代 真， 姜運(yùn)建， 章建葉， 李 偉， 謝航云， 王衛(wèi)峰

（1．國(guó)電科學(xué)技術(shù)研究院，南京210031；2．河北省電力研究院，石家莊050021；3．國(guó)電肇慶熱電有限公司，肇慶526238）

發(fā)展高參數(shù)、大容量超（超）臨界機(jī)組已經(jīng)成為各國(guó)緩解節(jié)能減排壓力、提高發(fā)電效率的必由之路．在我國(guó)已投運(yùn)或在建的超（超）臨界機(jī)組中，主蒸汽管道和再熱蒸汽管道等高溫高壓構(gòu)件普遍采用了新型鐵素體耐熱鋼材料，如P91鋼和P92鋼．IV型蠕變開裂是高溫高壓構(gòu)件焊接接頭長(zhǎng)期服役中出現(xiàn)的典型問題，它不僅顯著縮短了焊接接頭處的壽命，而且突發(fā)性的開裂還會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性事故．已有研究表明，IV型蠕變開裂發(fā)生于臨界熱影響區(qū)（ICHAZ，加熱峰值溫度在TC1～TC3，TC1為加熱時(shí)珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的開始溫度，TC3為加熱時(shí)游離鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的終止溫度）或細(xì)晶熱影響區(qū)（FGHAZ，峰值溫度在TC3附近）［1－3］，且應(yīng)力水平對(duì)IV型蠕變開裂有很大影響［4－5］．筆者利用Abaqus有限元軟件對(duì)P92鋼的焊接過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲得了焊接溫度場(chǎng)和焊接殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，采用試驗(yàn)測(cè)試的方法對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證，并對(duì)IV型蠕變損傷產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析．

1 物理模型

研究對(duì)象是電廠P92鋼主蒸汽管道，其直徑為355mm、壁厚為40mm．電廠P92鋼主蒸汽管道的實(shí)際工況是：管內(nèi)介質(zhì)溫度為600℃，壓力為24 MPa．圖1為管道焊接接頭和焊道分布．第1、第2層為氬弧焊焊接，預(yù)熱溫度為100～200℃，層間溫度為150～250℃．第3層以上為焊條電弧焊焊接，層間溫度約為200℃．P92鋼的化學(xué)成分和焊材的名義成分見表1．P92鋼的力學(xué)性能見表2．具體的焊接參數(shù)見表3．

圖1 管道焊接接頭和焊道分布（單位：mm）Fig．1 Preparation of welding groove and arrangement of weld pass（unit：mm）

表1 P92鋼的化學(xué)成分和焊材的名義成分Tab．1 Chemical composition of P92steel and nominal composition of the welding material %

表2 P92鋼的力學(xué)性能Tab．2 Mechanical properties of P92steelMPa

表3 焊接參數(shù)Tab．3 Welding parameters

2 有限元模擬

2．1 分析模型與網(wǎng)格劃分

由于研究的對(duì)象是等徑管道對(duì)接焊，焊縫和熱影響區(qū)是重點(diǎn)分析區(qū)域，因此該處的網(wǎng)格劃分比較密集，而遠(yuǎn)離焊縫處的網(wǎng)格剛比較稀疏．圖2給出了有限元模型的網(wǎng)格劃分．采用二維平面模型，其中節(jié)點(diǎn)有9 963個(gè)，單元為9 680個(gè)．采用DC2D4單元計(jì)算焊接溫度場(chǎng)，采用平面應(yīng)變（CPE4）單元計(jì)算焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)．在計(jì)算程序中，運(yùn)用單元生死技術(shù)（element birth technique）來實(shí)現(xiàn)多道焊模擬，即在第1道焊接時(shí)，將其他焊道單元全部殺死，當(dāng)?shù)?道焊接完成后，再將第2焊道單元激活，進(jìn)行第2焊道的焊接，以此類推，直到第39焊道焊接完成后激活第40焊道單元．

圖2 有限元模型的網(wǎng)格劃分Fig．2 Grid division of the finite element model

2．2 材料性能參數(shù)

蒸汽管道材料為P92鋼，計(jì)算時(shí)可以將焊材和母材認(rèn)為是相同的，并假定其物理性能在700～1 900℃狀態(tài)下保持不變［6－7］，P92鋼材料的性能參數(shù)如圖3［8］所示．在圖3中，cp為比定壓熱容，J／（kg·K）；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W／（m·K）；a為線膨脹系數(shù)，K－1；E 為彈性模量，Pa；μ 為泊松比；σ為屈服強(qiáng)度，Pa．

