固态相变对p92钢多层多道焊接残余应力影响的分析-analysis of influence of solid phase transformation on residual stress of p92 steel multi-layer multi-pass welding.docx

中文摘要中文摘要重庆大学硕士学位论重庆大学硕士学位论文II PAGE PAGE VI摘 要电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。由于 P92 钢的合金成分特点，在焊接过程中，即使在空冷的条件下，焊 缝及热影响区也几乎全为马氏体，因此，焊接时有一定冷裂纹敏感性。在服役中 的 P92 钢焊接接头的主要失效形式是热影响区附近的 IV 型裂纹，虽然 IV 裂纹的 机制目前尚不十分清楚，但不少学者认为焊接残余应力对 P92 钢焊接接头 IV 型裂 纹的诱发可能有较大的影响。另一方面，在采用焊接方法修复 P92 钢构件时，一 般难以进行焊后热处理，故焊接残余应力也难以得到减缓和改善，因此，在这类 接头中焊接残余应力是个十分值得关注的问题。基于以上两点，P92 钢焊接接头的 残余应力成为了目前的研究热点之一。本文在焊接专用软件 SYSWELD 的基础上，开发了考虑固态相变的“热-冶金-力学”耦合有限元计算方法，来模拟 P92 钢焊接过程中的温度场、组织场和残余 应力。制备接头金相，观察了焊接接头的组织分布并测量了硬度，验证了组织场 计算的准确性。采用小孔法测量了焊接接头的残余应力，同时也引用了现有文献 中采用中子法测得的应力值来与计算结果进行比较。通过实验值与模拟值的对比， 验证了本文所开发有限元计算方法的有效性和妥当性。单道焊接计算中，通过精 心设计计算模型，基于计算结果详细考察了固态相变产生的体积膨胀效应、屈服 强度变化和相变塑形对 P92 钢焊接残余应力的影响。通过对 P92 钢两道 TIG 重熔 焊接过程的模拟分析，澄清了 P92 钢在多重热循环焊接过程中的“温度-组织-应力” 演化过程，阐明了固态相变对焊接残余应力的影响机制。通过对 P92 钢四道重熔 焊接的数值计算，得到了多层焊接应力分布，同时通过不同层间温度的设置，考 察了层间温度对 P92 钢焊接残余应力的影响。预测了 P92 钢中、厚板对接接头的 焊接残余应力分布。研究结果表明：焊缝及 HAZ 马氏体相变引起的体积膨胀对 P92 钢焊接残余应 力有十分显著的影响，不仅可以改变纵向应力值的大小，甚至可以改变其应力的 符号；屈服强度的变化对焊接残余应力有较大的影响；相变塑形对焊接残余应力 有一定的“松弛”效应。多层多道焊接过程中，后焊焊道对先焊焊道的残余应力分布有显著的影响。整体而言，在多层多道焊接时，最后盖面焊道层相对于其它焊道层而言对整个接头的残余应力的最终分布影响最大，而且最后一道焊道对整 个焊接接头残余应力最终分布的影响在所有焊道中也是最大的。本文采用所开发考虑固态相变的“热-冶金-力学”耦合有限元计算方法，分别 模拟计算了 P92 钢 3 层 5 道及 6 层 11 道中、厚板焊接接头的残余应力，所得结果 对工程实际中 P92 钢焊接构件的接头评价及寿命评估有一定的参考意义。此外， 本文所开发的考虑固态相变的“热-冶金-力学”耦合有限元计算方法对焊接过程中 发生固态相变的其它材料，如碳当量较高的结构钢和低温相变钢等的焊接残余应 力的数值模拟也有较大的参考和借鉴意义。关键词：P92 钢，固态相变，数值模拟，焊接残余应力，层间温度英文摘要英文摘要重庆大学硕士学位论重庆大学硕士学位论文IIIIII PAGE PAGE IVABSTRACTElectric power industry is the basis of economy and society, and the thermal power generation will still play an important role in China even in the world in next several decades. The super/ultra-supercritical advanced power plants with high thermodynamic efficiency will be a solution to the problems of the increasing demand for electricity and the ensuing environmental pollution. P92 steel has been widely