焊后热处理消除P91钢管焊接残余应力的数值分析
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在焊接过程中， 材料在拉应力区受拉伸而发生 屈服， 压应力区则受压缩。随后进行退火处理， 当加 热到恒温 ７５０ ℃时， Ｐ９１ 钢的屈服极限和弹性模量 都大幅度下降， 使材料发生蠕变， 出现应力松弛， 使 内应力重新分布。但由于加热到这个温度时， Ｐ９１ 钢 的屈服极限 比 弹 性 模 量 下 降 更 大（见 图 ３）， 使 材 料
设
ｊｏｉｎｔ[ｓ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．
备
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： Ｐ９１ ｐｉｐｅｓ； ｐｏｓｔｗｅｌｄ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ； ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ； ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ； ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｖａｌｕｅ ａｎａｌｙｓｉｓ
０ 前言
Ｐ９１ 钢属改良型 ９Ｃｒ－ １Ｍｏ 高强度马 氏 体 耐 热 钢， 具有良好的力学性能和抗高温腐蚀性能， 广泛 应用于火电工程［１－３］。Ｐ９１ 钢主要用于大直径厚壁管， 结构刚性大、拘束应力大， 在钢管内部会产生较大 的 焊 接 残 余 应 力 ， 影 响 钢 管 的 强 度 、刚 度 、疲 劳 强 度、断裂性能和抗应力腐蚀性能。而焊接线能量较大 时会造成层间组织过热， 出现魏氏体组织、粗大晶 粒和网状晶界， 这些组织易产生裂纹源， 形成裂纹 并扩展， 从而造成冲击韧性下降。焊后热处理可以改 善焊缝金属及其热影响区组织， 降低焊接接头各区
管
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｔｈｒｅｅ Ｇｏｒｇｅｓ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｙｉｃｈａｎｇ ４４３００２， Ｃｈｉｎａ）
道
焊
Ａｂｓｔｒａｃｔ ： Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ２００２／２００４ Ｐｏｗｅｒ Ｒｕｌｅｒｓ ａｎｄ Ｐ９１ Ｓｔｅｅｌ＇ｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ Ｉｎｄｅｘ， ｔｈｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｏｓｔｗｅｌｄ ｈｅａｔ
专题讨论
曹德辉等： 焊后热处理消除 Ｐ９１ 钢管焊接残余应力的数值分析
第 １２ 期
向残余拉伸应力， 约 １３０ ＭＰａ， 当热处理完成后， 此 处应力值显著下降， 约为原来应力值的 ２１％， 且钢 管上的周向残余应力分布明显改善。
的屈服现象可以直接消除残余应力， 而热应变不会 直接消除弹性应力， 这是因为热弹性过程在冷却时 会逆转。因此， 正如图 ４、图 ５ 所示的， 经热处理后， Ｐ９１ 钢管上残余应力状态在一定程度上得以控制， 分布 趋向均匀， 消残效果较为明显， 可以提高接头的综 合力学性能。
应该指出的是在p91钢进?上述模拟分析时将焊接过程简化未考虑热源移动将热输入一次加载结果可能与实际情况会有一定的误差需在进一步的研究中考虑焊接实际过程的影响继续对该数值模型进?优化以?精确地模拟p91钢的焊后热处?fig4distributionofcircumferenialresidualstressofexternalsurfaceofsteeltubeforeandafterheattreatment图5热处?前后钢管内表面的周向残余应?参考文献
图 １ 焊接过程中温度曲线 Ｆｉｇ．１ Ｔｅｍｐｅｒ ａｔｕｒ ｅ ｖａｒ ｉａｔｉｏｎ ｉｎ ｗｅｌｄｉｎｇ ｐｒ ｏｃｅｓｓ
２ 有限元模型的建立
