焊接残余应力对P92钢Ⅳ型蠕变开裂的影响

P92钢焊接接头在高温长时服役条件下易于在细晶热影响区(FGHAZ)或临界热影响区(ICHAZ)产生Ⅳ型裂纹.但对于Ⅳ型开裂的机理,至今尚未达成一致认识.为了科学地认识Ⅳ型开裂,文中采用大型有限元软件ABAQUS对P92钢焊接接头的温度场、应力场以及蠕变进行了有限元模拟,并且通过X射线测量试验对残余应力模拟值进行了验证...     

P92钢Ⅳ型开裂的显微组织变化

首先分析了P92钢焊接接头的显微组织和硬度分布,然后利用不同时间的P92钢焊接接头持久试验,分析了接头的蠕变损伤演化.结果表明,在650℃和70MPa下,经历3000h的持久试验后,P92钢焊接接头各微区均未发生明显的蠕变损伤;当持久试验时间超过4032h后,在细晶区(FGHAZ)和临界区(ICHAZ)内出现了大量的蠕变空洞,而粗晶区(CGHAZ)和焊缝金属中未出现蠕变空洞;当持久试验时间达到7000h后,细晶区和临界区中的蠕变空洞长大,并有相互连接的趋势;当试验时间达到7026h后,持久试样发生了脆性蠕变断裂,断裂位置在热影响区内,为典型的IV型蠕变开裂.     

内压与焊接残余应力共同作用下高温管道蠕变有限元分析

利用大型有限元分析软件Abaqus的多次顺次耦合功能,先对P91钢高温主蒸汽管道焊接接头焊态和焊后热处理状态进行残余应力分析,然后采用Norton蠕变本构关系,根据P91耐热钢在625℃下焊缝、热影响区和母材的不同蠕变参数,对内压以及内压与热处理后残余应力共同作用下的接头蠕变进行有限元分析,分别得到了焊接残余应力和焊后热处理残余应力的分布规律,同时预测了在高温环境下服役105h后蠕变应变分布.结果表明,由于高温管道的壁厚以及约束等影响,焊后产生了较大的焊接残余应力,通过焊后热处理可以有效地降低焊接残余应力.但由于热处理残余应力的存在,仍对高温管道焊接接头的蠕变有较大影响,并且在焊缝与热影响区的交界处存在着较大的蠕变应变.     

Finite Element Analysis of High Temperature Piping Creep for Considering the Effect of Inner Pressure and Welding Residual Stress

利用大型有限元分析软件Abaqus的多次顺次耦合功能,先对P91钢高温主蒸汽管道焊接接头焊态和焊后热处理状态进行残余应力分析, 然后采用Norton蠕变本构关系,根据P91耐热钢在625℃下焊缝、热影响区和母材的不同蠕变参数,对内压以及内压与热处理后残余应力共同作用下的接头蠕变进行有限元分析,分别得到了焊接残余应力和焊后热处理残余应力的分布规律,同时预测了在高温环境下服役105h后蠕变应变分布. 结果表明,由于高温管道的壁厚以及约束等影响, 焊后产生了较大的焊接残余应力,通过焊后热处理可以有效地降低焊接残余应力.但由于热处理残余应力的存在, 仍对高温管道焊接接头的蠕变有较大影响,并且在焊缝与热影响区的交界处存在着较大的蠕变应变.     

P91钢焊接接头Ⅳ型裂纹力学控制参量有限元模拟

采用有限元方法对马氏体耐热钢（P91）焊接接头在温度为600℃、应力为80MPa下的最大主应力、von Mises等效应力、等效蠕变应变和应力三轴度进行了数值模拟.结果表明,在接头上下坡口交界处细晶热影响区（FGHAZ）两侧的最大主应力和von Mises等效应力很高,蠕变变形主要集中在FGHAZ,等效蠕变应变的最大值位于FGHAZ的底部.受焊缝和母材的强烈拘束,上下坡口交界处FGHAZ内应力三轴度最大,容易形成蠕变裂纹,导致接头蠕变开裂.数值模拟结果与试验获得的IV型裂纹产生、扩展结果一致.因此采用应力三轴度表征IV型裂纹开裂比较合理.     

