熱處理對(duì)P91鋼管道窄間隙全位置TIG自動(dòng)焊接頭殘余應(yīng)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(yè)工程研究設(shè)計(jì)有限公司 北京 102401

2.中國核工業(yè)二三建設(shè)有限公司 北京 102401

1 序言

P91鋼具有良好的高溫力學(xué)性能，在發(fā)電廠主蒸汽管道中應(yīng)用十分廣泛[1，2]。管道焊接接頭內(nèi)部存在殘余應(yīng)力，必然會(huì)對(duì)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(yīng)力情況[3，4]。殘余應(yīng)力是材料在加工過程中產(chǎn)生的平衡于自身內(nèi)部的一種不穩(wěn)定應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)管道在焊接過程中，由于溫度不均引起殘余應(yīng)力，因此在冷卻過程中往往會(huì)發(fā)生形變，影響焊縫成形。殘余應(yīng)力嚴(yán)重影響了焊件的疲勞強(qiáng)度、靜強(qiáng)度及抗腐蝕性能，使焊件在焊接后產(chǎn)生變形和裂紋等缺陷，進(jìn)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(shí)有強(qiáng)烈的淬硬傾向，冷裂紋敏感性強(qiáng)，再者用于大直徑、中厚壁的管，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)剛性和拘束度增大，焊后冷卻時(shí)接頭處殘余應(yīng)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(yīng)力，促進(jìn)氫的逸出，提高組織穩(wěn)定性，以及改善焊接接頭綜合力學(xué)性能。

本文通過對(duì)熱處理態(tài)及原始焊態(tài)下的P91管道窄間隙全位置T I G自動(dòng)焊焊接接頭殘余應(yīng)力的研究，探究熱處理對(duì)其殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。

2 測試對(duì)象

待測試件為P91鋼管道窄間隙全位置TIG自動(dòng)焊環(huán)焊縫2個(gè)：一個(gè)為熱處理態(tài)（編號(hào)為P1），另一個(gè)為原始焊態(tài)（編號(hào)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(jìn)行熱處理；P2試件焊接完成后降溫至90℃保溫2h，而后進(jìn)行后熱，未進(jìn)行熱處理。

測試位置如圖1所示，分別對(duì)管道焊接過程中的12點(diǎn)鐘、3點(diǎn)鐘、6點(diǎn)鐘和9點(diǎn)鐘4個(gè)位置進(jìn)行殘余應(yīng)力測試。每個(gè)位置的布點(diǎn)如圖2所示，每隔10mm測試一次，共5個(gè)點(diǎn)。

圖1 測試位置

圖2 每個(gè)位置的點(diǎn)位分布

3 殘余應(yīng)力計(jì)算

按照式（1）、式（2）分別計(jì)算沿軸向殘余應(yīng)力和周向殘余應(yīng)力：

式中，C1=（A+B）/4A B；C2=（B－A）/（A+B）。A、B為應(yīng)變釋放系數(shù)，其數(shù)值與材料力學(xué)性能、盲孔幾何尺寸以及殘余應(yīng)力水平有關(guān)，其數(shù)值根據(jù)標(biāo)定試驗(yàn)獲取[3]。

4 試驗(yàn)開展

4.1 殘余應(yīng)力試驗(yàn)

目前，測量殘余應(yīng)力的方法可分為機(jī)械釋放測量法和無損測量法兩種。機(jī)械釋放測量法是將具有殘余應(yīng)力的部分從總體中分割出來使應(yīng)力得到釋放，通過測量其發(fā)生的應(yīng)變得出殘余應(yīng)力值，其中鉆孔法是應(yīng)用最廣泛的方法之一，該方法擁有以下優(yōu)點(diǎn)：操作簡便、對(duì)構(gòu)件破壞性小、測量精度較高且設(shè)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(shè)備昂貴、成本較高，因此應(yīng)用較少，故采用鉆孔法測量。

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

圖3 打磨并酒精清洗待測表面

圖4 應(yīng)變片連接

4.2 標(biāo)定試驗(yàn)

