超超臨界機(jī)組用T-P92異種鋼焊接接頭結(jié)構(gòu)與性能的研究.pdf

1、新型T/P92馬氏體耐熱鋼以其優(yōu)異的抗蠕變性能、良好的抗腐蝕和高溫抗氧化能力已成為超超臨界機(jī)組過熱器、再熱器以及主蒸汽管道的常用鋼種之一。由于和奧氏體鋼結(jié)構(gòu)上有明顯差異，它與新型奧氏體耐熱鋼之間的異種鋼焊接問題是當(dāng)前鍋爐制造的一大難點(diǎn)。本文分別對T92馬氏體鋼與Super304H，HR3C奧氏體鋼異種鋼焊接接頭的結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行了研究，并對T92/HR3C焊接接頭高溫蠕變性能進(jìn)行了深入探討。同時(shí)借助于有限元分析軟件從理論上分析了焊接過程溫

2、度場變化對焊接接頭力學(xué)性能的影響以及焊后殘余應(yīng)力的分布對焊接接頭蠕變性能的影響。本文具體研究工作及結(jié)果如下：
　　1.采用鎢極氬弧焊(GTAW)焊接工藝對T92與奧氏體鋼HR3C，Super304H分別進(jìn)行焊接，獲得T92/HR3C，T92/Super304H異種鋼焊接接頭。分別對這兩組焊接接頭的微觀組織進(jìn)行了觀察，對于T92/HR3C焊接接頭，研究結(jié)果表明T92母材、T92細(xì)晶區(qū)、T92粗晶區(qū)均為回火馬氏體結(jié)構(gòu)，T92母材過分回

3、火，析出物數(shù)量較其熱影響區(qū)要多。并且細(xì)晶區(qū)晶粒尺寸比母材晶粒尺寸小，粗晶區(qū)晶粒尺寸比母材晶粒尺寸大；HR3C母材、HR3C熱影響區(qū)均為奧氏體結(jié)構(gòu)，晶粒呈圓形狀，且熱影響區(qū)晶粒尺寸比母材晶粒尺寸大；焊縫為奧氏體結(jié)構(gòu)，晶粒呈柱狀。對于T92/Super304H焊接接頭，研究結(jié)果表明T92母材、T92細(xì)晶區(qū)、T92粗晶區(qū)均為回火馬氏體結(jié)構(gòu)，并且細(xì)晶區(qū)晶粒尺寸比母材晶粒尺寸小，粗晶區(qū)晶粒尺寸比母材晶粒尺寸大；Super304H母材、Super3

4、04H熱影響區(qū)均為奧氏體結(jié)構(gòu)，晶粒呈圓形狀，熱影響區(qū)晶粒尺寸比母材晶粒尺寸大；焊縫為奧氏體結(jié)構(gòu)，晶粒呈柱狀。
　　2.對以上兩組焊接接頭采用電子背散射衍射方法(EBSD)進(jìn)行了取向特征分析。結(jié)果顯示焊縫部位的晶粒在焊接過程中形成了沿焊接接頭軸向方向的取向。而焊縫兩側(cè)的熱影響區(qū)雖然受到焊接熱循環(huán)的作用發(fā)生了相轉(zhuǎn)變，但由于熱影響區(qū)非常狹窄，溫度梯度不明顯，所以沒有形成取向。
　　3.對以上兩組焊接接頭的力學(xué)性能進(jìn)行了測試，測試結(jié)

5、果均滿足ASME標(biāo)準(zhǔn)。硬度試驗(yàn)表明焊后熱處理能夠有效改善焊接接頭T92粗晶區(qū)的韌性。彎曲試驗(yàn)表明焊縫具有良好的塑性。拉伸試驗(yàn)表明T92母材為焊接接頭拉伸強(qiáng)度最薄弱的區(qū)域。這主要是由兩個(gè)原因所導(dǎo)致：一方面焊縫產(chǎn)生了軸向取向，軸向拉伸強(qiáng)度得到提高；另一方面T92母材晶粒二次回火，強(qiáng)度降低。T92/Super304H焊接接頭沖擊試驗(yàn)表明焊縫的韌性相對整個(gè)焊接接頭是最弱的。焊縫粗大的柱狀晶使得晶界的強(qiáng)化被削弱，從而導(dǎo)致其韌性下降。
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6、.使用蠕變試樣機(jī)在625℃對T92/HR3C焊接接頭進(jìn)行了高溫蠕變加速試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)高應(yīng)力下蠕變斷裂發(fā)生在T92母材，低應(yīng)力下蠕變斷裂發(fā)生在鄰近焊縫的T92粗晶區(qū)。應(yīng)力較大時(shí)，位錯(cuò)發(fā)生攀巖和滑移，當(dāng)遇到基體內(nèi)的MX析出物時(shí)，MX析出物就會(huì)阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，這樣兩者之間就會(huì)發(fā)生作用產(chǎn)生應(yīng)力集中。隨著時(shí)間的推移，這些應(yīng)力集中的點(diǎn)就會(huì)逐漸發(fā)展成為裂紋源，最終導(dǎo)致穿晶斷裂的發(fā)生。斷口的形貌分析表明此種斷裂為韌性斷裂。應(yīng)力較小時(shí)，由于長時(shí)間高溫作用

7、，導(dǎo)致基體內(nèi)部的C，Cr，F(xiàn)e，W等元素往晶界發(fā)生遷移，從而造成M23C6碳化物粒子的粗大以及Laves相的出現(xiàn)。長大的M23C6以及Laves相在應(yīng)力的緩慢作用下與晶界發(fā)生作用，引發(fā)材料內(nèi)部的空穴在晶界處形核，生成蠕變孔洞，蠕變孔洞不斷擴(kuò)大相連最終導(dǎo)致焊接接頭沿晶斷裂。斷口的形貌分析表明此種斷裂是脆性斷裂。
　　5.根據(jù)焊接接頭625℃獲得的蠕變試驗(yàn)數(shù)據(jù)對T92/HR3C焊接接頭高溫持久強(qiáng)度進(jìn)行了評(píng)估。分別采用了最小二乘法、La

8、rson-Miller方程、Manson-Haferd方程進(jìn)行評(píng)估，三種方法推測的625℃，105h接頭的蠕變斷裂強(qiáng)度均高于當(dāng)前USC機(jī)組的蒸汽壓力參數(shù)，這說明T92/HR3C焊接接頭在625℃條件下能夠安全可靠的服役十萬小時(shí)。
　　6.使用有限元軟件ANSYS對T92/HR3C焊接接頭焊接過程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。焊接溫度場計(jì)算結(jié)果表明焊縫金屬在凝固結(jié)晶的過程中最大溫度梯度方向是沿焊接接頭軸向方向，并且從焊縫中間往兩側(cè)界面溫度值是