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摘 要：電力工业是经济社会发展的基础，我国及世界范围内在相当长的时期内仍将以火电发电为主。在环境问题日益严重，电力需求日益增长的双重压力下，使用热效率更高的超临界或超超临界发电机组是解决这一矛盾的有效方法之一。P92钢因具备优良的高温力学性能，在超（超）临界发电机组中得到了越来越多的应用。焊接作为一种金属连接方法，广泛应用于制造火力电站装备中的承受高温压力容器与管道。电站设备中的P92钢结构几乎都需要采用焊接工艺才能进行装配或制造。文章对固态相变对P92钢焊接接头残余应力的影响进行了研究分析，以供参考。
关键词：固态相变;P92钢焊;应力
1 前言
电力工业是现代社会发展的重要支柱产业。随着人们对高质量生活追求的不断提高，促使了以电力为主的能源消耗也在快速增长。同时，随着不可再生化石燃料的消耗，全世界又面临着日益严峻的全球性能源危机和环境污染问题。2013年1月份发生在我国华北地区的严重雾霾天气，凸显了日益严峻的环境问题，也引起了国民对环境问题，尤其是对大气环境问题的高度关注。在我国目前的电力工业中，火力发电依然占据着主导地位。在能源危机、环境问题和日益增长的电力需求下，解决问题的基本途径有两条：1）开发和利用新能源;2）提高现有化石能源的利用效率。我国及世界范围内在相当长的一段时间内还是会以化石能源燃料为主，因此提高化石能源的利用效率是目前解决能源问题和控制环境污染的有效方法之一。
2 实验方法
实验所用平板试件材料为ASTMA335P92钢，其主要化学成分（质量分数，%，下同）为：C0.124，Cr9.32，Mo0.49，Si0.157，Mn0.42，Ni0。24，V0.20，W1。75，B0.0013，Nb0.055，Fe余量。焊接材料为Ther-manitMTS616，其主要化学成分为：C0.10，Cr8。80，Mo0.50，Si0。38，Mn0.45，Ni0.70，V0.30，W1.60，Nb0.06，Fe余量。焊前对待焊试件表面进行除油和去污处理。焊接时采用火焰预热，预热温度约为150℃。焊接试板在无外部约束的条件下施焊，焊接方法为手工钨极氩弧焊。焊接工艺严格按照ASMEIX标准执行。焊接工艺参数如下：电弧电压12.0V，焊接电流125.0A，焊接速度1.0mm/s。焊接时，送丝速率为60～80mm/min，焊丝直径为2.4mm，保护气体为99.99%Ar，保护气体流量为6L/min。焊接完成后，采用盲孔法测量焊接试件上表面中央区域的残余应力。将试件待测区域打磨、清洗后，粘贴3轴应变花BSF120-1.5CA-T，常温静置10～12h之后，连接ASM1。0应力、应变监测仪。设置弹性模量E为210GPa，Poisson比为0.27，孔心片心距为2.5mm，孔半径为0.75mm，释放系数A为-0.057，释放系数B为-0.164。安装RSD1残余应力打孔装置，钻头直径为1.5mm，打孔深度为2mm。打孔前需清零，打孔时控制调速器的电流在45～50A，打孔后待读数稳定后，打印测量结果，测量过程满足标准ASTME837-08。残余应力测量完毕后，采用线切割的方法截取金相试样，试样包含了焊缝（FZ）、热影响区（HAZ）和母材（BM）的区域，尺寸大小为30mm×10mm×6mm。将试样机械打磨、抛光，采用FeCl3盐酸溶液进行侵蚀，制成金相试样。采用AXIOVert.A1光学显微镜（OM）对试样的微观组织进行观察。
3 数值模拟
3.1 数值模拟方法
从理论上来讲，在数值计算中若将图中所示的因素全部考虑，会使得计算结果与实际情况最吻合。然而考虑所有因素将会给计算模型的建立带来极大的挑战，也难以实现求解。对于解决工程实际问题的计算方法而言，为了兼顾计算效率与计算精度，在有限元模型中往往重点考虑主要因素，而有时要忽略次要因素。
