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(guò)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(wèn)題是當(dāng)前鍋爐制造的一大難點(diǎn)。本文分別對(duì)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(duì)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(guò)程溫

2、度場(chǎng)變化對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)這兩組焊接接頭的微觀組織進(jìn)行了觀察，對(duì)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(guò)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(duì)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(duì)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(guò)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(méi)有形成取向。
　　3.對(duì)以上兩組焊接接頭的力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)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(duì)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?cè)嚇訖C(jī)在625℃對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)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?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)對(duì)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(cè)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(shuō)明T92/HR3C焊接接頭在625℃條件下能夠安全可靠的服役十萬(wàn)小時(shí)。
　　6.使用有限元軟件ANSYS對(duì)T92/HR3C焊接接頭焊接過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。焊接溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果表明焊縫金屬在凝固結(jié)晶的過(guò)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