预热及焊后热处理对T91钢焊接残余应力的影响_李松明
回火热处理对T91耐热钢持久性能的影响及持久过程中的微观组织演变
上海交通大学硕士学位论文回火热处理对T91耐热钢持久性能的影响及持久过程中的微观组织演变姓名：杨成玉申请学位级别：硕士专业：材料学指导教师：王起江;张澜庭20090201回火热处理对T91耐热钢持久性能的影响及持久过程中的微观组织演变摘要T91（10Cr9Mo1VNb）铁素体耐热钢是制造超超临界火力发电机组的重要材料，其使用温度不超过620ºC。
T91铁素体耐热钢用于制造超超临界火力发电机组的锅炉本体、过热器和再热器，其使用温度不超过600 ºC。
高温设备通常根据105h蠕变断裂强度计算的允许应力进行设计，并可使用数十年。
但是，最近一部分高Cr铁素体耐热钢在高温使用过程中蠕变强度急剧下降，出现了意料之外的早期断裂现象，因此迫切希望弄清早期断裂的机理，并考虑从热处理制度上加以控制。
本文考察了热处理制度对T91耐热钢组织及持久性能的影响，并对长时高温持久过程中组织演变特别是析出相进行了研究。
通过对不同回火时间得到的样品在不同应力下进行持久，分别研究其组织、形貌和亚结构，采用了碳复型，X射线能谱 (EDS)技术，并对主要相的成分、尺寸、分布进行定量统计。
发现：对T91而言，较长的回火时间能够带来形核位置的增加，有利于Laves相在低应力下长时持久的后续析出，从而带来M23C6的细化，有助于保持长时持久强度。
但是在更长的时间内，要考虑到Laves相增大增多可能造成的危害，以及与M23C6细化带来的强化作用的综合效应，需对显微组织演变进行进一步的观察。
高温持久过程中的组织演变研究中，在600℃长期持久试样中，发现有成分与Z相接近的粒子存在，而在650℃长时持久样中，发现M2X 粒子的粗大化。
但是即使在600℃下持久14185.15h的最长时样品中，以及在更高温度650℃下持久12453.3h的样品中，仍然没有发现Z相的存在。
这说明Z相的形成，可能需要更长的持久时间。
M2X粒子的粗大化，以及某些成分与Z相接近的小粒子，表明Z相粒子可能正在形成。
T91焊接接头性能及组织
第26卷第12期2005年12月焊接学报TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTIONVol.26 No.12December 2005T91钢TIG+MIG焊接接头性能及组织常铁军1，龚正春2，李子峰1，王长柏1（1.哈尔滨工程大学机电学院，哈尔滨150001；2.哈尔滨锅炉厂有限责任公司，哈尔滨150046）摘要：对采用TIG+MIG焊的T91钢焊接接头进行了力学性能、持久强度和高温时效试验，并对T91钢TIG+MIG焊接接头的显微组织及断口的断裂特征进行了观察和分析。
结果表明，T91钢TIG+MIG焊接接头的韧脆转变温度（FATT）为-13℃，625℃17958h高温持久试验为70MPa，外推105h高温持久强度为46.48MPa。
焊接接头的高温性能取决于其组织的变化，以M23C6为主的合金碳化物对持久强度起了重要作用。
关键词：T91钢；韧脆转变温度；显微组织；持久强度中图分类号：TG401 文献标识码：A 文章编号：0253-360X（2005）12-59-04常铁军0 序言改进型9Cr1Mo钢是美国橡树岭国家实验室（ORNL）和美国燃烧工程公司（CE）于1976年共同研究开发的综合性能优良的动力工程锅炉用耐热钢。
在随后的1977～1984年间，橡树岭国家实验室、燃烧工程公司、法国Vallourec公司先后分别或联合对改进型9Cr1Mo钢进行了大量试验研究。
因此1983年ASTM将改进型9Cr1Mo钢列入SA2l3标准，钢号为T91；1984年ASME将其列入SA335标准，钢号为P91，并规定T91和P91钢可用于动力锅炉的压力管道及集气管［1，2］。
20世纪90年代初国内开始研制和生产T91钢管，并列入国家标准GB5310-1995《高压锅炉用无缝钢管》，钢号为10Cr9Mo1VNb［3］。
T91钢系马氏体耐热钢，焊接性较差，焊接中要重点防止冷裂纹及根部合金元素氧化过烧；另一方面它有良好的塑性和韧性，对焊接有利。
焊接后热处理技术及焊接残余应力的影响
焊接后热处理技术及焊接残余应力的影响发表时间：2019-05-13T16:16:49.880Z 来源：《防护工程》2019年第2期作者：王岩王建中黄新宇[导读] 焊接残余应力的存在，会直接影响到钢混结构的承载能力。
为了保证焊接结构的安全可靠，准确地推断焊接过程中的力学行为和残余应力是十分重要的。
中车齐齐哈尔车辆有限公司黑龙江齐齐哈尔 161002摘要：焊接残余应力的存在，会直接影响到钢混结构的承载能力。
为了保证焊接结构的安全可靠，准确地推断焊接过程中的力学行为和残余应力是十分重要的。
对于焊接残余应力，以往多是采用切割、钻孔等试验测量方法，不但费时费力，而且受到许多条件的限制，结果数据误差也会很大。
本文结合焊接后热处理技术要点，对焊接残余应力的影响因素、危害以及消除策略等进行分析与探讨。
关键词：焊接；热处理；残余应力；影响；消除焊接残余应力会严重影响焊接结构的使用性能，可能引起结构的脆性断裂，拉伸残余应力会降低疲劳强度和腐蚀抗力，压缩残余应力会减小稳定性极限，焊接残余应力是焊件产生变形和开裂等工艺缺陷的主要原因。
由于焊接残余应力的测定程序麻烦，计算残余应力又极为复杂，因此给残余应力的研究带来了许多困难，对焊接结构的残余应力研究就显得尤为重要。
1 影响焊接残余应力的主要因素焊接过程是一个先局部加热，然后再冷却的过程。
焊件在焊接时产生的变形称为热变形，焊件冷却后产生的变形称为焊接残余变形，这时焊件中的应力称为焊接残余应力。
焊接应力包括沿焊缝长度方向的纵向焊接应力，垂直于焊缝长度方向的横向焊接应力和沿厚度方向的焊接应力。
焊接残余应力产生的主要原因是由焊接过程中不均匀加热所引起的。
焊接应力按其发生源来区分，有如下3种情况：（1）直接应力是进行不均匀加热和冷却的结果，它取决于加热和冷却时的温度梯度，是形成焊接残余应力的主要原因。
（2）间接应力是由焊前加工状况所造成的压力。
构件若经历过轧制或拉拔时，都会使之具有此类残余应力。
层间温度对TP91钢焊接残余应力的影响
ｍｍꎮ
简化( ２) : 瞬 态 传 导 热 损 失 发 生 在 其 周 围 的 基
体金属和环境中ꎬ通过估计的焊接行进速度保持短
时间的熔化温度ꎮ 如图 １ 所示[９] ꎬ维持焊缝熔融温度持续时间所
需的热输入被模拟为一维瞬态热传导模型ꎬ其中 Ｌｓ 代表焊接熔敷物和基体金属ꎮ
在此过程中ꎬ假定通过传导进入基体金属的热
Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｎ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｒｅｓｉｄｕａｌ Ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ＴＰ９１ Ｓｔｅｅｌ