所计算的有限元模型规格为 φ５０８ ｍｍ×７０ ｍｍ， 长 １ ０００ ｍｍ 的 Ｐ９１ 钢管， 对 Ｐ９１ 钢焊接后进行热处 理。基于对称性考虑， 取试件的 １／４ 建立有限元模型， 并对模型进行网格划分， 得到 Ｐ９１ 钢管的有限元网
技
［１］ 李志翔， 李晓平， 赵永强．火力发电厂新材料 Ｔ９１／Ｐ９１ 钢
· ８ · Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｍ ａｃｈｉｎｅ和焊后热处理的实际 情况， 利用有限元法对模型进行分析， 分别得到焊 后状态和焊后热处理状态的钢管内、外表面周向残 余应力分布， 如图 ４、图 ５ 所示。比较热处理前后， 钢 管内、外表面周向残余应力分布状况均发生了较大 的变化。在钢管的内表面， 焊接结束后， 在焊缝中压 应力约为 ８５ ＭＰａ， 距离焊缝 ０．５ ｍ 处出现一较大拉 伸应力峰值， 约为 ６７ ＭＰａ。当热处理完成后， 钢管内 表面的应力峰值显著降低， 成一条平缓的曲 线 。在 钢管外表面， 焊接结束后， 在焊缝中出现较大的周
题 讨
ｐｏｓｔｗｅｌｄ ｈｅａｔ ｔｒ ｅａｔｍｅｎｔ ｏｎ Ｐ９１ ｐｉｐｅｓ
论
ＣＡＯ Ｄｅ－ｈｕｉ１， ＤＡＩ Ｓｈｅｎｇ２
︱ ︱
（１．Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ， Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０７３０， Ｃｈｉｎａ； ２．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌ
４ 结论
用有限元法模拟 Ｐ９１ 钢的焊后热处理后的残
余应力， 首先进行焊接温度场分析， 然后模拟焊态
应力场， 最后进行焊后热处理计算， 结果与实际情
况较好的符合。
比较热处理前后的周向焊接残余应力分布， 焊
后热处理能有效地改善 Ｐ９１ 钢管的焊接残余应力
分布， 降低应力峰值， 消残效果较为明显， 可以提高
的组织应力， 防止裂纹产生。
图 ２ 有限元模型
表 １ Ｐ９１ 钢焊接工艺参数
Ｆｉｇ．２ Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ
Ｔａｂ．１ Ｗｅｌｄｉｎｇ ｐｒ ｏｃｅｄｕｒ ｅ ｐａｒ ａｍｅｔｅｒ ｓ ｏｆ Ｐ９１ ｓｔｅｅｌ
焊道 焊接 方法
电流 焊接 焊接 焊接 极性 材料 电流 电压
焊接 速度
设
速度 ８９ ℃／ｈ， 冷却至 ３００ ℃后空冷， 加热宽度 ４２０ ｍｍ，
备
保温宽度 ７００ ｍｍ， 焊接过程中温度曲线如图 １ 所
示。这样可以确保焊缝和热影响区均能得到均匀有
位向的回火索氏体组织， 提高接头的综合力学性能。
图 ３ Ｐ９１ 钢的材料性能［３］ Ｆｉｇ．３ Ｍａｔｅｒｉａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｐ９１ ｓｔｅｅｌ［３］
接头的综合力学性能。
专
应该指出的是， 在 Ｐ９１ 钢进行上述模拟分析时，
题
讨
将焊接过程简化， 未考虑热源移动， 将热输入一次
论
加载， 结果可能与实际情况会有一定的误差， 需在 ︱
进一步的研究中考虑焊接实际过程的影响， 继续对
︱
该数值模型进行优化， 以更精确地模拟 Ｐ９１ 钢的焊
管 道
后热处理。
焊
接
参考文献：
摘要： 根据 ２００２／２００４ 电力规程和 Ｐ９１ 钢工艺导论确定焊接工艺和焊后热处理工艺， 建立 Ｐ９１ 钢管
焊后热处理分析的有限元模型。研究热处理前后周向残余应力的分布。有限元结果表明焊后热处理能
有效地改善 Ｐ９１ 钢管的焊接残余应力分布， 降低应力峰值， 消除残余应力效果较为明显， 可提高接头
管
不到高温回火的效果。同样为避免钢管温差过大， 加
道
热和冷却要缓慢进行， 否则会产生新的残余应力， 甚
焊
至有可能产生裂纹， 影响消残效果。因而要适当的延
接 技
长加热、冷却和保温时间， 使应力松弛过程能均匀、
术
充分地进行。因此， 本研究中的热处理工艺参数选择
及
为： 升温速度 ８９ ℃／ｈ， 恒温温度 ７５０ ℃， 恒温 ５ ｈ， 冷却
的综合力学性能。
关键词： Ｐ９１ 钢管； 焊后热处理； 焊接残余应力； 消除； 数值分析