3.3.1温度场计算
计算焊接温度场时，焊接电弧产生的热在被焊试件内部的热传导可用非线性传热方程描述。
3.1.2组织计算
在焊接热循环作用下，P92钢的FZ和HAZ经历了奥氏体化和马氏体相变过程。数值计算中，奥氏体化过程采用Johnson-Mehl-Avrami关系描述。
3.2 应力场计算
计算焊接应力场时，将温度场的计算结果以热载荷的方式加载到应力计算模型中，并将组织（相）的计算结果代入材料的参数模型中，同时考虑相变塑性，然后采用热-弹塑性有限元方法进行力学分析。
3.3 Satoh试验的数值模拟
为了澄清固态相变对焊接残余应力形成过程影响的机理，本研究采用数值模拟方法进行了Satoh试验[]，模拟了在焊接热循环作用下，接头热影响区温度-应力的演化过程。在有限元模型中，将模型的两个端面上的所有节点在轴向方向上固定，同时在左端一个节点的其它两个位移也固定，这样棒在加热和冷却过程中就不能沿着轴向方向自由伸长和收缩，因而在轴向上就会产生应力，其演化过程不仅能反映温度对应力的影响，而且能够反映固态相变对应力的影响。
3.4 单道堆焊数值模拟
在本研究中，重点采用上述的数值模拟方法计算了P92钢焊接接头的残余应力的分布特征。为了比较精确计算单道堆焊时的温度场和应力场，建立了与实际焊接接头的尺寸完全一致的有限元模型，为了兼顾计算精度和计算时间，距离焊缝较近区域的网格划分得较细密，而远离焊缝区域的网格划分得较粗大。网格划分类型为8节点六面体单元，在长度方向分割50等分，总节点数为2。5×104，总单元数为2.9×104。在实验中没有采用任何外部拘束，因此在有限元模型中拘束条件只是用来防止模型产生刚体位移。由于熔敷材料与母材的成分性能相近，因而计算中假定熔敷金属和母材具有相同的热物理性能和力学性能参数。在温度场计算时，设定预热温度为150℃。焊接条件与实验采用的参数完全一致。
4 结果与讨论
4.1 P92钢焊接接头微观组织与显微硬度
FZ组织由一定位向的柱状晶和胞状晶内形成的不同位向的马氏体板条束和板条群组成，板条束和板条群的尺寸较大，是典型的淬火马氏体，因而FZ具有较高的硬度，平均值为440HV，BM是回火马氏体组织，由于M23C6和MC型碳化物分布在原奥氏体晶界、马氏体板条界和板条内，组织分布均匀，因而BM的显微硬度较低，平均显微硬度为240HV。鉴于以上分析，在计算P92钢的残余应力时，除了考虑材料的热物理性能和力学性能随温度变化的特征以外，还考虑了它们随组织类型变化的特性。针对P92钢焊接接头的组织特点，在数值模型中考虑了奥氏体相、淬火马氏体相和回火马氏体3个相。
4.2 Satoh试验的模拟结果
以CaseA为例，试棒在加热时，因温度升高而发生膨胀，但由于受到两端的约束而不能在轴向自由伸长，因而在试棒中产生压应力。随着温度升高，压应力不断增大。假如室温为20℃，根据P92钢室温时的屈服极限、线膨胀系数和弹性模量可以估算出其屈服温度为315℃，考虑到屈服应力随温度增加而降低的特性，可以预见在CaseA中温度达到315℃之前材料就开始屈服。在图中可以看到，当温度达到300℃时压应力达到最大。温度继续升高，材料屈服极限继续降低，因此轴向应力由于受屈服极限的限制反而减小。在奥氏体化过程中，由于材料的屈服极限很低，奥氏体化过程由于体积变化对瞬态应力影响很小。当温度升高到1300℃时，应力值几乎为零。
5 结束语
对于P92钢而言，在考虑固态相变时，计算得到的残余应力值与实验结果基本一致。若不考虑固态相变的影响，计算得到的焊接残余应力与实验结果有显著的差异。因此，当采用有限元数值模拟方法计算P92钢的焊接残余应力时，固态相变是一个必须考虑的因素。
参考文献
[1]穆泉，张世秋.2013年1月中国大面积雾霾事件直接社会经济损失评估[J].中国环境科学，2013（11）：2087-2094.