ＣＨＥＮ ＳｏｎｇꎬＧＵＯ ＳｈｕａｉꎬＪＩＡＮＧ Ｐｅｉｚｅ
( Ｆｕｊｉａｎ Ｂｏｉｌｅｒ ａｎｄ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｖｅｓｓｅｌ Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅꎬ Ｆｕｚｈｏｕ ３５０００８ꎬ Ｆｕｊｉａｎꎬ Ｃｈｉｎａ)
１.２ 焊接工艺与材料参数 根据电力标准 ＤＬ / Ｔ ８６９—２０１２ « 火力发电厂
焊接技术规程» ꎬＴＰ９１ 钢采用的焊接工艺方法为:钨 极氩弧焊打底ꎬ手工电弧焊进行后续焊道焊层的填 充ꎮ 因此ꎬ本论文分析采用高斯热源模型ꎮ
ＴＰ９１ 钢管的焊接工艺参数如表 １ 所示ꎬ焊接热 效率 η 在打底焊时取 ０.８５ꎬ中间焊层及盖面焊时取 ０.７５ꎮ 板厚 １０ ｍｍ 的平板对接接头ꎬ焊接试板及其 尺寸如表 ２ 所示ꎮ
层间温度对 ＴＰ９１ 钢焊接残余应力的影响
文章编号:１００４￣８７７４(２０１９)０２￣００２７￣０６ ＤＯＩ:１０.１６５５８ / ｊ.ｃｎｋｉ.ｉｓｓｎ１００４￣８７７４.２０１９.０２.００６
层间温度对 ＴＰ９１ 钢焊接残余应力的影响
陈 嵩ꎬ郭 帅ꎬ江佩泽
( 福建省锅炉压力容器检验研究院ꎬ福建 福州 ３５０００８)
影响TP91这类铁素体耐热钢焊缝韧性的因素及改善的途径
影响TP91这类铁素体耐热钢焊缝韧性的因素及改善的途径⑴焊接方法的影响；⑵焊材化学成分的影响；⑶预热、层间温度的影响预热温度和层间温度可降低焊接残余应力，减缓马氏体转变时的冷却速度，防止产生粗大的马氏体，而达到防止焊缝产生冷裂纹的目的。
同时提高焊缝的韧性。
焊接达到1100℃以后熔化，温度低于马氏体转变点（380℃）产生自回火，但不能低于马氏体终了转变线Mf，也是防止产生冷裂纹的措施。
所以必须合理选择预热温度。
（温度过高，不能形成马氏体和自回火，使晶粒长大，而形成粗大的马氏体）⑷焊接线能量的影响焊接线能量大，焊缝金属在高温（1100℃以上）停留时间长，晶粒长大变脆，致使焊缝韧性下降。
焊接线能量过低，易造成未焊透，未熔合和夹渣等缺陷。
一般控制在17-22KJ/cm。
（如果控温点布置合理，通过焊接过程控制曲线可以检测到焊接线能量是否超标，如果超标热处理人员有义务通知焊工停止焊接）。
⑸焊后热处理温度的影响（热处理应得到回火板条马氏体组织）热处理温度不能太低，否则影响冲击功，但温度低于母材和焊缝Ac1一定的温度740℃以下和超过Ac1时，就可能得到过硬的马氏体组织。
（焊条Ac1为790-800℃，母材Ac1为810℃），所以必须对热处理温度严格控制。
下图为P91焊缝不同热处理温度下的组织及硬度图片和数据,从图片和数据可看出，随回火温度的提高，焊缝硬度先降低后升高。
图5 820℃回火焊缝(100×) 270HV/258HB图6 860℃回火焊缝(100×) 355 HV/336 HB图1 91未处理焊缝(100×) 365HV/346HB 图2 700℃回火焊缝(100×) 275HV/261HB 图3 740℃回火焊缝(100×) 257HV/245HB图4 780℃回火焊缝(100×) 237HV/226HB。
热处理对T91钢金相组织及显微硬度的影响
热处理对T91钢金相组织及显微硬度的影响摘要：近年来，T9l钢管材才开始投入到我国电站的应用中，所以对其焊接接头与母材的金相结构以及显微硬度的了解不够深入，所以有了加强探索的必要性。
本文以热处理方法为依据，对T91钢焊接接头各个部分的受热况进行了简单模拟，并仔细分析了其金相组织和显微硬度，从而总结出了各个受热区域，显微硬度和金相组织的变化规律，以供电厂或者电建金属检修人员实行现场检测工作时作为参考依据。
关键词：热处理；T91钢；金相组织；显微硬度一般情况下，电站锅炉用管在低温阶段可使用碳素钢，在高温阶段可使用贝氏体型钢。
我国在80年代初的时候，从美国CE公司引进了600MW、300MW 亚临界压力锅炉的设计和建造工艺，而且在高温段开始应用T91/P91。
当前情况下，我国各个电站锅炉在高温段使用的材料质量参差不齐，比如，主蒸汽管道采用的P22钢，当机组参数逐渐提高时，要确保管道可以承受更大的压力，就要采取措施，加厚主蒸汽管道的壁厚度，但这会给管件带来较大的温度梯度应力，并且加大了安装难度。
近年来，T9l钢管材才开始投入到我国电站的应用中，所以对其焊接接头与母材的金相结构以及显微硬度的了解不够深入，所以有了加强探索的必要性。
本文以热处理方法为依据，对T91钢焊接接头各个部分的受热况进行了简单模拟，并仔细分析了其金相组织和显微硬度，从而总结出了各个受热区域，显微硬度和金相组织的变化规律，以供电厂或者电建金属检修人员实行现场检测工作时作为指导标准。
1 试验材料与方法1.1 试验材料本次试验材料样本选择取日本生产的T91钢管，规格为42mm×5mmT91。
CCT（奥氏体连续冷却变化曲线图）如图所示。
T91钢管的成分组成中，C含量为0.098，S含量为0.004，P含量为0.016，Mn含量为0.44，Cr含量为8.82，Mo含量为0.88，Si含量为0.36。
结合T91钢管的化学成分以及CCT可以看出，T91钢为低碳高台金钢，合金总含量大于l0%。
T91P91钢的发展应用及其焊接性综述
T91/P91钢的发展应用及其焊接性综述[摘要] 本文对T91/P91钢的发展概况及现状、焊后裂纹的产生与冲击韧性下降的问题进行了综述和分析。
初步讨论了焊接缺陷和裂纹等问题,总结了国内T91/P91的生产现状和现存问题,为得到优质的焊接接头提供研究方向。
,[关键词] T91/P91钢焊接性裂纹冲击韧性1.引言如今火力发电锅炉机组的发展趋势是大容量、高参数、超临界。
所以确保机组设备安全可靠运行,提高生产效率和经济效益,满足高温、高压就是管道用钢要满足的基本的需要。
热强性高、工艺性好、价格低廉材料的应用也是需要解决的关键问题。
2 .T91/P91钢的化学成分和力学主要物理性能，T91/P91钢是一种在9Cr-1Mo钢的基础上采用V、Nb、N等微合金化,并应用纯净化、细晶化冶金技术，以及控轧、控冷等工艺开发出的新一代中合金耐热马氏体钢。
T91/P91钢在正火并经730～760℃回火热处理后,金相组织呈典型的马氏体骨架结构,导致M23C6 铬碳化物沉淀在马氏体骨架的边缘,并形成MX 形的V/Nb碳氮化物。
在较粗的M23C6 碳化物及内部较细的沉淀转换成细箔之后,会发现次微粒内较大的错位密度,这种高位错密度的细次晶粒结构是T91/P91具有高温蠕变强度的决定因素。
其常温下屈服强度σs≥415MPa,抗拉强度σb≥585MPa,断面收缩率δ≥20,硬度HB≤250。
T91/P91钢在550℃和600℃下时效，力学性能变化大。
超过600℃，韧度还能保持在100J/cm²以上，强度与塑性也能满足标准要求。
