SA213-T92鋼焊管殘余應力的高溫松弛行為

李忠杰

（上海鍋爐廠有限公司，上海 200245）

0 引 言

殘余應力可導致零件尺寸不穩定，甚至開裂破壞。退火是消除殘余應力最常見的方法之一。然而大型結構件的整體退火十分困難，通常是只對構件的高應力區進行局部加熱，以此來有效降低殘余應力水平（稱為殘余應力的熱松弛）。殘余應力熱松弛是一種熱力學過程，不但受加熱溫度和時間的影響，而且還與殘余應力狀態及其不均勻性有關。促使殘余應力松弛的外界因素可以是加熱溫度也可以是外加載荷，在高溫加熱條件下構件的宏觀殘余應力和微觀殘余應力均會發生松弛現象，其實質是材料中的彈性應變能通過局部塑性變形的方式逐漸釋放，從微觀上講則是在回復和再結晶過程中存在原子擴散和位移的過程［1－5］。

先進超超臨界發電機組700℃鍋爐水冷壁組件材料采用的是SA213-T92馬氏體鋼（以下簡稱T92鋼）。通常在水冷壁管排上需焊接填板、剛性梁等附件，附件與管排焊接后必然在焊接區域產生較大的焊接殘余應力與約束殘余應力，其中的殘余拉應力會對組件產生一些不良影響，例如導致構件的開裂失效等。研究殘余應力狀態及其熱松弛行為，是制定實際構件退火去應力工藝的基礎。雖然目前對于焊接件殘余應力的研究比較多［6－8］，但國內還沒有類似材料水冷壁的制造經驗，為了保證這類水冷壁組件在長期服役過程中的可靠性，迫切需要分析與評價不同結構形式、不同熱處理狀態下這類水冷壁組件的殘余應力大小及其分布形式。為此，作者通過測定T92鋼焊管退火處理前后殘余應力，分析了殘余應力的高溫松弛行為，并進行了高溫松弛動力學計算。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為SA213-T92鋼管，尺寸φ38.1mm×6.8mm，管材來源于上海鍋爐廠有限公司，該鋼材主要用于鍋爐水冷壁組件。完成對附件的焊接后，采用加熱爐在600，650，700，750℃下分別對試樣整體進行不同時間的退火熱處理。焊接接頭形貌如圖1所示，在接頭的縱向由上至下選擇A、B、C、D及E共5條檢測線，每條線上由基體至焊縫再至基體共選擇11個測試點，分別研究這些部位的焊接殘余應力及其熱松弛行為，測試點位置及對應接頭部位如表1所示。

借助Proto-8818型電解拋光機，對檢測表面進行電化學腐蝕和拋光，工作參數為15V及2A，電解液為飽和食鹽水。各測試點的電化學腐蝕面積約10mm2，腐蝕深度約100μm。

圖1 焊接接頭的宏觀形貌Fig.1 Macrograph of the welded joint

利用Proto-iXRD型便攜式X射線應力分析儀，檢測焊接管各點縱向殘余應力和橫向殘余應力，管電壓20kV，管電流5mA，鉻靶Kα輻射，V濾波片，準直管直徑1mm，選取Fe（211）衍射晶面作為應力測量面，探測器采用512通道位敏探測器，測試過程中衍射角2θ范圍為19°，采用同傾衍射幾何方式，ψ角范圍為±45°，為了優化測量，內優化設置采用17站。應力計算過程中的需要用到的X射線彈性常數S2/2＝5.92×10－6MPa－1及S1＝－1.28×10－6MPa－1，材料無應力狀態衍射角為156.4°，執行 ASTM-E915－2010、EN15305－2008 和 GB 7704－2010標準。

表1 試驗焊管表面檢測位置及對應接頭部位Tab.1 The measurement positions on the surface of welded pipe and their corresponding parts of the joint