[2]杨富等.新型耐热钢焊接[M].北京：中国电力出版社，2007.
[3]赵钦新，朱丽慧.超临界锅炉耐热钢研究[M].机械工业出版社，2010.
关键词：固态相变;P92钢焊;应力
1 前言
电力工业是现代社会发展的重要支柱产业。随着人们对高质量生活追求的不断提高，促使了以电力为主的能源消耗也在快速增长。同时，随着不可再生化石燃料的消耗，全世界又面临着日益严峻的全球性能源危机和环境污染问题。2013年1月份发生在我国华北地区的严重雾霾天气，凸显了日益严峻的环境问题，也引起了国民对环境问题，尤其是对大气环境问题的高度关注。在我国目前的电力工业中，火力发电依然占据着主导地位。在能源危机、环境问题和日益增长的电力需求下，解决问题的基本途径有两条：1）开发和利用新能源;2）提高现有化石能源的利用效率。我国及世界范围内在相当长的一段时间内还是会以化石能源燃料为主，因此提高化石能源的利用效率是目前解决能源问题和控制环境污染的有效方法之一。
2 实验方法
实验所用平板试件材料为ASTMA335P92钢，其主要化学成分（质量分数，%，下同）为：C0.124，Cr9.32，Mo0.49，Si0.157，Mn0.42，Ni0。24，V0.20，W1。75，B0.0013，Nb0.055，Fe余量。焊接材料为Ther-manitMTS616，其主要化学成分为：C0.10，Cr8。80，Mo0.50，Si0。38，Mn0.45，Ni0.70，V0.30，W1.60，Nb0.06，Fe余量。焊前对待焊试件表面进行除油和去污处理。焊接时采用火焰预热，预热温度约为150℃。焊接试板在无外部约束的条件下施焊，焊接方法为手工钨极氩弧焊。焊接工艺严格按照ASMEIX标准执行。焊接工艺参数如下：电弧电压12.0V，焊接电流125.0A，焊接速度1.0mm/s。焊接时，送丝速率为60～80mm/min，焊丝直径为2.4mm，保护气体为99.99%Ar，保护气体流量为6L/min。焊接完成后，采用盲孔法测量焊接试件上表面中央区域的残余应力。将试件待测区域打磨、清洗后，粘贴3轴应变花BSF120-1.5CA-T，常温静置10～12h之后，连接ASM1。0应力、应变监测仪。设置弹性模量E为210GPa，Poisson比为0.27，孔心片心距为2.5mm，孔半径为0.75mm，释放系数A为-0.057，释放系数B为-0.164。安装RSD1残余应力打孔装置，钻头直径为1.5mm，打孔深度为2mm。打孔前需清零，打孔时控制调速器的电流在45～50A，打孔后待读数稳定后，打印测量结果，测量过程满足标准ASTME837-08。残余应力测量完毕后，采用线切割的方法截取金相试样，试样包含了焊缝（FZ）、热影响区（HAZ）和母材（BM）的区域，尺寸大小为30mm×10mm×6mm。将试样机械打磨、抛光，采用FeCl3盐酸溶液进行侵蚀，制成金相试样。采用AXIOVert.A1光学显微镜（OM）对试样的微观组织进行观察。
3 数值模拟
3.1 数值模拟方法
从理论上来讲，在数值计算中若将图中所示的因素全部考虑，会使得计算结果与实际情况最吻合。然而考虑所有因素将会给计算模型的建立带来极大的挑战，也难以实现求解。对于解决工程实际问题的计算方法而言，为了兼顾计算效率与计算精度，在有限元模型中往往重点考虑主要因素，而有时要忽略次要因素。
3.3.1温度场计算
计算焊接温度场时，焊接电弧产生的热在被焊试件内部的热传导可用非线性传热方程描述。
3.1.2组织计算
在焊接热循环作用下，P92钢的FZ和HAZ经历了奥氏体化和马氏体相变过程。数值计算中，奥氏体化过程采用Johnson-Mehl-Avrami关系描述。