中图分类号： ＴＧ４５７．６
文献标识码： Ａ
文章编号： １００１－ ２３０３（２００６）１２－ ０００７－ ０３
专
Ｎｕｍｅｒ ｉｃａｌ ｖａｌｕｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｒ ｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｗｅｌｄｉｎｇ ｒ ｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒ ｅｓｓｅｓ ｗｉｔｈ
计算中采用上述焊接及焊后热处理工艺， 为简 化计算， 未采用移动热源， 而将焊接热输入沿焊缝
φ／ｍｍ Ｉ／Ａ Ｕ／Ｖ ｖ／ｍｍ·ｍｉｎ－１
中心一次加入。计算过程如下： 首先计算温度场， 然
１ ＧＴＡＷ 直流正接 ２．５ １１５～１３５ １１～１４ １８～２８ ２ ＳＭＡＷ 直流反接 ２．５ ７５～９０ ２０～２５ ４０～５５ ３ ＳＭＡＷ 直流反接 ３．２ １０５～１３０ ２２～２８ ２５～３５
收稿日期： ２００６－ １１－ ０９ 作者简 介 ： 曹德辉（１９８１—）， 男， 湖南郴州人， 学士， 主要从事
火力发电厂建设中焊接方面的技术工作。
域硬度， 提高焊接接头韧性、变形能力和高温蠕变 强度以及消除焊接内应力［１］。
为能准确分析 Ｐ９１ 钢焊接性能和焊后力学性 能， 制定合理的焊接工艺及其焊后热处理工艺， 有限 元法的应用日益增加［３－ ４］。Ｙａｇｈｉ 等人［３］采用有限元法 研究了不同径厚比对 Ｐ９１ 钢管周向焊接残余应力 的影响。文献［４］利用有限元法研究了焊后热处理加热 宽度的确定。本研究以 Ｐ９１ 钢管为对象进行数值分 析， 为研究 Ｐ９１ 钢的焊后热处理工艺提供依据。
后在此基础上计算焊接残余应力， 最后计算焊后热 处 理 对 焊 接 残 余 应 力 的 影 响 。计 算 热 应 力 和 残 余 应
≥４ ＳＭＡＷ 直流反接 ４．０ １３５～１７０ ２２～２８ ２５～３５
力时， 在各对称面上约束相应方向的位移。焊接残余
盖面 ＳＭＡＷ 直流反接 ３．２ １００～１３０ ２０～２５ ３０～４０
第 ３６ 卷 第 １２ 期 ２００６ 年 １２ 月
电焊机
Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ
Ｖｏｌ．３６ Ｎｏ．１２ Ｄｅｃ．２００６
焊后热处理消除 P91 钢管焊接 残余应力的数值分析
曹德辉 １， 戴 晟 ２
（１．广东火电工程总公司， 广东 广州 ５１０７３０； ２．三峡大学 机械与材料学院， 湖北 宜昌 ４４３００２）
专
题
完成焊接后进行焊后热处理， 为尽可能降低焊
讨
缝接头的残余应力， 并促使焊缝氢的逸出， 应选用
应力计算完毕以后， 对其进行消除残余应力热处理。 计算中考虑材料的非线性行为和材料性能随温度 的变化， 本研究采用材料的性能如图 ３ 所示。
论
较高的焊后热处理温度。但温度过高， 又会促使碳化
︱ ︱
物的聚集和长大， 降低接头的强度； 温度过低时， 达
格模型， 如图 ２ 所示。
倾向大， 为了控制和防止产生冷裂纹， 必须实行焊
前预热。氩弧焊时预热温度 １００ ℃～１５０ ℃， 电弧焊时
预热温度 ２５０ ℃～３００ ℃， 层间温度不超过 ３５０ ℃。由
于 Ｐ９１ 钢的 Ｍｓ 点为 ３７０ ℃， 预热可以增加 Ｍｓ 点到
１００ ℃的冷却时间， 有利于氢逸出， 降低马氏体转变
接
ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｏｆ Ｐ９１ ｓｔｅｅｌ ａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ａｎｄ ｐｏｓｔｗｅｌｄ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ Ｐ９１ ｐｉｐｅ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ
技
ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｗｅｌｄｉｎｇ ｓｔａｔｕｓｅｓ ａｎｄ ｐｏｓｔｗｅｌｄ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｓｔａｔｕｓｅｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｕｓｅｄ
图 ４ 热处理前后钢管外表面的周向残余应力 Ｆｉｇ．４ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｓｕｒ ｆａｃｅ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｔｕｂｅ ｂｅｆｏｒ ｅ ａｎｄ ａｆｔｅｒ ｈｅａｔ－ｔｒ ｅａｔｍｅｎｔ
图 ５ 热处理前后钢管内表面的周向残余应力 Ｆｉｇ．５ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｉｎｎｅｒ ｓｕｒ ｆａｃｅ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｔｕｂｅ ｂｅｆｏｒ ｅ ａｎｄ ａｆｔｅｒ ｈｅａｔ－ｔｒ ｅａｔｍｅｎｔ
术
ｂｙ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｏｓｔｗｅｌｄ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ
及
ｏｆ ｗｅｌｄｉｎｇ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ Ｐ９１ ｐｉｐｅｓ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅｓ ｓｔｒｅｓｓ ｐｅａｋｓ．Ｉｔ ａｌｓｏ ｃｏｕｌｄ ｒｅｍｏｖｅ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ ａｎｄ ｅｎｈａｎｃｅ
１ 焊接及焊后热处理工艺
本研究以 Ｐ９１ 钢 φ５０８ ｍｍ×７０ ｍｍ 的管道焊接 为研究对象， 根据 ２００２／２００４ 电力规程和 Ｐ９１ 钢工 艺 导论确定焊接工艺和焊后热处理工艺， 采用 ＧＴＡＷ＋
Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｍ ａｃｈｉｎｅ · ７ ·
专题讨论
电焊机
第 ３６ 卷
ＳＭＡＷ 焊接， 焊接工艺参数见表 １。由于 Ｐ９１ 钢的淬硬
设
ｊｏｉｎｔ[ｓ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．
备
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： Ｐ９１ ｐｉｐｅｓ； ｐｏｓｔｗｅｌｄ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ； ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ； ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ； ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｖａｌｕｅ ａｎａｌｙｓｉｓ
０ 前言
Ｐ９１ 钢属改良型 ９Ｃｒ－ １Ｍｏ 高强度马 氏 体 耐 热 钢， 具有良好的力学性能和抗高温腐蚀性能， 广泛 应用于火电工程［１－３］。Ｐ９１ 钢主要用于大直径厚壁管， 结构刚性大、拘束应力大， 在钢管内部会产生较大 的 焊 接 残 余 应 力 ， 影 响 钢 管 的 强 度 、刚 度 、疲 劳 强 度、断裂性能和抗应力腐蚀性能。而焊接线能量较大 时会造成层间组织过热， 出现魏氏体组织、粗大晶 粒和网状晶界， 这些组织易产生裂纹源， 形成裂纹 并扩展， 从而造成冲击韧性下降。焊后热处理可以改 善焊缝金属及其热影响区组织， 降低焊接接头各区
管
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｔｈｒｅｅ Ｇｏｒｇｅｓ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｙｉｃｈａｎｇ ４４３００２， Ｃｈｉｎａ）