2 試驗結果與討論

2.1 焊管表面殘余應力分布

由圖2可知，退火前焊管表面縱向殘余應力高于橫向的，但兩者分布趨勢相似，在焊縫與母材交界處殘余拉應力最高（5＃和7＃測試點處），在焊縫中心也存在殘余拉應力，但比交界處略小；離焊縫越遠的地方殘余拉應力越小；有些地方存在很小的殘余壓應力（2＃測試點處約為－120MPa）。

由圖3可以發現，不同溫度退火后焊管接頭表面的殘余應力比退火前均有所下降，經600℃×4h退火以后焊縫處的縱向殘余應力仍然高于橫向的，兩者殘余拉應力峰值分別在200MPa和100MPa左右；隨著退火溫度的升高，焊縫的殘余拉應力逐漸降低，經750℃×4h退火后，焊縫區縱向和橫向平均殘余拉應力峰值都基本穩定在20～25MPa。從表2可見，在退火加熱過程中，縱向和橫向平均殘余拉應力都在減小，退火溫度越高，減小越多，當退火溫度為750℃時候，焊縫區平均拉應力基本消失。

2.2 焊接殘余應力的高溫松弛動力學

從圖4可以看到，隨著退火時間的延長，殘余應力按冪指數的規律發生松弛，溫度越高殘余應力的松弛程度就越明顯。這是因為殘余應力的存在，使材料中局部區域在高溫條件下必然發生蠕變現象，蠕變等效應變速率可表示為［9］

式中：σ為殘余應力；A為材料常數；n為應力指數；Q為蠕變激活能；t為應力松弛時間；T為熱力學溫度；R 為氣體常數，8.31J·mol－1·K－1

圖2 退火前焊管表面的殘余應力面分布Fig.2 The distribution of residual stress along the longitudinal（a）and transverse（b）directions on the surface of welded pipe

圖3 經不同工藝退火后焊管表面的殘余應力分布Fig.3 The distribution of residual stress on the welded pipe surface after different annealing treatments

表2 不同退火工藝后焊管表面的平均殘余應力Tab.2 The average residual stress of the welded pipe surface after different annealing treatments MPa

當材料局部發生蠕變即塑性應變量增加時，彈性應變隨之減小，造成該區域殘余應力降低。殘余應力改變量dσ與蠕變應變改變量dε之間的關系為

結合式（1）和（2），可得到

對（3）式積分后可得到

式中：σ0為最初（t＝0）的殘余應力；σ為在高溫（T）下松弛一段時間（t＞0）后的殘余應力。

圖4 不同工藝退火后焊縫表面殘余應力的松弛動力學曲線Fig.4 The relaxation kinetic curves of residual stress on the surface of welded pipe after different annealing treatments

根據式（4）及圖4中的數據，借助計算機程序進行回歸分析，求得系數系數B為5.07×104，應力指數n為4.4，應力松弛激活能Q為242kJ·mol－1，與鋼鐵材料應力指數及自擴散激活能相當。材料的高溫蠕變及應力松弛行為通常與基體原子擴散及位錯運動等有關。當基體原子擴散及位錯運動阻力增大時，則表現出高的應力指數及應力松弛激活能［10－14］。

3 結 論

（1）退火前試驗鋼焊管接頭表面的縱向殘余應力高于橫向的，兩者分布規律相似，在焊縫與母材交界處殘余拉應力最高，焊縫中心稍低；離焊縫越遠，殘余拉應力越小；有些地方還出現很小的殘余壓應力。

（2）不同溫度退火后焊管接頭表面的殘余應力比退火前均有降低，隨著退火溫度的升高，殘余拉應力逐漸降低；當退火溫度為750℃時，焊縫的拉應力基本消失。

（3）根據不同退火溫度下焊縫區殘余應力的熱松弛動力學曲線，求得蠕變等效方程中的系數B為5.07×104，應力指數n為4.4，應力松弛激活能Q為242kJ·mol－1，與鋼鐵材料應力指數及自擴激活散能相當。

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