T92/HR3C异种钢接头的蠕变损伤演化

对T92/HR3C异种钢焊接接头进行温度为650℃、应力为90 MPa的系列蠕变中断试验,利用光学显微镜、扫描电子显微镜对经过不同蠕变寿命分数试样的显微组织和蠕变孔洞损伤进行了观察与定量,并测试了接头蠕变断裂后的硬度分布.结果表明,T92/HR3C异种钢接头断裂在T92侧细晶粒热影响区(FGHAZ),断裂方式为IV型开...     

P91管道焊接残余应力数值模拟

Cr-Mo耐热钢最常见的问题是发生于焊接接头热影响区的Ⅳ型裂纹引起的失效,焊接残余应力水平起着重要的作用。本文基于大型有限元软件ABAQUS,开发了一个顺次耦合的焊接应力计算程序,对P91钢焊接接头的残余应力场进行了模拟。研究结果表明:轴向和径向残余应力均呈拉应力状态;焊接残余应力最大值集中在靠近母材的热影响区附近,并且焊接残余应力集中部位与Ⅳ型裂纹的发生位置相一致。     

固态相变对P92钢焊接接头残余应力的影响

采用光学显微镜、显微硬度仪和盲孔法研究了P92钢平板焊接接头的微观组织、显微硬度和表面残余应力分布.同时,基于SYSWELD软件开发了考虑材料固态相变的热-冶金-力学耦合的有限元计算方法,并采用该方法模拟了P92钢的Satoh试验和单道堆焊接头的温度场及应力场分布,探讨了固态相变引起的体积变化、屈服强度变化和相变塑性(TRIP)对焊接残余应力形成过程及最终残余应力分布的影响.实验结果表明,P92钢平板焊接接头焊缝组织为淬火马氏体,其平均显微硬度为440 HV,母材(BM)组织为回火马氏体,其显微硬度为240 HV.Satoh试验的数值模拟表明,固态相变引起的体积变化和屈服强度变化不仅对残余应力的形成过程及最终应力的分布和峰值大小有显著影响,甚至可以改变应力的符号;而TRIP效应则具有减缓因体积膨胀和屈服强度变化所引起应力变化趋势的作用.进一步的计算结果表明,P92钢堆焊接头焊缝和热影响区(HAZ)的纵向残余应力为压应力,而靠近HAZ的BM上存在较大的纵向拉应力,峰值为600 MPa,该值超过了P92钢的室温屈服强度;整个焊接接头的横向残余应力峰值为130 MPa,远小于其纵向残余应力的峰值.数值计算结果与盲孔法测量得到的结果比较吻合,表明了所开发的热-冶金-力学耦合的有限元计算方法有较高的计算精度.     

焊接接头残余应力及蠕变损伤的有限元模拟

基于大型有限元软件Abaqus及其用户子程序(Umat)功能,开发了焊接残余应力与蠕变损伤耦合计算程序,对高温用焊接接头残余应力作用下的蠕变损伤行为进行有限元模拟,并与无焊接残余应力状态下的蠕变损伤情况进行比较.研究结果表明,在炉管焊接状态下,焊接残余应力最大值集中在焊缝和热影响区处,并且轴向与环向残余应力较高.在高温环境下,焊接接头初始态焊接残余应力较高,虽然在短时间内应力松弛到较低的水平,但其蠕变损伤仍较大程度地受焊接残余应力的影响,蠕变损伤分布与焊接残余应力的分布基本一致.     

Finite Element Simulation for Welding Residual Stress and Creep Damage of Welded Joint

基于大型有限元软件Abaqus及其用户子程序(Umat)功能, 开发了焊接残余应力与蠕变损伤耦合计算程序, 对高温用焊接接头残余应力作用下的蠕变损伤行为进行有限元模拟, 并与无焊接残余应力状态下的蠕变损伤情况 进行比较. 研究结果表明, 在炉管焊接状态下, 焊接残余应力最大值集中在焊缝和热影响区处, 并且轴向与环向 残余应力较高. 在高温环境下, 焊接接头初始态焊接残余应力较高, 虽然在短时间内应力松弛到较低的水平, 但 其蠕变损伤仍较大程度地受焊接残余应力的影响, 蠕变损伤分布与焊接残余应力的分布基本一致.     