道
焊
Ａｂｓｔｒａｃｔ ： Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ２００２／２００４ Ｐｏｗｅｒ Ｒｕｌｅｒｓ ａｎｄ Ｐ９１ Ｓｔｅｅｌ＇ｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ Ｉｎｄｅｘ， ｔｈｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｏｓｔｗｅｌｄ ｈｅａｔ
专题讨论
曹德辉等： 焊后热处理消除 Ｐ９１ 钢管焊接残余应力的数值分析
第 １２ 期
向残余拉伸应力， 约 １３０ ＭＰａ， 当热处理完成后， 此 处应力值显著下降， 约为原来应力值的 ２１％， 且钢 管上的周向残余应力分布明显改善。
的屈服现象可以直接消除残余应力， 而热应变不会 直接消除弹性应力， 这是因为热弹性过程在冷却时 会逆转。因此， 正如图 ４、图 ５ 所示的， 经热处理后， Ｐ９１ 钢管上残余应力状态在一定程度上得以控制， 分布 趋向均匀， 消残效果较为明显， 可以提高接头的综 合力学性能。
应该指出的是在p91钢进?上述模拟分析时将焊接过程简化未考虑热源移动将热输入一次加载结果可能与实际情况会有一定的误差需在进一步的研究中考虑焊接实际过程的影响继续对该数值模型进?优化以?精确地模拟p91钢的焊后热处?fig4distributionofcircumferenialresidualstressofexternalsurfaceofsteeltubeforeandafterheattreatment图5热处?前后钢管内表面的周向残余应?参考文献
图 １ 焊接过程中温度曲线 Ｆｉｇ．１ Ｔｅｍｐｅｒ ａｔｕｒ ｅ ｖａｒ ｉａｔｉｏｎ ｉｎ ｗｅｌｄｉｎｇ ｐｒ ｏｃｅｓｓ
２ 有限元模型的建立
所计算的有限元模型规格为 φ５０８ ｍｍ×７０ ｍｍ， 长 １ ０００ ｍｍ 的 Ｐ９１ 钢管， 对 Ｐ９１ 钢焊接后进行热处 理。基于对称性考虑， 取试件的 １／４ 建立有限元模型， 并对模型进行网格划分， 得到 Ｐ９１ 钢管的有限元网
技
［１］ 李志翔， 李晓平， 赵永强．火力发电厂新材料 Ｔ９１／Ｐ９１ 钢
· ８ · Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｍ ａｃｈｉｎｅ和焊后热处理的实际 情况， 利用有限元法对模型进行分析， 分别得到焊 后状态和焊后热处理状态的钢管内、外表面周向残 余应力分布， 如图 ４、图 ５ 所示。比较热处理前后， 钢 管内、外表面周向残余应力分布状况均发生了较大 的变化。在钢管的内表面， 焊接结束后， 在焊缝中压 应力约为 ８５ ＭＰａ， 距离焊缝 ０．５ ｍ 处出现一较大拉 伸应力峰值， 约为 ６７ ＭＰａ。当热处理完成后， 钢管内 表面的应力峰值显著降低， 成一条平缓的曲 线 。在 钢管外表面， 焊接结束后， 在焊缝中出现较大的周
题 讨
ｐｏｓｔｗｅｌｄ ｈｅａｔ ｔｒ ｅａｔｍｅｎｔ ｏｎ Ｐ９１ ｐｉｐｅｓ
论
ＣＡＯ Ｄｅ－ｈｕｉ１， ＤＡＩ Ｓｈｅｎｇ２
︱ ︱
（１．Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ， Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０７３０， Ｃｈｉｎａ； ２．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌ
４ 结论
用有限元法模拟 Ｐ９１ 钢的焊后热处理后的残
余应力， 首先进行焊接温度场分析， 然后模拟焊态
应力场， 最后进行焊后热处理计算， 结果与实际情
况较好的符合。
比较热处理前后的周向焊接残余应力分布， 焊
后热处理能有效地改善 Ｐ９１ 钢管的焊接残余应力
分布， 降低应力峰值， 消残效果较为明显， 可以提高
的组织应力， 防止裂纹产生。
图 ２ 有限元模型
表 １ Ｐ９１ 钢焊接工艺参数
Ｆｉｇ．２ Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ
Ｔａｂ．１ Ｗｅｌｄｉｎｇ ｐｒ ｏｃｅｄｕｒ ｅ ｐａｒ ａｍｅｔｅｒ ｓ ｏｆ Ｐ９１ ｓｔｅｅｌ