但现在各国都把T91/P91钢的使用温度定在593℃。
3.T91/P91钢的焊接性目前,国内对T91/P91的研究主要集中在焊接工艺、焊接接头冲击韧性、焊接脆性、焊后热处理和焊接热影响区等方面。
3.1. T91/P91钢的焊接工艺T91/P91钢多采用氩弧焊打底焊接，焊条电弧焊填充和盖面焊接工艺。
焊前要对管道接口进行坡口制备，一般选用U型或V型坡口，并用角向打磨机打磨坡口表面及局坡口15~20mm范围，清除水，锈，油等赃物。
火力发电厂新材料T91_P91钢性能综述_李志翔
焊接材料 , 选用与母材成分基本相同的同类焊 材 。焊材的合金 (尤其是 Cr 、Mo) 含量必须与母 材相同 , 一保证焊接接头与母材有相同的高温强 度 、高温蠕变性能与抗氧化性能 。同时也要控制合 金成分 , 改善钢的焊接性 。如 Nb 、V 都是强碳化 物形成元素 , 对改善钢的转变特性 、细化晶粒 、提 高焊缝金属的韧性和抗冷裂纹性能具有重要作用 , 但是当 Nb 、V 含量过高时 , 也会提高中合金耐热 钢焊缝金属的热裂纹和再热裂纹倾向 。因此中合金 耐热钢焊材中的 Nb 含量一般控制在 012 %以下 , V 含量控制在碳 (C) 含量的 2 - 3 倍 。此外 , 还应 选用低氢型超低氢型焊材 , 严格保管与使用 。 413 焊接前后热处理
1 前 言
T91/ P91 钢是一种改进型马氏体耐热钢 , 该材
一介绍 。
2 T91/ P91 钢的发展概述
料具有良好的高温热强性和抗氧化性能 , 与其他合
T91/ P91 钢是在 T9 (9Cr - 1Mo) 钢的基础上
金耐热钢 (如 12Cr1MoV 、钢 102 等) 相比 , 在同 通过涂加 V 、Nb 、N 等合金元素而形成的一种改
32 年
卷 3月
云南电力技术 YUNNAN EL ECTR IC POWER
Vol132No11 Mar12004
火力发电厂新材料 T91/ P91 钢性能综述
李志翔 李晓平 赵永强
(云南电力试验研究院 (集团) 有限公司 , 云南 昆明 650051)
热处理对T91钢的组织和力学性能的影响
热处理对T91钢的组织和力学性能的影响江苏省电力试验研究所(南京 210029) 孔祥瑜Inf luence of Heat Treatment on Metallurgical Structure and Mechanical Properties of T91SteelKong X iangyuJiang su Electric Test&Research InstituteNanjing210029关键词 热处理 T91钢 金相组织 正火 回火摘 要 研究了正火和回火温度及时间对T91钢的金相组织和力学性能的影响。
试验结果发现该钢种具有抗高温回火稳定性。
正火温度对钢的组织和性能影响很大,适宜的加热温度范围很窄。
温度过高,会出现混晶和粗晶现象,导致室温和高温性能下降。
而温度偏低,则合金元素固溶不充分将导致钢的各项性能下降。
Key words heat trea tment T91steel metallurg ical structure no rmalizing temperingAbstract Th e effec t o f tempera ture and time of nor malizing and tempering to the metallurg ical structure and mechanica l pro perties o f T91steel w as studied.The fo llow facts wer e discov er ed:T91steel has g oo d stability of r esisting hig h tempe ratur e tempering.W hile th e temper ature o f no rmalizing w ill sig nifica ntly affect the metallurgica l str uc ture and mechanical proper ties of T91steel,the suitable heating tempera ture ra ng e is v er y nar row.If the temperatur e is to o high,the mix ed cr ystal a nd coa rse c ry sta l will occur in the metallur gica l str uctur es a nd th e r oo m-tempera ture pro per ties and high tempera ture proper ties will become w or se,while the tempera ture is to o low,the a lloy will no t so lute sufficiently a nd th e ov era ll pr oper ties o f th e T91steel w ill al-so g et wo r se. T91钢是9Cr-1Mo钢的改进钢种,已于1984年列入美国ASTM A213标准。
焊后消氢处理工艺对高强钢焊接残余应力的影响
ｔ ｒ ｅ ａ ｔ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ｏ ｎ ３ ２ ０ Ｍｎ Ｔ ｉ Ｂ ｔ ｅ ｓ ｔ ｐ ａ ｎ ｅ ｌ ｓ ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｓ ａ ｌ ｎ ｅ ｗｅ ｌ ｄ ｉ ｎ ｇ ｐ ａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ， ｉ ｎ ｃ ｌ ｕ ｄ ｉ ｎ ｇ ｔ ｒ ｅ ａ ｔ ｍｅ ｎ ｔ ｗ ｉ ｔ ｈ ｏ ｕ ｔ ｄ ｅ ｈ ｙ ｄ ｒ ｏ ｇ ｅ ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｄ ｉ ｓ ｐ ｏ ｓ ａ ｌ ，
文 献标 志码 ： Ｂ
文 章编 号 ： １ ０ ０ １ — ３ ９ ３ ８ （ ２ ０ １ ３ ） １ ０ — ０ ０ ２ ２ — ０ ４