圖3 P92鋼材料性能參數(shù)Fig．3 Property parameters of P92steel

2．3 邊界條件與初始條件

在溫度場(chǎng)計(jì)算中，焊件的初始溫度取室溫20℃，在焊件的內(nèi)、外表面均施加對(duì)流和輻射邊界條件，對(duì)流傳熱系數(shù)取10W／（m2·K），輻射發(fā)射率為0．85［7］．在應(yīng)力場(chǎng)分析中，為了防止焊件發(fā)生整體剛性移動(dòng)，在遠(yuǎn)離焊縫處進(jìn)行固定約束．

3 數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究

3．1 焊接溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬

根據(jù)文獻(xiàn)［1］～文獻(xiàn)［3］與P92鋼的冶金學(xué)特點(diǎn)（TC1的溫度在800～835℃，TC3的溫度在900～920℃［9］），P92鋼焊接接頭熱影響區(qū)的IV型蠕變開裂發(fā)生在焊接峰值溫度800～920℃的位置．為了便于觀察，圖4給出了在對(duì)最后一道焊縫（第40道）進(jìn)行焊接時(shí)整個(gè)焊接接頭的總體溫度分布（圖2中的a～h點(diǎn)）．a(chǎn)、b、c、d、e、f、g、h節(jié)點(diǎn)距焊縫中心分別為12．74mm、13．04mm、13．34mm、13．63mm、13．93mm、14．23mm、14．54mm 和 14．84mm．a(chǎn)、b、c、d、e、f、g、h節(jié)點(diǎn)處熱循環(huán)曲線峰值溫度分別為1 280 ℃、1 150 ℃、1 080 ℃、1 000 ℃、900 ℃、850℃、800℃和740℃．可以確定e、f、g節(jié)點(diǎn)（距焊縫中心13．93～14．54mm）處于細(xì)晶熱影響區(qū)與臨界熱影響區(qū)位置，亦即IV型蠕變開裂的產(chǎn)生區(qū)域．

圖4 焊接接頭的溫度分布云圖Fig．4 Contour of temperature distribution in the welded joint

3．2 焊接過程中溫度分布的測(cè)試

采用紅外熱像儀對(duì)管徑為288mm、壁厚為45 mm的P92鋼管焊道焊接過程中溫度分布進(jìn)行了測(cè)試．試驗(yàn)管道與文中模型均屬于厚壁管，且管道的規(guī)格、坡口形式以及焊接參數(shù)幾乎一致，因此試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模擬結(jié)果有較大的參考價(jià)值．圖6為溫度場(chǎng)試驗(yàn)值與仿真模擬結(jié)果的對(duì)比，在圖5中，試驗(yàn)值為管道外壁熱影響區(qū)內(nèi)相應(yīng)位置處的焊接熱循環(huán)峰值溫度，模擬值為各點(diǎn)在第40焊道焊接時(shí)的峰值溫度．從圖5可以看出：試驗(yàn)點(diǎn)的測(cè)試值與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，從而驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性．

圖5 溫度場(chǎng)試驗(yàn)值與模擬結(jié)果的對(duì)比Fig．5 Comparison of temperature field between experimental and simulated results

3．3 焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬

從焊縫中心線至焊縫中心線45mm處的范圍內(nèi)，軸向殘余應(yīng)力S11和等效應(yīng)力（Mises應(yīng)力以及最大主應(yīng)力）分別沿管道外壁路徑1（圖2中的Path1）的分布見圖6．

圖6 沿路徑1的焊接殘余應(yīng)力分布Fig．6 Distribution of welding residual stress along path1

從圖6可知：軸向應(yīng)力S11最大值為242．92 MPa，出現(xiàn)在距焊縫中心線13．93mm的熱影響區(qū)內(nèi)，即e點(diǎn)熱循環(huán)曲線附近，軸向應(yīng)力值向焊縫方向和母材方向均呈逐漸衰減趨勢(shì)，到焊縫中心處衰減為35．14MPa，而到達(dá)母材區(qū)時(shí)軸向應(yīng)力值則衰減至4．85MPa．

3．4 焊接殘余應(yīng)力試驗(yàn)

