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P92钢焊接接头IV型蠕变开裂机理及预测方法研究

马崇  
【摘要】: 超超临界发电机组主蒸汽管道采用P92钢制造,其焊接接头的高温蠕变性能是薄弱环节之一。本文针对P92钢焊接接头中最危险的IV型蠕变开裂,对其开裂机理及蠕变损伤的演化过程及数值计算预测技术进行了深入研究。 本文对P92钢焊接接头进行了650℃和70MPa下的蠕变试验,经7000多小时的蠕变试验后,发生典型的IV型蠕变开裂,并通过显微组织分析和有限元方法分析了IV型开裂机理。 显微组织分析表明,P92钢焊接接头的IV型蠕变开裂过程即为细晶区的蠕变损伤过程。在焊接过程中,原先母材中粗大奥氏体晶界上的碳化物没有完全溶解,而是在焊接后形成的细晶区的晶界上析出。在高温蠕变中,细晶区中原来起强化作用的碳化物减少,而晶界上的碳化物长大及在晶界上生成新的粗大碳化物,成为蠕变空穴的形核源,导致细晶区的蠕变性能降低。当晶界上的蠕变空穴长大、聚合及连接后,发生晶界分离,随着分离的晶界不断增加,在原先的奥氏体晶界上形成微裂纹,直至试样发生断裂。 采用热处理法制备了P92钢焊接粗晶区和细晶区的模拟组织,并与焊逢金属和母材组织一起,通过单轴蠕变试验获得了接头各微区的蠕变曲线及蠕变参数,建立了描述接头各微区蠕变损伤的改进的K-R方程,并自行编写了具有高计算精度的、与ABAQUS软件接口的用户材料子程序UMAT,实现了对P92钢焊接接头的蠕变损伤的有限元计算。 有限元分析结果表明,除了试验应力和细晶区的低蠕变强度,IV型蠕变开裂还与应力再分布和应力三轴度有关。应力再分布对IV型开裂起到一定的阻碍作用,这是因为应力再分布使得细晶区承受的拉应力降低,而与细晶区临近的粗晶区和母材中的拉应力增加。 另外,由于低蠕变强度的细晶区被夹在高蠕变强度的粗晶区(焊缝金属)和母材之间,接头在承受拉伸载荷下,会引起细晶区的应力三轴度高于与其临近的粗晶区和母材。高应力三轴度可促进细晶区内蠕变空穴的萌生和长大,从而促进细晶区蠕变损伤的更快发展,而试样中心处较高的应力三轴度也使得试样中心处先出现蠕变损伤,并从试样中心向外表面发展,最终发生蠕变断裂。 根据对IV型蠕变开裂机理的研究,提出在焊接前对P92钢管进行多次短时间的正火热处理,尽可能溶解母材奥氏体晶界上的碳化物,可在一定程度上抑制P92钢焊接接头IV型开裂的倾向。


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