Ｉ ｎ ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ Ｄｅ ｈｙ ｄｒ ｏ ｇ ｅ ｎａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｐｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ Ａｆ ｔ ｅ ｒ Ｗｅ ｌ ｄ ｉ ｎｇ ｏ ｎ Ｈｉ ｇ ｈ Ｓｔ ｒ ｅ ｎｇ ｔ ｈ Ｓｔ ｅ ｅ ｌ Ｗｅ ｌ ｄ ｉ ｎｇ Ｒｅ ｓ ｉ ｄｕ ａ ｌ Ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔ ａ ｋ ｉ ｎ ｇ ２ ０ Ｍｎ Ｔ ｉ Ｂ ｈ ｉ ｇ ｈ ｓ ｔ ｒ ｅ ｎ ｇ ｔ ｈ ｓ ｔ ｅ ｅ ｌ ａ ｓ ｔ ｅ ｓ ｔ ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ， ｉ ｔ ａ ｄ ｏ ｐ ｔ ｅ ｄ ｄ ｅ ｈ ｙ ｄ ｒ ｏ ｇ ｅ ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ａ ｆ ｔ ｅ ｒ ｗ ｅ ｌ ｄ ｉ ｎ ｇ ｔ ｏ ｃ ｏ ｎ ｄ ｕ ｃ ｔ ｓ ｏ ｍｅ
焊后热处理消除P91钢管焊接残余应力的数值分析
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
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）
的综合力学性能。
T91P91钢焊接质量监督检验关键技术分析
T91/P91钢焊接质量监督检验关键技术分析摘要：结合电站锅炉安装工程实例，对T91/P91钢的焊接、热处理、硬度检验及金相检验过程进行了分析，探讨了它们之间的关系，对实际工程中出现的问题提出了对策。
关键词：T91/P91钢焊接质量热处理监督检验电站锅炉引言某电厂“上大压小”工程2×600MW燃煤汽轮发电机组，锅炉为超临界参数变压直流炉、单炉膛、一次再热、平衡通风、半露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构∏型锅炉。
锅炉在B-MCR工况下主蒸汽参数为571℃/25.4MPa，主蒸汽流量为2030t/h。
为保障锅炉的安装质量和安全运行，根据《特种设备安全监察条例》、《蒸汽锅炉安全技术监察规程》、《锅炉安装监督检验规则》等的要求，并参考《电站锅炉压力容器检验规程》等相关技术标准，制定了锅炉安装检验检测方案，对安装过程中涉及安全性能的项目进行监检和对质量管理体系运转情况进行监督检查。
该项目锅炉安装整体水压试验一次成功，并顺利经过168小时整套连续满负荷试运行，各项安全指标均达到相关标准要求。
在电站工程建设中，焊接是现代电站锅炉制造安装过程中最重要的加工工艺技术，是电站锅炉建造安全质量控制的一道关键工序。
该工程项目两台锅炉受监的安装焊口达73000余道，其中在屏式过热器、高温过热器、高温再热器及其连接管道和集箱，主蒸汽管道及再热蒸汽热段管道等受压部件上应用了TP1/P91钢，对这些受压部件安装焊接质量进行监检，并明确焊接、热处理、硬度检验及金相检验等几个安全质量控制环节中的关键技术问题，对于控制焊接质量，保障锅炉安装质量及机组安全运行有重要意义。
1.T91/P91钢焊接及焊后热处理监督检验1.1.化学成份及性能T91/P91钢是ASME标准SA213-T91/SA335-P91钢的简称，它是在9Cr1Mo 钢的基础上添加V、Nb、N等元素开发的新型耐热钢，在GB5310标准中相应牌号为10Cr9Mo1VNbN，化学成分见表1。
焊接后热处理对焊接残余应力的影响
焊接后热处理对焊接残余应力的影响摘要：焊接作为一个不均匀性的加热过程，在焊接结构的局部发生塑性变形问题，经过冷却之后，工件内部就会残留部分应力。
如果发生焊接残余应力，不仅对工件的机械强度造成影响，也可能引发工件的开裂、变形，降低尺寸的精确度。
本文结合焊接后热处理技术要点，对焊接残余应力的影响因素、危害以及消除策略等进行分析与探讨。
关键词：焊接；热处理；残余应力；影响1影响焊接残余应力的主要因素1.1焊接原材料的影响随着原材料的熔化温度变化，焊接的残余应力也会相应发生变化。
其温度越高、残余应力就越大。
同时，对残余应力大小的影响因素还包括：线膨胀系数、屈服强度、弹性模量等。
原材料的种类不同，由此产生的变化也有所区别。
当膨胀系数处于高温条件下，其温度就会持续上升，此时为线性增加状态；屈服强度、弹性模量等都会随着原材料类型的不同而表现出不同的反应。
1.2焊接参数的影响在相对正常的焊接条件下，若想确保焊接电流不产生任何变化，则需要提高焊接效率，此时将延长焊接的温度场，同时增加了焊接的梯度，此时焊接残余应力就会加大。
若想确保焊接的速度不发生改变，则提高焊接电流强度，此时焊接的温度场就会变宽、加长，增加温度梯度，焊接的残余应力也相应加大。
1.3焊接热源的影响在结构焊接过程中，一般只采取局部加热方法，但是热源中心的温度一般较高，由于焊缝与焊件不同点之间的距离存在差异，因此在加热的瞬间，各点温度会产生变化，温度场也可能有所改变。
由于加热并不是均匀进行，焊件的温度梯度有所增加，对焊接残余应力大小造成影响。
如果在自然条件下完成焊件的冷却，此时温度由800℃降低到500℃，无论是焊接的残余应力还是应变力大小，都会受到影响，需加强重视。
1.4焊接比容的影响当钢材结构经过加热或者冷却之后，就会产生相变作用，由此变化也会引发比容、性能等改变。
一般情况下，如果温度已经上升到700℃以上，那么钢材就会由奥氏体转变为铁素体，但是对残余应力的影响可以忽略不计。
热处理对T91钢金相组织及显微硬度的影响
热处理对T91钢金相组织及显微硬度的影响王 然,贺明贤(国家电力公司电力建设研究所,北京 102401)摘要:通过改变热处理温度的方法,模拟出T 91钢焊接过程中受焊接热循环影响的不同区域,并进行了金相组织及显微硬度的分析和比较。
关键词:T 91钢;金相组织;显微硬度中图分类号:TG142 文献标识码:A 文章编号:0254-6051(2000)11-0006-03Effect of Heat Treatment on Microstructure and Hardness of T91SteelWANG Ran ,HE Ming -xian (Sta te Power Corpo ration of China EPCRI ,Beijing 102401,China )A bstract :T he different zones affected by weld thermal cycle during the welding process of T 91steel have been simulated by means of changing the temperature o f heat treatment .M etallurgical sturcture and microhardness hav e been analysed and compared in different heat affected zones .Key words :T91steel ;metallurgical structure ;microhardness1 引言我国电站锅炉用管一般在低温段采用碳素钢,高温段用珠光体型或贝氏体型钢。