超超临界1000MW机组P92钢焊接接头开裂原因分析及修复

通过资料调查、现场勘查和取样检测,比较全面地研究了1 000 MW超超临界机组P92钢焊接接头开裂原因。经分析认为,焊接接头裂纹类型为Ⅳ型蠕变裂纹,材料本身特质、服役温度、焊接接头应力状态是决定Ⅳ型裂纹早期产生的先决条件。在高温运行条件以及机组启停过程中,低旁暖管膨胀变化产生较大的管道二次应力,细晶区产生了蠕变损伤,并发展成裂纹。通过机械切割的方法将失效焊接接头切除后,成功进行了焊接修复,并对修复后的焊接接头应力状态进行了优化,可为P92钢焊接接头早期Ⅳ型开裂的预防和处理提供经验借鉴。     

不同异种钢管道焊接接头残余应力的数值模拟

利用有限元软件ABAQUS,开发了一个顺次耦合的热应力有限元计算程序,对0Cr18Ni9/20和1Cr5Mo/20异种钢焊接接头残余应力进行了有限元模拟分析.结果表明,无论是采用奥氏体不锈钢焊条A302焊条还是镍基焊条Incone182焊条,0Cr18Ni9/20钢和1Cr5Mo/20钢焊接接头中最大的轴向残余应力和环向残余应力产生在20钢侧的热影响区,0Cr18Ni9侧有最小的焊接残余应力.采用Incone182来代替A302可以有效地降低残余应力值,提高抗应力腐蚀开裂的能力.     

P92钢焊接接头蠕变本构关系

通过热处理方法模拟焊接热循环,在 3.53 K/s 的升温速度下制备 P92 钢焊接热影响区各微区的模拟组织试样,通过单轴蠕变试验获得 923K 下 P92 钢熔敷金属、热影响区各微区和母材组织不同应力水平下的单轴蠕变数据,用最小二乘法拟合得到 P92钢焊接接头各区域组织在稳态蠕变条件下的蠕变本构方程.结果表明,相比焊接接头其它微区组织,试验应力较低时,细晶区的蠕变应变率最大,因此在低应力下细晶区容易发生蠕变开裂;随着应力水平的增加,焊接接头和母材蠕变速率逐渐超过细晶区,蠕变断裂易发生在焊缝或母材上.

Abstract：

The welding heat thermal cycle was simulated through the heat treating method, and the simulated microstructures of the coarse grain heat-affected zone (CGHAZ), fine grain heat-affected zone (FGHAZ) and intercritical heat-affected zone (ICHAZ)of P92 steel were prepared by using a furnace at 3.53 K/s of heating rate. The uniaxial creep data of the base metal, deposited metal and simulated CGHAZ, FGHAZ and ICHAZ specimens were obtained through the creep tests under the temperature of 923 K, and the creep constitutive equations of each material were obtained too. The result shows that the creep strain rate of FGHAZ is higher than the other zones of the welded joint under the low stress. So the creep rupture is easy to occur in te FGHAZ. In addition, the creep properties are obviously different among the CGHAZ, FGHAZ and ICHAZ, which indicate the HAZ has the obvious material heterogeneity.     

异种钢管子对接焊热处理前后残余应力的数值模拟

采用热-粘弹塑性有限元模型,在考虑蠕变效应的基础上,对同种及异种钢管子环焊缝焊接及焊后热处理过程进行了数值模拟.计算结果表明,经过热处理过程后,管子焊接接头的残余应力有显著的降低,约为初始状态的1/3.在热处理后期,两种接头的残余应力均出现了一定程度的回升现象.基于在相同的计算条件下,异种钢焊接接头残余应力要高于同种钢.同时,比较了过渡层对接头残余应力的影响,发现过渡层宽度对于降低异种钢焊接接头残余应力水平有重要影响.     

焊接残余应力下氢扩散的数值模拟

利用有限元软件ABAQUS,开发了一个焊接残余应力作用下氢扩散的耦合有限元计算程序,对湿硫化氢环境下16MnR钢液化石油气球罐焊接接头焊态残余应力诱导氢扩散的分布规律进行数值模拟,并与无应力状态下的氢扩散进行了比较,为掌握焊接接头氢致开裂的判据打下基础.结果表明,在焊接残余应力作用下,氢向高应力区富集,经过一段时间后,达到稳定.在热影响区附近,形成一个氢浓度低谷,两侧分别形成浓度梯度界面和应力梯度界面,能够诱导氢向高应力区长程扩散.     