焊道 焊接 方法
电流 焊接 焊接 焊接 极性 材料 电流 电压
焊接 速度
设
速度 ８９ ℃／ｈ， 冷却至 ３００ ℃后空冷， 加热宽度 ４２０ ｍｍ，
备
保温宽度 ７００ ｍｍ， 焊接过程中温度曲线如图 １ 所
示。这样可以确保焊缝和热影响区均能得到均匀有
位向的回火索氏体组织， 提高接头的综合力学性能。
图 ３ Ｐ９１ 钢的材料性能［３］ Ｆｉｇ．３ Ｍａｔｅｒｉａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｐ９１ ｓｔｅｅｌ［３］
接头的综合力学性能。
专
应该指出的是， 在 Ｐ９１ 钢进行上述模拟分析时，
题
讨
将焊接过程简化， 未考虑热源移动， 将热输入一次
论
加载， 结果可能与实际情况会有一定的误差， 需在 ︱
进一步的研究中考虑焊接实际过程的影响， 继续对
︱
该数值模型进行优化， 以更精确地模拟 Ｐ９１ 钢的焊
管 道
后热处理。
焊
接
参考文献：
摘要： 根据 ２００２／２００４ 电力规程和 Ｐ９１ 钢工艺导论确定焊接工艺和焊后热处理工艺， 建立 Ｐ９１ 钢管
焊后热处理分析的有限元模型。研究热处理前后周向残余应力的分布。有限元结果表明焊后热处理能
有效地改善 Ｐ９１ 钢管的焊接残余应力分布， 降低应力峰值， 消除残余应力效果较为明显， 可提高接头
管
不到高温回火的效果。同样为避免钢管温差过大， 加
道
热和冷却要缓慢进行， 否则会产生新的残余应力， 甚
焊
至有可能产生裂纹， 影响消残效果。因而要适当的延
接 技
长加热、冷却和保温时间， 使应力松弛过程能均匀、
术
充分地进行。因此， 本研究中的热处理工艺参数选择
及
为： 升温速度 ８９ ℃／ｈ， 恒温温度 ７５０ ℃， 恒温 ５ ｈ， 冷却
的综合力学性能。
关键词： Ｐ９１ 钢管； 焊后热处理； 焊接残余应力； 消除； 数值分析
中图分类号： ＴＧ４５７．６
文献标识码： Ａ
文章编号： １００１－ ２３０３（２００６）１２－ ０００７－ ０３
专
Ｎｕｍｅｒ ｉｃａｌ ｖａｌｕｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｒ ｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｗｅｌｄｉｎｇ ｒ ｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒ ｅｓｓｅｓ ｗｉｔｈ
计算中采用上述焊接及焊后热处理工艺， 为简 化计算， 未采用移动热源， 而将焊接热输入沿焊缝
φ／ｍｍ Ｉ／Ａ Ｕ／Ｖ ｖ／ｍｍ·ｍｉｎ－１
中心一次加入。计算过程如下： 首先计算温度场， 然
１ ＧＴＡＷ 直流正接 ２．５ １１５～１３５ １１～１４ １８～２８ ２ ＳＭＡＷ 直流反接 ２．５ ７５～９０ ２０～２５ ４０～５５ ３ ＳＭＡＷ 直流反接 ３．２ １０５～１３０ ２２～２８ ２５～３５
收稿日期： ２００６－ １１－ ０９ 作者简 介 ： 曹德辉（１９８１—）， 男， 湖南郴州人， 学士， 主要从事
火力发电厂建设中焊接方面的技术工作。
域硬度， 提高焊接接头韧性、变形能力和高温蠕变 强度以及消除焊接内应力［１］。
为能准确分析 Ｐ９１ 钢焊接性能和焊后力学性 能， 制定合理的焊接工艺及其焊后热处理工艺， 有限 元法的应用日益增加［３－ ４］。Ｙａｇｈｉ 等人［３］采用有限元法 研究了不同径厚比对 Ｐ９１ 钢管周向焊接残余应力 的影响。文献［４］利用有限元法研究了焊后热处理加热 宽度的确定。本研究以 Ｐ９１ 钢管为对象进行数值分 析， 为研究 Ｐ９１ 钢的焊后热处理工艺提供依据。
后在此基础上计算焊接残余应力， 最后计算焊后热 处 理 对 焊 接 残 余 应 力 的 影 响 。计 算 热 应 力 和 残 余 应
≥４ ＳＭＡＷ 直流反接 ４．０ １３５～１７０ ２２～２８ ２５～３５
力时， 在各对称面上约束相应方向的位移。焊接残余
盖面 ＳＭＡＷ 直流反接 ３．２ １００～１３０ ２０～２５ ３０～４０
第 ３６ 卷 第 １２ 期 ２００６ 年 １２ 月
电焊机
Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ
Ｖｏｌ．３６ Ｎｏ．１２ Ｄｅｃ．２００６
