超超臨界機組用T-P92異種鋼焊接接頭結構與性能的研究.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。由于和奧氏體鋼結構上有明顯差異，它與新型奧氏體耐熱鋼之間的異種鋼焊接問題是當前鍋爐制造的一大難點。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構與性能進行了研究，并對T92/HR3C焊接接頭高溫蠕變性能進行了深入探討。同時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性能的影響以及焊后殘余應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行了觀察，對于T92/HR3C焊接接頭，研究結果表明T92母材、T92細晶區(qū)、T92粗晶區(qū)均為回火馬氏體結構，T92母材過分回

3、火，析出物數量較其熱影響區(qū)要多。并且細晶區(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)均為奧氏體結構，晶粒呈圓形狀，且熱影響區(qū)晶粒尺寸比母材晶粒尺寸大；焊縫為奧氏體結構，晶粒呈柱狀。對于T92/Super304H焊接接頭，研究結果表明T92母材、T92細晶區(qū)、T92粗晶區(qū)均為回火馬氏體結構，并且細晶區(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)均為奧氏體結構，晶粒呈圓形狀，熱影響區(qū)晶粒尺寸比母材晶粒尺寸大；焊縫為奧氏體結構，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)進行了取向特征分析。結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性能進行了測試，測試結

5、果均滿足ASME標準。硬度試驗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。彎曲試驗表明焊縫具有良好的塑性。拉伸試驗表明T92母材為焊接接頭拉伸強度最薄弱的區(qū)域。這主要是由兩個原因所導致：一方面焊縫產生了軸向取向，軸向拉伸強度得到提高；另一方面T92母材晶粒二次回火，強度降低。T92/Super304H焊接接頭沖擊試驗表明焊縫的韌性相對整個焊接接頭是最弱的。焊縫粗大的柱狀晶使得晶界的強化被削弱，從而導致其韌性下降。
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6、.使用蠕變試樣機在625℃對T92/HR3C焊接接頭進行了高溫蠕變加速試驗。結果發(fā)現高應力下蠕變斷裂發(fā)生在T92母材，低應力下蠕變斷裂發(fā)生在鄰近焊縫的T92粗晶區(qū)。應力較大時，位錯發(fā)生攀巖和滑移，當遇到基體內的MX析出物時，MX析出物就會阻礙位錯的運動，這樣兩者之間就會發(fā)生作用產生應力集中。隨著時間的推移，這些應力集中的點就會逐漸發(fā)展成為裂紋源，最終導致穿晶斷裂的發(fā)生。斷口的形貌分析表明此種斷裂為韌性斷裂。應力較小時，由于長時間高溫作用

7、，導致基體內部的C，Cr，Fe，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。長大的M23C6以及Laves相在應力的緩慢作用下與晶界發(fā)生作用，引發(fā)材料內部的空穴在晶界處形核，生成蠕變孔洞，蠕變孔洞不斷擴大相連最終導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.根據焊接接頭625℃獲得的蠕變試驗數據對T92/HR3C焊接接頭高溫持久強度進行了評估。分別采用了最小二乘法、La

8、rson-Miller方程、Manson-Haferd方程進行評估，三種方法推測的625℃，105h接頭的蠕變斷裂強度均高于當前USC機組的蒸汽壓力參數，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。
　　6.使用有限元軟件ANSYS對T92/HR3C焊接接頭焊接過程進行了數值模擬分析。焊接溫度場計算結果表明焊縫金屬在凝固結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界面溫度值是