標(biāo)定試驗(yàn)在單向拉伸板上進(jìn)行（見圖5），最高拉應(yīng)力值不超過材料的1/3，所用鉆孔設(shè)備與實(shí)測相同。標(biāo)定試樣取自試樣母材處，所用三向應(yīng)變片只有εa、εb在計(jì)算A、B中有用，45°方向上的應(yīng)變?chǔ)舃可以用來檢測εa、εc的準(zhǔn)確性，同時(shí)便于確定加工應(yīng)變值，即由鉆孔刃具引起的在零應(yīng)力情況所測出的附加應(yīng)變值。在標(biāo)定試驗(yàn)板的兩側(cè)布有監(jiān)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(jì)算公式，其中為對(duì)應(yīng)σ下a應(yīng)變片鉆孔后拉應(yīng)變值減去鉆孔前拉應(yīng)變值。鉆孔后的拉應(yīng)變值為扣除加工應(yīng)變（卸載狀態(tài)下鉆孔獲得）后大小的計(jì)算方法與此類似。由不同σ算出的A、B應(yīng)接近或相等，通常取較高應(yīng)力水平下的A、B值，根據(jù)標(biāo)定試驗(yàn)所得A和B值如下：

5 結(jié)果分析

根據(jù)計(jì)算公式及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算得出兩根管道各部位殘余應(yīng)力值，根據(jù)實(shí)際計(jì)算值對(duì)殘余應(yīng)力分布、熱處理引起殘余應(yīng)力變化情況進(jìn)行分析。

5.1 殘余應(yīng)力分布

對(duì)比2個(gè)試件在各個(gè)位置的殘余應(yīng)力分布，結(jié)果如圖6~圖9所示。

圖6 12點(diǎn)鐘位置殘余應(yīng)力分布

圖7 3點(diǎn)鐘位置殘余應(yīng)力分布

圖8 6點(diǎn)鐘位置殘余應(yīng)力分布

圖9 9點(diǎn)鐘位置殘余應(yīng)力分布

對(duì)于原始焊態(tài)P91鋼管環(huán)焊縫，其軸向和周向的殘余應(yīng)力分布特點(diǎn)相似，焊縫中心處為殘余壓應(yīng)力，逐漸增加與焊縫中心的間隔，開始出現(xiàn)殘余拉應(yīng)力。

對(duì)于熱處理狀態(tài)P91鋼管環(huán)焊縫，其軸向和周向的殘余應(yīng)力分布特點(diǎn)也相似，但是其在焊縫中心附近區(qū)域?yàn)闅堄嗬瓚?yīng)力，離焊縫中心一定距離處為殘余壓應(yīng)力。

5.2 熱處理引起殘余應(yīng)力趨勢

根據(jù)“(熱處理殘余應(yīng)力－焊態(tài)殘余應(yīng)力)/屈服強(qiáng)度”可以計(jì)算得到測試各位置熱處理前后殘余應(yīng)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(yīng)力變化趨勢

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

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

圖11 各位置熱處理前后軸向殘余應(yīng)力變化趨勢

經(jīng)分析，管道環(huán)焊縫軸向殘余應(yīng)力和周向殘余應(yīng)力經(jīng)熱處理后其殘余應(yīng)力變化趨勢相似。

6 結(jié)束語

對(duì)于P91管道窄間隙全位置TIG自動(dòng)焊接頭而言，原始焊態(tài)與熱處理狀態(tài)下軸向和周向的殘余應(yīng)力分布特點(diǎn)相似，但熱處理可以改善殘余應(yīng)力分布特點(diǎn)。

1）原始焊態(tài)環(huán)焊縫，焊縫中心處為殘余壓應(yīng)力，隨著與焊縫中心處的距離增加，開始出現(xiàn)殘余拉應(yīng)力；熱處理狀態(tài)環(huán)焊縫，在焊縫中心附近區(qū)域?yàn)闅堄嗬瓚?yīng)力，離焊縫中心一定距離處為殘余壓應(yīng)力。

2）軸向殘余應(yīng)力和周向殘余應(yīng)力經(jīng)熱處理后，其殘余應(yīng)力變化趨勢相似。