【摘 要】
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P91钢具有良好的高温力学性能和抗腐蚀性能,广泛应用于超（超）临界电站锅炉管道。多层多道焊接是锅炉管道安装常用的一种连接方式,由于P91钢的合金成分特点,在焊接过程中会发生固态相变,影响焊接残余应力的形成及分布,尤其是多层多道焊接方式影响更为显著。焊接残余应力作为引起锅炉管道失效的主要因素,是评判设备安全性的一个重要指标,因此研究残余应力的形成过程及其分布规律具有重要意义。本文基于SYSWELD有
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P91钢具有良好的高温力学性能和抗腐蚀性能,广泛应用于超（超）临界电站锅炉管道。多层多道焊接是锅炉管道安装常用的一种连接方式,由于P91钢的合金成分特点,在焊接过程中会发生固态相变,影响焊接残余应力的形成及分布,尤其是多层多道焊接方式影响更为显著。焊接残余应力作为引起锅炉管道失效的主要因素,是评判设备安全性的一个重要指标,因此研究残余应力的形成过程及其分布规律具有重要意义。本文基于SYSWELD有限元软件,以P91钢为研究对象建立了考虑马氏体相变的“热-冶金-力学”耦合的有限元计算方法。通过Satoh试验研究固态相变引起的体积变化、屈服强度变化和相变塑性对残余应力的影响;采用P91钢平板对接多层焊的数值模拟,阐明了后焊道热循环载荷对先焊道焊缝焊接残余应力的影响;通过P91钢锅炉管道多层多道焊的数值模拟,解释了残余应力的形成过程和分布规律;由X射线衍射仪、金相分析仪和便携式硬度计获得管道外表面的应力、金相和硬度分布;采用数值模拟研究不同的焊接层间温度和热处理时的保温时间对P91钢锅炉管道焊接残余应力的影响。数值模拟结果表明:固态相变引起的屈服强度变化对P91钢残余应力影响较大,体积变化会抑制金属收缩产生的拉应力;相变塑性会削弱体积变化的影响,产生松弛效应。在平板多层焊中,考虑后焊道热载荷对先焊道焊缝组织的影响后,焊接接头整体拉应力较低。在管道多层多道焊中,沿着直径减小方向环向应力由压应力迅速转变成较大的拉应力,越靠近管道内壁拉应力越小;轴向应力沿着直径减小方向呈“压-拉-压”分布;马氏体相变仅能显著消除当前焊道的残余拉应力。层间温度越高,焊接接头的残余拉应力越小,甚至会转变成压应力,但层间温度的提高不能降低细晶区的环向拉应力。焊后热处理能有效降低残余应力,经过热处理后,残余应力下降约60%～70%;残余应力随保温时间延长而逐渐降低,当保温时间超过一定值时,残余应力的降低程度并不明显。实验测量结果表明:P91锅炉管道焊缝金属的平均硬度约为255Hv,母材的平均硬度约为185Hv;焊缝金属的金相组织为粗大的板条马氏体,热影响区为部分淬火马氏体和部分回火马氏体混合;母材部分则是晶粒细小、分布均匀的回火马氏体;残余应力的测量结果与数值模拟计算结果吻合较好。实验测量的结果验证了数值模拟的可靠性。本文的研究结果,对于预测并改善焊接残余应力的分布起到一定的帮助,为优化焊接工艺和热处理工艺提供理论依据。
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