熱處理對P91鋼管道窄間隙全位置TIG自動焊接頭殘余應力的影響

吳闖，賀海波，席晉輝，劉奎林，馮英超，劉金平，李金飛

1.核工業工程研究設計有限公司 北京 102401

2.中國核工業二三建設有限公司 北京 102401

1 序言

P91鋼具有良好的高溫力學性能，在發電廠主蒸汽管道中應用十分廣泛[1，2]。管道焊接接頭內部存在殘余應力，必然會對其在服役中的安全造成影響，因此焊后熱處理的作用主要是改善接頭組織和焊接殘余應力情況[3，4]。殘余應力是材料在加工過程中產生的平衡于自身內部的一種不穩定應力狀態，當管道在焊接過程中，由于溫度不均引起殘余應力，因此在冷卻過程中往往會發生形變，影響焊縫成形。殘余應力嚴重影響了焊件的疲勞強度、靜強度及抗腐蝕性能，使焊件在焊接后產生變形和裂紋等缺陷，進而影響焊件的使用壽命。P91鋼作為一種新型馬氏體耐熱鋼，由于合金含量高，因此在焊接時有強烈的淬硬傾向，冷裂紋敏感性強，再者用于大直徑、中厚壁的管，導致整體結構剛性和拘束度增大，焊后冷卻時接頭處殘余應力大也增加了冷裂紋傾向。后熱處理是為了降低焊接殘余應力，促進氫的逸出，提高組織穩定性，以及改善焊接接頭綜合力學性能。

本文通過對熱處理態及原始焊態下的P91管道窄間隙全位置T I G自動焊焊接接頭殘余應力的研究，探究熱處理對其殘余應力的影響規律。

2 測試對象

待測試件為P91鋼管道窄間隙全位置TIG自動焊環焊縫2個：一個為熱處理態（編號為P1），另一個為原始焊態（編號為P2）。其中P1試件焊接完成后降溫至92℃保溫2h，而后升溫至760℃進行熱處理；P2試件焊接完成后降溫至90℃保溫2h，而后進行后熱，未進行熱處理。

測試位置如圖1所示，分別對管道焊接過程中的12點鐘、3點鐘、6點鐘和9點鐘4個位置進行殘余應力測試。每個位置的布點如圖2所示，每隔10mm測試一次，共5個點。

圖1 測試位置

圖2 每個位置的點位分布

3 殘余應力計算

按照式（1）、式（2）分別計算沿軸向殘余應力和周向殘余應力：

式中，C1=（A+B）/4A B；C2=（B－A）/（A+B）。A、B為應變釋放系數，其數值與材料力學性能、盲孔幾何尺寸以及殘余應力水平有關，其數值根據標定試驗獲取[3]。

4 試驗開展

4.1 殘余應力試驗

目前，測量殘余應力的方法可分為機械釋放測量法和無損測量法兩種。機械釋放測量法是將具有殘余應力的部分從總體中分割出來使應力得到釋放，通過測量其發生的應變得出殘余應力值，其中鉆孔法是應用最廣泛的方法之一，該方法擁有以下優點：操作簡便、對構件破壞性小、測量精度較高且設備較便宜。無損測量法即物理檢測法，包括X射線法、X射線衍射法等，由于設備昂貴、成本較高，因此應用較少，故采用鉆孔法測量。

使用拋光機打磨去除待測部位焊縫余高，然后用砂紙對待測部位進行打磨，使測試表面無明顯劃痕，并使用酒精對表面進行清洗（見圖3）。而后使用劃線針在表面刻畫出待測點的位置，按照要求粘貼應變片，用接線端子連接應變片引線與數據線（見圖4），測量原始數據并記錄。

圖3 打磨并酒精清洗待測表面

圖4 應變片連接

4.2 標定試驗

標定試驗在單向拉伸板上進行（見圖5），最高拉應力值不超過材料的1/3，所用鉆孔設備與實測相同。標定試樣取自試樣母材處，所用三向應變片只有εa、εb在計算A、B中有用，45°方向上的應變εb可以用來檢測εa、εc的準確性，同時便于確定加工應變值，即由鉆孔刃具引起的在零應力情況所測出的附加應變值。在標定試驗板的兩側布有監測片（單向片），用來檢查試板的彎曲情況。

圖5 鉆孔后試板拉伸

按A、B計算公式，其中為對應σ下a應變片鉆孔后拉應變值減去鉆孔前拉應變值。鉆孔后的拉應變值為扣除加工應變（卸載狀態下鉆孔獲得）后大小的計算方法與此類似。由不同σ算出的A、B應接近或相等，通常取較高應力水平下的A、B值，根據標定試驗所得A和B值如下：

5 結果分析

根據計算公式及試驗數據，計算得出兩根管道各部位殘余應力值，根據實際計算值對殘余應力分布、熱處理引起殘余應力變化情況進行分析。

5.1 殘余應力分布

對比2個試件在各個位置的殘余應力分布，結果如圖6~圖9所示。

圖6 12點鐘位置殘余應力分布

圖7 3點鐘位置殘余應力分布

圖8 6點鐘位置殘余應力分布

圖9 9點鐘位置殘余應力分布

對于原始焊態P91鋼管環焊縫，其軸向和周向的殘余應力分布特點相似，焊縫中心處為殘余壓應力，逐漸增加與焊縫中心的間隔，開始出現殘余拉應力。

對于熱處理狀態P91鋼管環焊縫，其軸向和周向的殘余應力分布特點也相似，但是其在焊縫中心附近區域為殘余拉應力，離焊縫中心一定距離處為殘余壓應力。

5.2 熱處理引起殘余應力趨勢

根據“(熱處理殘余應力－焊態殘余應力)/屈服強度”可以計算得到測試各位置熱處理前后殘余應力變化，其變化趨勢如圖10所示。

圖10 各位置熱處理前后周向殘余應力變化趨勢

從圖10中各個位置的周向殘余應力的變化分布可以看出，除了12點位置由于起弧、收弧的原因，此處的應力變化處于遞增狀態，其余位置都呈現先增加后減小的變化趨勢。

從圖11可以明顯地看出，除12點位置因熱輸入過量而導致軸向殘余應力一直增加，其余位置整體上的應力變化是先增后減。

圖11 各位置熱處理前后軸向殘余應力變化趨勢

經分析，管道環焊縫軸向殘余應力和周向殘余應力經熱處理后其殘余應力變化趨勢相似。

6 結束語

對于P91管道窄間隙全位置TIG自動焊接頭而言，原始焊態與熱處理狀態下軸向和周向的殘余應力分布特點相似，但熱處理可以改善殘余應力分布特點。

1）原始焊態環焊縫，焊縫中心處為殘余壓應力，隨著與焊縫中心處的距離增加，開始出現殘余拉應力；熱處理狀態環焊縫，在焊縫中心附近區域為殘余拉應力，離焊縫中心一定距離處為殘余壓應力。

2）軸向殘余應力和周向殘余應力經熱處理后，其殘余應力變化趨勢相似。