P92钢焊接残余应力场及对高温寿命的影响研究

【摘要】：P92钢因具有优良的热强性已广泛应用于超超临界发电机组主蒸汽管道，主蒸汽管道焊接接头焊接后存在焊接残余应力，不可避免对结构在服役中的安全造成影响，需要进行焊后热处理来改善组织和调整焊接残余应力状况，因此研究P92钢焊接接头焊接残余应力的状况及对高温蠕变寿命的影响具有重要意义。 本文分别采用X射线衍射测试及压痕法对焊接接头焊后和热处理后的焊接残余应力进行测试，掌握了P92钢管焊接接头表面焊接残余应力的状况。通过有限元方法，模拟了P92钢管的焊接过程，通过其温度场，计算了焊接残余应力场，计算结果与实际测量结果相符，获得正确的P92钢焊接过程拟实技术。 采用柔性陶瓷电阻加热方法，研究P92钢管道焊后局部热处理工艺，并运用有限元分析手段，模拟局部热处理过程，获得温度场分布，并结合试验数据的验证，开发了模拟现场工况下的P92钢管局部热处理数值模拟技术；运用该模拟技术，针对现场工况下的大长度P92管道，从局部热处理效果出发，研究了大壁厚范围内不同规格P92管道局部热处理的加热面积和保温面积新准则，修正了以前国内外标准或规范的不足。 通过对P92钢高温管道焊接接头蠕变模拟，发现由于焊接残余应力的存在，对高温管道蠕变应变产生了较大的影响，焊后残余应力决定了高温管道焊接接头的蠕变变形，对轴向蠕变的影响尤为显著，在其高温强度设计中不可忽略焊接残余应力的影响。 对有/无残余应力的P92钢CT试样进行了蠕变裂纹扩展试验，结果表明引入残余应力后，蠕变裂纹扩展速率明显提高；在残余应力与拉伸载荷共同作用下，试样缺口尖端最大蠕变变形情况相比于两者单独作用时有了明显的提高，并且不是两者单独作用时蠕变的简单叠加，而是加剧了蠕变变形。 用基于参考应力的C*计算方法，预测了在焊接残余应力与拉伸载荷共同作用下的蠕变裂纹增长情况，得到了对蠕变裂纹扩展的保守估计；提出了改进的初始应力强度因子计算方法，改进后的基于参考应力的C*计算方法可获得更准确的预测结果。