3.2 应力场计算
计算焊接应力场时，将温度场的计算结果以热载荷的方式加载到应力计算模型中，并将组织（相）的计算结果代入材料的参数模型中，同时考虑相变塑性，然后采用热-弹塑性有限元方法进行力学分析。
3.3 Satoh试验的数值模拟
为了澄清固态相变对焊接残余应力形成过程影响的机理，本研究采用数值模拟方法进行了Satoh试验[]，模拟了在焊接热循环作用下，接头热影响区温度-应力的演化过程。在有限元模型中，将模型的两个端面上的所有节点在轴向方向上固定，同时在左端一个节点的其它两个位移也固定，这样棒在加热和冷却过程中就不能沿着轴向方向自由伸长和收缩，因而在轴向上就会产生应力，其演化过程不仅能反映温度对应力的影响，而且能够反映固态相变对应力的影响。
3.4 单道堆焊数值模拟
在本研究中，重点采用上述的数值模拟方法计算了P92钢焊接接头的残余应力的分布特征。为了比较精确计算单道堆焊时的温度场和应力场，建立了与实际焊接接头的尺寸完全一致的有限元模型，为了兼顾计算精度和计算时间，距离焊缝较近区域的网格划分得较细密，而远离焊缝区域的网格划分得较粗大。网格划分类型为8节点六面体单元，在长度方向分割50等分，总节点数为2。5×104，总单元数为2.9×104。在实验中没有采用任何外部拘束，因此在有限元模型中拘束条件只是用来防止模型产生刚体位移。由于熔敷材料与母材的成分性能相近，因而计算中假定熔敷金属和母材具有相同的热物理性能和力学性能参数。在温度场计算时，设定预热温度为150℃。焊接条件与实验采用的参数完全一致。
4 结果与讨论
4.1 P92钢焊接接头微观组织与显微硬度
FZ组织由一定位向的柱状晶和胞状晶内形成的不同位向的马氏体板条束和板条群组成，板条束和板条群的尺寸较大，是典型的淬火马氏体，因而FZ具有较高的硬度，平均值为440HV，BM是回火马氏体组织，由于M23C6和MC型碳化物分布在原奥氏体晶界、马氏体板条界和板条内，组织分布均匀，因而BM的显微硬度较低，平均显微硬度为240HV。鉴于以上分析，在计算P92钢的残余应力时，除了考虑材料的热物理性能和力学性能随温度变化的特征以外，还考虑了它们随组织类型变化的特性。针对P92钢焊接接头的组织特点，在数值模型中考虑了奥氏体相、淬火马氏体相和回火马氏体3个相。
4.2 Satoh试验的模拟结果
以CaseA为例，试棒在加热时，因温度升高而发生膨胀，但由于受到两端的约束而不能在轴向自由伸长，因而在试棒中产生压应力。随着温度升高，压应力不断增大。假如室温为20℃，根据P92钢室温时的屈服极限、线膨胀系数和弹性模量可以估算出其屈服温度为315℃，考虑到屈服应力随温度增加而降低的特性，可以预见在CaseA中温度达到315℃之前材料就开始屈服。在图中可以看到，当温度达到300℃时压应力达到最大。温度继续升高，材料屈服极限继续降低，因此轴向应力由于受屈服极限的限制反而减小。在奥氏体化过程中，由于材料的屈服极限很低，奥氏体化过程由于体积变化对瞬态应力影响很小。当温度升高到1300℃时，应力值几乎为零。
5 结束语
对于P92钢而言，在考虑固态相变时，计算得到的残余应力值与实验结果基本一致。若不考虑固态相变的影响，计算得到的焊接残余应力与实验结果有显著的差异。因此，当采用有限元数值模拟方法计算P92钢的焊接残余应力时，固态相变是一个必须考虑的因素。
参考文献
[1]穆泉，张世秋.2013年1月中国大面积雾霾事件直接社会经济损失评估[J].中国环境科学，2013（11）：2087-2094.
[2]杨富等.新型耐热钢焊接[M].北京：中国电力出版社，2007.
[3]赵钦新，朱丽慧.超临界锅炉耐热钢研究[M].机械工业出版社，2010.