70年代中期,电站锅炉用管在高温段(过热器、再热器及主蒸汽管道)开始使用从原联邦德国进口的热强钢管,如:T22/P22、HT 7(9Cr -1M o )和X 20CrM oV 121(F12)或X20CrM oW V121(F 11);80年代初期,引进了美国CE 公司的600M W 、300M W 亚临界压力锅炉的设计和制造技术,在高温段开始采用T 91/P91、T P304H 或T P347H [1]。
激光焊接的温度场及焊缝残余应力分析
26
长春理工大学学报
者的峰值温度都超过了铜的熔点温度 ( 1083℃) , 约为 1500℃。
2005年
(3) 对激光焊接过程中温度实测值与模拟值 进行比较 , 如图 5所示 。从图中可以看出 , 实测值 与模拟值基本吻合 , 从而验证了温度场计算的正确 性。
参考文献 :
[ 1 ] 徐庆仁. 激光加工技术的地位 、现状和发展趋势 [ J ]. 航空制造工程 , 1996, (9) : 22 - 24.
2 有限元分析
211 有限元模型的建立和网格划分
激光焊接的能量密度非常高 , 有效加热区域非 常小 , 因而在网格划分时 , 要求在焊缝附近采用很 小的网格尺寸 , 而在远离焊缝的区域可以选择较大 的网格尺寸 。在 ANSYS软件中 , 为了便于单元的 重生 、进行重启动分析和重新加载的操作 , 采用了 映射网格划分技术 , 单元形状为四边形 , 单元类型 为 Quad 13, 如图 1所示 。
SON G L inS en L I Z hanGuo SH I GuoQ uan
( S chool of M echan ica l and E lectrica l Eng ineering,
Changchun U n iversity of S cience and Technology, Changchun 130022) Abstract: The laser welding is a fast and uneven heat cyclical p rocess. B ecause of comp lexity of the in2 teractive between laser and m aterial, it is very difficult to guarantee the quality of the laser welding. The thermodynam ics model of the laser welding has been set up in this text on the foundation of the character2 istics and actual p rocess environment of the laser welding. Its rem aining stress and temperature environ2 m ent have been analyzed using ANSYS. It can p redict the weld structure quality and its using capability, and it have facilitated the p roject app lication. Key words: laser welding; temperature environm ent; rem aining stress; ANSYS
焊接后热处理技术及焊接残余应力的影响分析
焊接后热处理技术及焊接残余应力的影响分析焊件施焊后，结构受加热影响会出现局部塑性变形情况，温度降低后，焊件内部会残余部分应力，直接弱化工件机械强度，继而引发裂纹等不良现象。
作为技术人员试验后，应明确掌握焊接残余应力的影响因素与热处理技术，实现残余应力峰值的有效控制，确保焊接质量。
标签：焊接；热处理技术；残余应力受焊接原材料、热源等因素影响，焊接后会残余部分应力，直接降低焊接结构的静力、疲劳强度与刚度，缩短工件使用寿命。
热处理技术可有效消除焊接残余应力，但前提是合理模拟温度与应力场数值，确保焊接残余应力有效消除且处于平稳状态。
一、焊接残余应力主要影响因素1焊接原材料焊接残余应力直接受原材料熔化温度影响，两者存在正相关。
除此之外，残余应力还受弹性模量、屈服强度与膨胀系数等因素影响。
不同的原材料种类，弹性模量、屈服强度等反应不同，残余应力大小也不同。
尤其是膨胀系数，当去处于高温环境中时，温度会持续增加，呈线性增加状态[1]。
2焊接参数通常情况下，要求焊接电流不变，需要提高焊接效率，与此同时，此时焊接温度场将延长，焊接梯度、残余应力随之增加。
要求焊接速度不变，需要提升焊接电流强度，与此同时，焊接温度场长宽拓展，焊接梯度、残余应力随之增加。
3焊接热源焊接属于不均匀的局部加热过程，热源中心温度持续升高，焊缝施焊后，焊件不同点温度发生变化，温度场随之改变。
与此同时，焊件温度梯度、残余应力也受到影响。
4焊接比容焊件加热、冷却后，会出现相变作用，继而引起比容与性能等发生变化。
当钢材温度超过700℃时，会实现奥氏体、铁素体的转变，残余应力可不计，随着温度降低，碳元素数量与合金数量等不断增加，钢结构逐渐产生相变，在体积快速膨胀作用下，会形成残余应力[2]。
二、焊接残余应力对构件的危害1焊件静力强度下降焊件结构在承载力影响下，会产生一定的塑性变形能力。
屈服强度区域应力随者荷载力的增加而加大，不在屈服强度的区域应力也随之改变，此时，静力强度不受焊接残余应力影响。
焊接残余应力的分布和焊后热处理的应力松弛作用
工 艺焊接残余应力的分布和焊后热处理的应力松弛作用陈文汨1,张 利1,金立业2,何少平1(11中南大学冶金系,湖南长沙 410083;21广西平果铝业公司氧化铝厂,广西平果 531400)摘要:通过钻盲孔法研究了里海型焊接试板焊接残余应力的分布和焊后热处理对焊接残余应力松弛的影响,讨论了适合生产实际的焊后热处理条件。
结果发现,在焊缝区及其周围存在着高焊接残余拉应力,且纵向应力远大于横向应力。
焊后热处理能够显著降低焊接残余应力,并且焊后热处理温度越高,应力松弛效果越好。
对于一般的工程需要,焊后热处理温度下限定于550e 较适宜,可使应力松弛率达到80%以上。
在强烈腐蚀环境中工作的压力容器,为防止诱发应力腐蚀开裂,应选择620e 、30min 或1h 保温的焊后热处理,此时应力松弛率可达到90%以上。
在热处理温度低于规范温度时,延长保温时间对于焊接残余应力的松弛影响不大。