采用X射線衍射技術(shù)測(cè)量了管徑為550mm、壁厚為80mm的P92管道外壁的軸向焊接殘余應(yīng)力．圖7給出了軸向殘余應(yīng)力的試驗(yàn)結(jié)果．本文的測(cè)試管道屬于厚壁構(gòu)件焊接，且焊接規(guī)范幾乎相同，因此試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有一定的參考價(jià)值．試驗(yàn)點(diǎn)分布在焊縫中心與距焊縫中心線78mm的范圍內(nèi)．在焊縫區(qū)，焊縫中心線布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，之后每隔3mm布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，共布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)．在熱影響區(qū)，采用FeCl3溶液對(duì)焊道表面進(jìn)行侵蝕后，顯現(xiàn)出熔合線，在熔合線上也布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，之后每隔1．5mm布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，共布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)．在母材區(qū)內(nèi)分為2部分：一部分為靠近熱影響區(qū)的位置，共布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，每2個(gè)測(cè)點(diǎn)間隔3mm；另一部分為遠(yuǎn)離熱影響區(qū)的區(qū)域，共布置8個(gè)測(cè)點(diǎn)，每2個(gè)測(cè)點(diǎn)間隔6mm．從圖7可以看出：實(shí)際測(cè)得的軸向殘余應(yīng)力最大值為187．5 MPa，出現(xiàn)在靠近母材的熱影響區(qū)內(nèi)，并且在焊縫區(qū)和母材區(qū)均呈現(xiàn)出衰減趨勢(shì)．

圖7 軸向殘余應(yīng)力的試驗(yàn)結(jié)果Fig．7 Experimental results of axial residual stress

4 等效應(yīng)力分析

在考慮高溫構(gòu)件蠕變損傷與斷裂力學(xué)時(shí)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者常常應(yīng)用到等效應(yīng)力，并重視對(duì)焊后等效應(yīng)力的分析．

當(dāng)蠕變損傷過程是以結(jié)構(gòu)粗化機(jī)制為主導(dǎo)且空洞不多時(shí)，將Mises應(yīng)力作為多軸應(yīng)力下破壞的當(dāng)量應(yīng)力是合適的．但是，如果蠕變損傷過程是以微裂紋和空洞機(jī)制為主導(dǎo)時(shí)，則這種破壞是由最大主應(yīng)力所控制的［10］．對(duì)于IV型蠕變開裂，F(xiàn)GHAZ和ICHAZ內(nèi)的碳化物粗化不僅降低了固溶強(qiáng)化的效果，同時(shí)還降低了沉淀強(qiáng)化的作用，從而導(dǎo)致焊接接頭中該區(qū)域蠕變強(qiáng)度下降［3］．在焊接時(shí)，F(xiàn)GHAZ和ICHAZ受到較低的溫度循環(huán)，在約束條件下，蠕變孔洞和裂紋的形核長(zhǎng)大速度較快，進(jìn)而降低了蠕變強(qiáng)度［1－2］．因此，焊接接頭處的 Mises應(yīng)力和最大主應(yīng)力對(duì)IV型蠕變開裂均有較大影響，應(yīng)加以關(guān)注．

從前面圖7可以看出：Mises應(yīng)力在模擬范圍內(nèi)呈現(xiàn)拉應(yīng)力狀態(tài)，且其變化趨勢(shì)與軸向殘余應(yīng)力的變化趨勢(shì)相同，最大軸向殘余應(yīng)力約為431．43 MPa，出現(xiàn)在e點(diǎn)附近（距焊縫中心線13．93mm處）．同樣，最大主應(yīng)力為467．47MPa，出現(xiàn)在e點(diǎn)附近（距焊縫中心線14．14mm處），且其變化趨勢(shì)與軸向殘余應(yīng)力的變化趨勢(shì)相同．

綜上所述，等效應(yīng)力（Mises應(yīng)力和最大主應(yīng)力）在FGHAZ和ICHAZ附近（e～g點(diǎn)處）達(dá)到最大值，這是由于該處的焊接殘余應(yīng)力過高造成的．因此，等效應(yīng)力的集中是造成P92鋼焊接接頭容易發(fā)生早期IV型蠕變開裂的主要原因之一．

5 結(jié) 論

（1）采用單元生死技術(shù)對(duì)多道焊的焊接過程進(jìn)行了模擬，獲得了焊接接頭的溫度場(chǎng)和殘余應(yīng)力分布．對(duì)焊接熱循環(huán)曲線和殘余應(yīng)力進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試得出，試驗(yàn)值與模擬結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了數(shù)值模擬在焊接過程中的可靠性與準(zhǔn)確性，可以為高溫焊接構(gòu)件的預(yù)測(cè)性維修提供參考．

（2）根據(jù)焊接熱循環(huán)峰值溫度的模擬結(jié)果可以確定細(xì)晶熱影響區(qū)和臨界熱影響區(qū)的確切位置．

（3）Mises應(yīng)力和最大主應(yīng)力在焊縫和熱影響區(qū)內(nèi)均呈拉應(yīng)力狀態(tài)，且其最大值均集中在焊接接頭的細(xì)晶熱影響區(qū)和臨界熱影響區(qū)，因此Mises應(yīng)力和最大主應(yīng)力是控制新型鐵素體高溫焊接構(gòu)件IV型蠕變失效的主要因素之一．

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