擬したFEM解析結果を比較した結果を図49および図50に示す。図49は配管外表面および内表面における軸方向応力の応力分布を示し、図50は配管外表面および内表面における周方向応力の応力分布を示す。図49及び図50中、線43はFEM解析による配管内面の応力分布を示し、線44はFEM解析による配管外面の応力分布を示す。また、45はMUの内面の各温度計測位置の応力を示し、46はMUの外面の各温度計測位置の応力を示す。
No. FIG. 49 and FIG. 50 show the results of comparing the experimental results of the three mock-up specimen (550A piping) with the FEM analysis results simulating it. FIG. 49 shows the stress distribution of axial stress on the outer surface and inner surface of the pipe, and FIG. 50 shows the stress distribution of circumferential stress on the outer surface and inner surface of the pipe. 49 and 50, a
傾向としてはNo.2モックアップ試験同様、硬さ入れ替えを行うことにより軸方向の応力分布がモックアップの実験結果によく一致することがわかる。 The trend is No. Similar to the 2 mock-up test, it can be seen that the stress distribution in the axial direction agrees well with the mock-up experiment result by changing the hardness.
No.4モックアップ試験体(300A配管)の実験結果とそれを模擬したFEM解析結果を比較した結果を図51及び図52に示す。図51は配管外表面および内表面における軸方向応力の応力分布を示し、図52は配管外表面および内表面における周方向応力の応力分布を示す。図51及び図52中、線47はFEM解析による配管内面の応力分布を示し、線48はFEM解析による配管外面の応力分布を示す。また、49はMUの内面の各温度計測位置の応力を示し、50はMUの外面の各温度計測位置の応力を示す。
No. 51 and 52 show the results of comparing the experimental results of the 4-mock-up specimen (300A piping) and the FEM analysis results simulating it. 51 shows the stress distribution of axial stress on the outer surface and inner surface of the pipe, and FIG. 52 shows the stress distribution of circumferential stress on the outer surface and inner surface of the pipe. 51 and 52, a
以上のように、軸対称シェルモデルにより厚肉配管の多層溶接およびIHSIを模擬した解析を行ったことにより、以下の結果を得た。 As described above, the following results were obtained by conducting an analysis simulating multilayer welding and IHSI of a thick-walled pipe using an axisymmetric shell model.
モックアップの多層の溶接パスを模擬した非定常温度解析を実施し、これを荷重条件とした熱弾塑性解析により溶接残留応力解析を実施した。その結果大口径管においては軸方向および径方向に適切なバネ拘束および溶金近傍の材料特性入れ替えを導入することによりモックアップ溶接部近傍の残留応力分布と良く一致することがわかった。一方、300A程度の中口径管においては大口径管と比べて入熱の範囲が大きくバネ拘束の影響が小さいことがわかった。 Transient temperature analysis simulating mock-up multi-layer welding path was performed, and residual welding stress analysis was performed by thermo-elasto-plastic analysis using this as a loading condition. As a result, in large diameter pipes, it was found that the residual stress distribution in the vicinity of the mock-up weld was in good agreement by introducing appropriate spring restraints in the axial and radial directions and replacement of material properties in the vicinity of the molten metal. On the other hand, it was found that the medium diameter pipe of about 300A has a larger heat input range and less influence of spring restraint than the large diameter pipe.
以上要するに、バネ拘束及び材料の硬さ入れ替えを行うことで、大径厚肉管の溶接継手部であっても、解析時間の短い軸対称シェルモデルで、実際の残留応力と同等の値を算出することができ、大径厚肉管の溶接継手部の残留応力を短時間で正確に算出できる。 In short, by calculating the restraint of the spring and changing the hardness of the material, a value equivalent to the actual residual stress is calculated with an axisymmetric shell model with a short analysis time, even for welded joints of large-diameter thick-walled pipes. It is possible to accurately calculate the residual stress of the welded joint portion of the large-diameter thick-walled pipe in a short time.
なお、本発明は、IHSIにおける溶接継手部の残留応力の解析を例に挙げて説明したが、これに限られるものではなく、配管の溶接部全般に渡って残留応力を解析できるのは勿論である。 The present invention has been described by taking the analysis of the residual stress of the welded joint in IHSI as an example. However, the present invention is not limited to this, and the residual stress can be analyzed over the entire welded portion of the pipe. is there.
1 配管母材部
2 溶接材部
62 大径厚肉管
63 溶接継手部
E 要素
DESCRIPTION OF
Claims (4)
上記軸対称シェルモデルの所定の要素に、通常の軸対称シェルモデルによる全周加熱時のFEM解析で算出した径方向変位と3次元シェルモデルによる局所加熱時のFEM解析で算出した径方向変位との差分に応じた剛性を有する径方向バネ拘束を導入すると共に、上記軸対称シェルモデルの所定の要素に、通常の軸対称シェルモデルによる全周加熱時のFEM解析で算出した軸方向変位と3次元シェルモデルによる局所加熱時のFEM解析で算出した軸方向変位との差分に応じた剛性を有する軸方向バネ拘束を導入してFEM解析を行うことを特徴とする溶接継手部の残留応力の解析方法。 The residual stress of the welded joint of large diameter thick wall pipe is divided into multiple elements using an axisymmetric shell model,
The predetermined element of the axisymmetric shell model includes a radial displacement calculated by FEM analysis at the time of all-round heating by a normal axisymmetric shell model and a radial displacement calculated by FEM analysis at the time of local heating by a three-dimensional shell model. A radial spring constraint having rigidity corresponding to the difference between the axial displacement and the axial displacement calculated by FEM analysis at the time of all-around heating by the normal axisymmetric shell model is added to a predetermined element of the axisymmetric shell model and 3 Residual stress analysis of welded joints characterized by FEM analysis by introducing axial spring restraint having rigidity according to the difference from axial displacement calculated by FEM analysis during local heating with a three-dimensional shell model Method.
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