关键词:焊后热处理;焊接残余应力;里海型焊接试板;钻盲孔法中图分类号:TG156.23 文献标识码:A 文章编号:0254-6051(2002)02-0030-03Distributions of Residual Welding Stress and Effect of Post -WeldHeat Treatment on Its RelaxationCHEN Wen -m i 1,ZHANG Li 1,JIN L-i ye 2,HE Shao -ping1(11Department of M etallurg y,Centra-l Sout h U niversity ,Changsha,Hu .nan 410083,China;21Pingguo A luminum Company ,Pingg uo Guangx i 531400,China)Abstract:Distributions of residual w elding stress and effect of post -w eld heat treatment (PWH T)on residual w elding stress relax ation in Lehigh w eld specimens w as studied by M athar -Soete drilling.The results show ed that there is high residual tensile stress in w elding zone,and it is higher in the long itudinal than in the horizontal.PWHT can relieve residual welding stress efficiently,and residual w elding stress relaxation increases w ith increas -ing temperature.For general application,tem perature of 550e is w orkable as the low est PWHT temperature be -cause residual w elding stress relaxation is hig her than 80%at this temperature.On the other hand,in order to in -hibit stress corrosion cracking in strong corrosion environment,optimum PWH T tem perature is 620e and the holding time is 30min or 1h.Annealed at the temperature lower than that specified,residual w elding stress relax -ation can .t be decreased sig nificantly by prolonging the holding time.Key words:post -w eld heat treatment(PWH T);residual welding stress;Lehigh w elding specimen;M athar -Soete drilling作者简介:陈文汨(1965)),男,湖南长沙人,副教授,博士,主要从事材料腐蚀性能研究。
解决T91小管热处理后的硬度不合格问题
解决T91小管热处理后的硬度不合格问题解决T91小管热处理后的硬度不合格问题湖北省电建二公司华正佳通过荆门、阳逻、襄樊工地600MW机组受热面高温过热器、高温再热器、后屏过热器管道大部分采用新型钢材---SA213-T91,通过硬度检测发现T91小管焊口热处理后硬度值经常有偏高或偏低现象，据不完全统计，硬度值一次合格率仅为80%。
硬度值偏高表明焊缝应力没有得到释放，必须重新进行热处理；硬度值低表明焊缝晶体长大严重，降低了焊缝机机械性能，严惩影响机组的安全运行，超标严重的必须进行换管。
因此，解决T91小管热处理后硬度不合格问题，对于提高安装效率，保证焊缝质量，确保机组安全、稳定运行有重大意义。
一、硬度值超标的主要原因有以下几点：1.加热器的帮扎不一致，每组只有一个热电偶，不能有效的控制整组温度。
2.保温棉的保温厚度、宽度不一致导致温度不均。
3.电缆线及热处理设备发生问题，不能及时发现处理。
4.热电偶帮扎不紧，温度显示有差别，不准确。
二、现场具体原因分析：1.硬度超标现象的原因分析，归纳如下：1）.T91小管热处理的作业基本原理如下：热处理二次线均为三相四芯，每一相与零线组成220V线路，带5片2KW。
44V加热器，每片加热器包扎一个焊口进行热处理，三相共带15片加热器。
加热时，在其中任一个焊口上扎一根镍铬镍硅热电偶。
所测得信息经彩采样处理后，一路通过记录仪打印成曲线，一路输入电脑，与电脑已输入程序进行数据比较处理，将信息传给触发板，触发板给每相可控硅发出触发指令，调节加热器的接通与断开，以控制回热器的输出功率百分比来调节焊口的加热温度。
综上所述，15个焊口的加热温度实际上靠其中一个焊口的温度信息来调节。
2）．加热器的绑扎不一致导致焊缝温度不一致，每一条焊缝相对于加热器的位置不一样，接受的热量不一致，而热处理时将每一个焊口均看成和扎热电偶的焊口是一致的。
3）.保温棉的保温厚度及保温度不一致，其散热不一致导致温度不一致。
高温长时运行后T91_G102异种钢焊接接头的性能及剩余寿命
图 １ 常 温 拉 伸 试 验 结 果 及 国 标 要 求 Ｆｉｇ．１ Ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｎａｔｉｏｎａｌ ｓｔａｎｄａｒｄ
２．２ 冲 击 功 由图２可 以 看 出，Ｇ１０２ 钢 侧 熔 合 线 及 Ｔ９１ 钢
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｉｓｓｉｍｉｌａｒ ｓｔｅｅｌ；ｗｅｌｄｅｄ ｊｏｉｎｔ；ｐｒｏｐｅｒｔｙ；ｒｅｍａｉｎｉｎｇ ｌｉｆｅ
０ 引 言
１０Ｃｒ ９Ｍｏ １ＶＮｂ（Ｔ９１）钢 和１ ２Ｃｒ ２ＭｏＷＶＴｉＢ
收 稿 日 期 ：２０１１－１０－１５；修 订 日 期 ：２０１２－０６－２３ 基 金 项 目 ：国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （２１１７１０１８） 作 者 简 介 ：尤 力 （１９８２－ ），男 ，重 庆 人 ，博 士 研 究 生 。 导 师 ：宋 西 平 教 授
侧熔合线的 冲 击 功 最 低，焊 缝 和 Ｇ１０２ 钢 侧 热 影 响 区 的 冲 击 功 较 低，Ｔ９１ 钢 侧 热 影 响 区 的 冲 击 功 比 Ｇ１０２钢母材的略高，Ｔ９１钢母材的冲击功最高。 这 表明 Ｔ９１钢侧熔合线及 Ｇ１０２钢侧熔合线为整 个接 头的薄弱部位。
图 ２ 室 温 冲 击 试 验 结 果 Ｆｉｇ．２ Ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｉｍｐａｃｔ ｔｅｓｔ ａｔ ｒｏｏｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