P92/IN625异种钢焊接残余应力数值模拟

为研究P92/IN625异种钢焊接接头的残余应力分布特征,基于焊接专用有限元模拟软件SYSWELD,开发了考虑材料固态相变和加工硬化因素的"热-冶金-力学"耦合的有限元计算方法。利用所开发的计算方法,对P92/IN625异种钢对接接头的焊接温度场和残余应力分布进行模拟,并将残余应力模拟结果与文献中获取的中子衍射法和深孔法试验数据进行对比。研究结果表明,轴向和周向的残余应力的计算结果都与试验值比较吻合,验证所开发的有限元计算方法的合理性。     

多重热循环和约束条件对P92钢焊接残余应力的影响

系统地研究了在经受多重热循环的作用下,P92钢板中焊接残余应力的演化过程与形成机理。基于SYSWELD有限元软件,开发了计及"热-冶金-力学"耦合的计算方法,数值模拟了Satoh试验和2道重熔平板接头的应力场。在数值模拟中,详细考虑了固态相变引起的体积变化、屈服强度变化和相变塑性对残余应力形成过程的影响。同时,采用了盲孔(HD)法和X射线衍射(XRD)法测量了P92钢两道非熔化极气体保护焊(TIG)重熔的平板接头残余应力分布。计算结果和实验结果表明2者吻合较好,验证了所采用的计算方法的有效性和准确性。模拟结果表明,P92钢两道重熔平板接头的纵向残余应力呈现出清晰的拉-压相间分布形态。每道焊缝及其热影响区(HAZ)的纵向残余应力为压应力,HAZ外侧附近产生了较大的纵向拉应力。此外,还采用数值模拟方法探究了横向拘束对焊接残余应力的影响,数值模拟结果表明,横向约束可以明显降低横向残余应力,特别是焊缝端部的应力峰值。     

焊接残余应力对焊接接头蠕变性能的影响

应用大型有限元分析软件ABAQUS及其RESTART功能,建立了焊接温度场模型、残余应力场模型和蠕变分析模型.使用焊接残余应力作用下蠕变的顺次耦合有限元计算方法,对Cr5Mo加热炉炉管焊接接头残余应力和蠕变进行了数值模拟.计算方法为掌握复杂的焊接残余应力对高温炉管焊接接头的蠕变影响奠定了基础.比较了考虑焊接残余应力和仅承受内压两种工况下的炉管接头蠕变情况.结果表明,虽然焊接残余应力在短时间内松弛,但焊接残余应力决定了炉管的蠕变变形,焊接残余应力是影响炉管蠕变的重要因素.     

换热器管子与管板焊接接头残余应力的数值模拟

基于ANSYS平台对油浆蒸发器伸出管板角接头的焊接残余应力进行数值模拟,获得了焊接接头的残余应力分布,成功的解决了焊缝的环形行走和不同部位之间的热传导问题.有限元分析结果表明.接管环焊缝的残余应力分布具有局部性的特点,高应力危险区集中在焊缝周围的管板热影响区.本文焊接条件下管接头环焊缝最大径向焊接残余应力出现在临近焊接热影响区的焊缝根部,对导致出现应刀腐蚀开裂起主要作用.合理的预热措施使最大环向焊接残余应力降低20%左右,同时管桥表面应力也得到明显改善,这就有效降低了管板表面出现应力腐蚀开裂的风险.     

应力应变、疲劳与脆断、断裂力学

不同异种钢管道焊接接头残余应力的数值模拟 利用有限元软件ABAQUS,开发了一个顺次耦合的热应力有限元计算程序,对0Cr18Ni9／20和1Cr5Mo/20异种钢焊接接头残余应力进行了有限元模拟分析。结果表明,无论是采用A302奥氏体不锈钢焊条还是Incone182镍基焊条,0Cr18Ni9／20钢和1Cr5Mo/20钢焊接接头中最大的轴向残余应力和环向残余应力产生在20钢侧的热影响区,0Cr18Ni9侧有最小的焊接残余应力。