焊后热处理消除 P91 钢管焊接 残余应力的数值分析
曹德辉 １， 戴 晟 ２
（１．广东火电工程总公司， 广东 广州 ５１０７３０； ２．三峡大学 机械与材料学院， 湖北 宜昌 ４４３００２）
专
题
完成焊接后进行焊后热处理， 为尽可能降低焊
讨
缝接头的残余应力， 并促使焊缝氢的逸出， 应选用
应力计算完毕以后， 对其进行消除残余应力热处理。 计算中考虑材料的非线性行为和材料性能随温度 的变化， 本研究采用材料的性能如图 ３ 所示。
论
较高的焊后热处理温度。但温度过高， 又会促使碳化
︱ ︱
物的聚集和长大， 降低接头的强度； 温度过低时， 达
格模型， 如图 ２ 所示。
倾向大， 为了控制和防止产生冷裂纹， 必须实行焊
前预热。氩弧焊时预热温度 １００ ℃～１５０ ℃， 电弧焊时
预热温度 ２５０ ℃～３００ ℃， 层间温度不超过 ３５０ ℃。由
于 Ｐ９１ 钢的 Ｍｓ 点为 ３７０ ℃， 预热可以增加 Ｍｓ 点到
１００ ℃的冷却时间， 有利于氢逸出， 降低马氏体转变
接
ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｏｆ Ｐ９１ ｓｔｅｅｌ ａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ａｎｄ ｐｏｓｔｗｅｌｄ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ Ｐ９１ ｐｉｐｅ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ
技
ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｗｅｌｄｉｎｇ ｓｔａｔｕｓｅｓ ａｎｄ ｐｏｓｔｗｅｌｄ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｓｔａｔｕｓｅｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｕｓｅｄ
图 ４ 热处理前后钢管外表面的周向残余应力 Ｆｉｇ．４ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｓｕｒ ｆａｃｅ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｔｕｂｅ ｂｅｆｏｒ ｅ ａｎｄ ａｆｔｅｒ ｈｅａｔ－ｔｒ ｅａｔｍｅｎｔ
图 ５ 热处理前后钢管内表面的周向残余应力 Ｆｉｇ．５ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｉｎｎｅｒ ｓｕｒ ｆａｃｅ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｔｕｂｅ ｂｅｆｏｒ ｅ ａｎｄ ａｆｔｅｒ ｈｅａｔ－ｔｒ ｅａｔｍｅｎｔ
术
ｂｙ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｏｓｔｗｅｌｄ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ
及
ｏｆ ｗｅｌｄｉｎｇ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ Ｐ９１ ｐｉｐｅｓ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅｓ ｓｔｒｅｓｓ ｐｅａｋｓ．Ｉｔ ａｌｓｏ ｃｏｕｌｄ ｒｅｍｏｖｅ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ ａｎｄ ｅｎｈａｎｃｅ
１ 焊接及焊后热处理工艺
本研究以 Ｐ９１ 钢 φ５０８ ｍｍ×７０ ｍｍ 的管道焊接 为研究对象， 根据 ２００２／２００４ 电力规程和 Ｐ９１ 钢工 艺 导论确定焊接工艺和焊后热处理工艺， 采用 ＧＴＡＷ＋
Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｍ ａｃｈｉｎｅ · ７ ·
专题讨论
电焊机
第 ３６ 卷
ＳＭＡＷ 焊接， 焊接工艺参数见表 １。由于 Ｐ９１ 钢的淬硬