摘 要：对高温运行７８ ０００ｈ后的 Ｔ９１／Ｇ１０２异种钢焊接接头向火侧进行了常温拉伸、冲击、硬 度和高温持久试验，并对其进行了寿命估算。结果表明：长时 运 行 后，接 头 两 侧 母 材 常 温 抗 拉 强 度 仍满足要求，但焊接接头的常温抗 拉 强 度 已 低 于 标 准 值；两 侧 母 材 的 冲 击 韧 性 仍 较 高，但 Ｇ１０２ 钢 侧及 Ｔ９１钢侧熔合线处的冲击功最低；Ｔ９１钢母 材 的 显 微 硬 度 同 运 行 前 的 基 本 相 当，而 Ｔ９１ 钢 侧 热影响区、焊缝、Ｇ１０２钢侧热影响区以 及 Ｇ１０２ 钢 侧 母 材 的 显 微 硬 度 均 明 显 降 低；Ｇ１０２ 钢 热 影 响 区的高温蠕变性能最差；焊接接头向火侧的剩余寿 命 为 ２７ ６０１ｈ，但 焊 缝、热 影 响 区 性 能 的 劣 化 将 大 大 降 低 其 安 全 运 行 可 靠 性 ；Ｇ１０２ 钢 侧 热 影 响 区 析 出 的 碳 化 物 与 两 侧 母 材 析 出 的 明 显 不 同 。
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李 松 明ａ， 杨 晓 翔ｂ
（福州大学 ａ．石油化工学院；ｂ．机械工程及自动化学院，福建 福州 ３５０１１６）
摘要：Ｔ９１钢属于马氏体不锈钢，其焊接性能较差，焊 接 接 头 易 脆 化，焊 接 时 容 易 产 生 冷 裂 纹 和 再 热裂纹。基于 ＡＮＳＹＳ软件平台，应用移动高斯热源结合单元生死技术方法，对超临界锅炉用小管 径 Ｔ９１钢的焊接残余应力进行数值 模 拟，分 析 了 焊 后 残 余 应 力 的 分 布 规 律，讨 论 了 焊 前 预 热 温 度 以及焊后热处理工艺对焊接残余应力的影响。模拟结果表明，焊后残余应力集中在 Ｔ９１ 钢 焊缝区 与热影响区，最大等效应力值超过了材料屈服应力值；提高焊前预热温度可以降低 Ｍｉｓｅｓ等效残余 应力值，但应力值仍然较大；进行焊后热处理可以明显改善焊 接 残 余 应 力 的 分 布，最 大 应 力 数 值 下 降 ６０％ ～７０％ 。 关 键 词 ：Ｔ９１ 钢 ； 残 余 应 力 ； 预 热 温 度 ； 焊 后 热 处 理 ； 数 值 模 拟 中图分类号：ＴＱ０５０．６；ＴＧ４４４ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－７４６６．２０１６．０６．００２
Ｔ９１ 钢 管 焊 缝 附 近 部 位 １／２ 有 限 元 模 型 及 分 析 所取路径见图 １。 轴 向 路 径 Ｌ１ ～Ｌ４ 分 别 表 示 起 焊 处截面（０°）外表面、起 焊 处 截 面 内 表 面、１８０°截 面 内 表 面 和 １８０°截 面 外 表 面 的 路 径 。
近年 来，许 多 学 者 对 不 同 材 料 的 焊 接 残 余 应 力
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｔ９１ｓｔｅｅｌ；ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ；ｐｒｅｈｅａｔｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｐｏｓｔ－ｗｅｌｄ ｈｅａｔ ｔｒｅａｍｅｎｔ；ｎｕｍｅｒｉ－
ｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
收 稿 日 期 ：２０１６－０５－２９ 基 金 项 目 ： 国 家 自 然 科 学 基 金 （Ｎｏ．１１３７２０７４） 作 者 简 介 ： 李 松 明 （１９９１－），男 ，福 建 安 溪 人 ，在 读 硕 士 研 究 生 ，研 究 方 向 为 焊 接 残 余 应 力 。
５１
１ ５００ ５９．０ ８２０ １６．３
３０ ０．３１
１０
１．２ 分 析 方 法
采用间接耦合法模拟焊接残余应力的形成过 程 ，即 先 进 行 焊 接 温 度 场 的 模 拟 ，然 后 进 行 应 力 场 的 分 析 ，分 析 应 力 场 时 导 入 各 节 点 的 温 度 ，从 而 实 现 热 力结构耦合。
１ 小管径 Ｔ９１钢有限元模型与边界条件
图 １ Ｔ９１ 钢 管 焊 缝 附 近 部 位 １／２ 有 限 元 模 型 及路径示图
假设焊缝填充材料与母材材料的力学性能相 同，并视为各向 同 性。 在 焊 接 过 程 及 冷 却 过 程 中 模 型温度变化范围梯 度 大，因 此 需 要 输 入 随 温 度 变 化 的材料性能 参 数。 不 同 温 度 下 Ｔ９１ 钢 性 能 参 数 见
２００ ２８．０ ４９０ １１．３ ２０７ ０．２９ ４６５
温 度／℃
４００
６００
２９．１
２９．０
５３０
８００
１１．９
１２．４
１９０
１６８
０．３０
０．３０
４３０
３４２
７５０ ２８．５ １ ０２０ １２．７ １５２ ０．３１ １９４
１ ０００ ２８．１ ８２０ １４．２ １０８ ０．３０
综合 考 虑 工 件 表 面 与 环 境 的 对 流 及 辐 射，在 表 面 热 效 应 单 元 上 施 加 复 合 表 面 传 热 系 数 ｈ［１３］：
｛０．０６６ ８ｔ１ （０ ℃≤ｔ１≤５００ ℃）
ｈ＝ ０．２３１ｔ１－８２．１ （ｔ１≥５００ ℃）
在焊 后 热 处 理 的 温 度 场 模 拟 过 程 中，通 过 控 制 表面传热系数及环 境 温 度 实 现 升 温、降 温 速 率 的 近 线性以及保温过程。
第４５卷 第６期 石 油 化 工 设 备 Ｖｏｌ．４５ Ｎｏ．６ ２０１６年１１月 ＰＥＴＲＯ－ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ Ｎｏｖ．２０１６
文 章 编 号 ：１０００－７４６６（２０１６）０６－０００７－０６
径 Ｔ９１ 钢 管 道 环 焊 缝 进 行 分 析，开 单 面 Ｖ 型 坡 口， 无预留钝边。对接焊接 形 式，对 合 间 隙 ２ ｍｍ，焊 道 共有３层。虽然模 型 具 有 对 称 性，但 由 于 焊 接 过 程 模拟中的热源移动 不 具 对 称 性，因 此 采 用 三 维 整 体 模型分析。整体有限 元 模 型 单 元 数 为 ２７ ２００，节 点 数 为 ３７ ３００。
Ｆｕｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆｕｚｈｏｕ ３５０１１６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔ９１ｓｔｅｅｌ ｉｓ ｍａｒｔｅｎｓｉｔｅ ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ，ｔｈｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｔ９１ｓｔｅｅｌ ｉｓ ｐｏｏｒ，
ｅａｓｙ ｔｏ ｐｒｏｄｕｃｅ ｃｏｌｄ ｃｒａｃｋｉｎｇ ａｎｄ ｒｅｈｅａｔ ｃｒａｃｋｉｎｇ ｗｈｅｎ ｗｅｌｄｉｎｇ，ａｎｄ ｔｈｅ ｗｅｌｄｅｄ ｊｏｉｎｔｓ ｉｓ ｅａｓｙ ｔｏ ｂｒｉｔｔｌｅ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｇａｕｓｓｉａｎ ｈｅａｔ ｓｏｕｒｃｅ ｂｉｎｄｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ ｂｉｒｔｈ ａｎｄ ｄｅａｔｈ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕ－ ｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ ｂｏｉｌｅｒ ｓｔｅｅｌ Ｔ９１ｗｅｌｄｉｎｇ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＡＮＳＹＳ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ，ａｎａｌｙ－ ｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｗｅｌｄｉｎｇ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｔｈｅ ｐｒｅｈｅａｔｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｏｓｔ－ｗｅｌｄ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｐｒｅｓｓ ｆｏｒ ｗｅｌｄｉｎｇ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｗｅｌｄ ｚｏｎｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｈｅａｔ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｚｏｎｅ，ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｓｔｒｅｓｓ ｅｘｃｅｅｄｓ ｔｈｅ ｙｉｅｌｄ ｓｔｒｅｓｓ ｖａｌｕｅ，ａｎｄ ｐｒｅｈｅａｔｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｃａｎ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ Ｍｉｓｅｓ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ，ｂｕｔ ｓｔｒｅｓｓ ｉｓ ｓｔｉｌｌ ｌａｒｇｅ，ａｎｄ ｐｏｓｔ－ｗｅｌｄ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔ－ ｍｅｎｔ ｃａｎ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｗｅｌｄｉｎｇ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ，ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｓｔｒｅｓｓ ｖａｌｕｅ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ６０％ ｔｏ ７０％．
Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｐｒｅｈｅａｔ ａｎｄ Ｐｏｓｔ Ｗｅｌｄ Ｈｅａｔ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｎ Ｔ９１Ｓｔｅｅｌ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｒｅｓｉｄｕａｌ Ｓｔｒｅｓｓ
ＬＩ Ｓｏｎｇ－ｍｉｎｇａ，ＹＡＮＧ Ｘｉａｏ－ｘｉａｎｇｂ （ａ．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｂ．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，
利用 ＳＯＬＩＤ１８５ 单 元 模 拟 焊 接 过 程 的 应 力 场， 读取由各个时刻温度场分析得到的节点温度到结构 单元的节点上，在模 型 端 面 施 加 防 止 刚 性 位 移 的 边 界条件，对其中 一 端 面 约 束 轴 向 位 移。 采 用 双 线 性 等向强化的 Ｍｉｓｅｓ屈服准则得到焊接残余应力。
１．１ 有 限 元 模 型 及 参 数 选 择
表 １，超 过 １ ５００ ℃ 时 Ｔ９１ 的 性 能 参 数 视 为 与
采用规格为 ９２ｍｍ×６ｍｍ×３００ｍｍ 的小管 １ ５００ ℃时的相同 。 ［１０，１１］
表１ 不同温度下 Ｔ９１钢性能参数
进行了大量的 分 析 研 究。 文 献 ［６］对 ＳＵＳ３０４ 不 锈
钢管进行了多 道 焊 的 数 值 模 拟，得 到 了 ＳＵＳ３０４ 不
锈钢残余应力的分 布 情 况。 文 献 ［７］从 实 验 和 模 拟
两方面对比分析了奥氏体不锈钢的焊接残余应力，
文献 ［８］研 究 了 Ｔ 型 焊 接 接 头 中 的 焊 接 残 余 应 力，
·８·
石 油 化 工 设 备 ２０１６年 第４５卷
基于我国经济 的 快 速 发 展，对 用 电 的 需 求 不 断 增加，火力发电正朝 着 大 容 量、高 参 数、超 （超）临 界 的趋势 发 展。Ｔ９１ 钢 作 为 一 种 改 良 型 马 氏 体 耐 热 钢 ，具 有 良 好 的 高 温 性 能 和 抗 氧 化 性 能 ，被 广 泛 应 用 于各种大型电站锅 炉 及 燃 气 轮 机 锅 炉 的 再 热 器、过 热器等承受高温、高压（蒸汽温度５８０～６５０ ℃，蒸汽 压力１０ ＭＰａ以上）的 电 力 机 组 部 件 。 ［１－４］ 由 于 Ｔ９１ 钢属于马氏 体 钢，焊 接 性 能 较 差，焊 接 接 头 容 易 脆 化，韧性低，焊 接 时 会 产 生 冷 裂 纹 和 再 热 裂 纹 的 倾 向。因此，控制 Ｔ９１钢的焊 接 工 艺 以 保 证 焊 接 质 量 显得尤为重要 。 ［５］
用对手工焊、钨极氩 弧 焊 等 模 拟 效 果 较 为 理 想 的 移 动高斯热源 ： ［１２］
ｑ（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）＝３πηＲＵ２Ｉ×
｛ ｝ ｅｘｐ
－３