1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写

2000字左右的文献综述：

文 献 综 述

T91耐热钢管焊接数值模拟技术研究

1、课题研究的意义及背景

随着电力工业的迅速发展，高参数、大容量机组不断涌现，对钢管材料的高温蠕变性能和抗应力腐蚀等性能提出更高要求。为确保机组设备安全、可靠运行,提高生产效率和经济效益，满足高温、高压管道的需要，工艺性好、价格低廉材料的开发则是最关键的问题。为此，世界主要工业发达国家进行了大量研究，从而研制出T91钢向全世界供应。T91钢作为大型发电锅炉过热器、再热器的新型钢种，日趋成熟，目前被各国广泛采用。我国于1987年引进该钢种并在电厂应用[1]。

T91（SA213-T91）是19世纪70年代末由美国燃烧工程公司冶金材料实验室和国立橡树岭实验室合作研制的新型马氏体耐热钢，在T9（9Gr-1Mo）钢的基础上降低含碳量，严格限制硫、磷的含量，添加少量的钒、铌元素进行合金化研制而成的，是一种采用纯净化、细晶化冶金技术、以及微合金化和控扎、控冷等工艺，开发出的新一代中合金耐热钢。T91钢具有高温持久强度和抗蠕变断裂性能，与T22钢相比，在相同使用温度和压力的条件下，管壁厚减薄50%；与奥氏体钢相比，膨胀系数较小、热传导性好，热裂纹倾向小，价格也相对便宜。T91钢也成为高温过热器联箱、主蒸汽管道等高温、高压管道的首选及替代钢种。无论是使用性能，还是经济性，T91都表现出了它的优越性。

根据ASTM213/A213M-85C其化学成分见表1，常温下力学性能见表2。电站所用钢种最关心的物理性能是材料的热膨胀系数和导热性，T91钢的主要物理性能数据见表3。

表1：T91基本化学成分[2]

表2：T91的常温力学性能[3]

表3：T91钢的物理性能[4]

T91钢中各合金元素分别起到固溶强化、弥散强化和提高钢的抗氧化性、抗腐蚀性能的作用，具体分析如下：

①碳是钢中固溶强化作用最明显的元素，随含碳量的增加，钢的短时强度上升，塑性、韧性下降，对T91这类马氏体钢而言，含碳量的上升会加快碳化物球化和聚集速度，加速合金元素的再分配，降低钢的焊接性、耐蚀性和抗氧化性，故耐热钢一般都希望降低含碳量，但含碳太低，钢的强度将降低。T91钢与12Cr1MoV钢相比，含碳量降低20%，这是综合考虑上述因素的影响而决定的。

②T91钢中含微量氮，氮的作用体现在两个方面。一方面起固溶强化作用，常温下氮在钢中的溶解度很小，T91钢焊后热影响区在焊接加热和焊后热处理过程中，将先后出现VN的固溶和析出过程：焊接加热时热影响区内已形成的奥氏体组织由于VN的溶入，氮含量增加，此后常温组织中的过饱和程度提高，在随后的焊后热处理中有细小的VN析出，这增加了组织稳定性，提高了热影响区的持久强度值。另一方面，T91钢中还含有少量A1，氮能与其形成A1N，A1N在1 100℃以上才大量溶入基体，在较低温度下又重新析出，能起到较好的弥散强化效果。

③加入铬主要是提高耐热钢的抗氧化性、抗腐蚀能力，含铬量小于5%时，600℃开始剧烈氧化，而含铬量达5%时就具有良好的抗氧化性。12Cr1MoV钢在580℃以下具有良好的抗氧化性，腐蚀深度为0.05 mm/a，600℃时性能开始变差，腐蚀深度为0.13 mm/a。T91含铬量提高到9%左右，使用温度能达到650℃，主要措施就是使基体中溶有更多的铬。

④钒与铌都是强碳化物形成元素，加入后能与碳形成细小而稳定的合金碳化物，有很强的弥散强化效果。

⑤加入钼主要是为了提高钢的热强性，起到固溶强化的作用[5]。

由于T91钢焊接性较差，所以焊接工艺复杂并且要严格执行，否则焊接接头将过早产生失效和破坏，锅炉焊接工作是锅炉制造过程中的关键技术难题之一。在实际现场焊接工作条件下，优化研究焊前预热，焊缝背部氩气保护，特别是焊后热处理问题等方面对T91钢管焊接接头的影响，对于电站锅炉安装，检验，改造，及维修等具有重要实用价值。目前国外主要生产锅炉和大口径厚壁钢管的企业已经完成了T91钢的工业化研究。而我国在T91施工现场施焊时，焊接质量问题仍时有发生，一方面是对T91钢焊接性的理解不够深入；另一方面也是对配套焊接工艺关键技术的控制尚不到位。因此对其焊接工艺进行深入的研究十分必要[6]。

2、T91焊接国内外研究进展

为提高大型火电机组的热效率，首要的是提高锅炉的蒸汽参数。对大型电站锅炉热效率而言，提高锅炉蒸汽温度比提高蒸汽压力对机组效率的影响更为显著。为满足锅炉对材料的要求，世界各国从60年代初开始进行了数十年的试验尝试，以开发应用温度参数为580~650℃的锅炉用耐热钢[7]。如50年代末比利时Liege冶金研究所研制的超级9Cr钢，其使用温度为620℃；60年代中国研制的钢研102，其使用温度为620℃；60年代末，德国研制的12%Cr钢F12，其使用温度为630~650℃；同期还有瑞典的HT9，日本的HCM95等钢种[8]。

为寻求更为优秀的使用材料，20世纪70年代美国在实验室改进原有的9Crl-1Mo钢，80年代初确定改良型钢为T91钢[9]。接着1983年T91钢获美国ASME认可，1980~1985年间世界上发达国家先后在高温过热器，高温再热器上将TP321，TP347和TP304等不锈钢材料替换为T91钢以降低制造成本。80年代末德国从F12钢转向使用T91钢，90年代初日本大力推广T91钢[10]。目前世界主要生产锅炉管和大直径厚壁管的钢厂，均已完成了T91钢工业化生产研究。其中日本，德国，法国等国家的钢厂已向世界供应T91钢管。到目前为止，国外进口的焊接材料主要品牌有：英国曼切特，日本神钢，美国阿克斯，瑞典伊萨，美国华盛顿，法国沙福等[11]。

八十年代后期，我国也开始对T91的生产及焊接进行了初步的研究，并且取得一定进展，但与国外生产厂家相比还有一定距离[12]。经过多年对T91钢的研究和开发，证明工作温度在550℃~650℃时，仍具有较好的综合性能，所以，在相等内径的情况下，可显著减少钢管壁厚和重量。在550℃,25MPa压力下钢管壁厚及重量减少更为优良。由于壁厚及重量的减少，无论是钢管的支撑部件，装备总重量还是装备所占用的空间都大为减少，具有良好的经济性，因此，T91钢在火力发电机组工件使用中具有非常宽阔的应用前景[13]。

但大量的研究表明，T91钢焊接性也具有以下主要问题：

(1)焊接裂纹敏感性。

(2)热影响区塑性降低。

(3)热影响区的软化。

(4)焊缝金属韧性的恶化。

(5)有研究显示，在一些情况下，该钢还有一定的应力腐蚀裂纹敏感性。

总体上看，T91钢焊接性的主要问题是冷裂纹敏感性较强，以及一定的热裂纹倾向，同时也不可忽视接头性能的弱化(焊缝区韧性恶化和热影响区的软化)[14]。

焊前坡口准备：

大直径管的坡口形状和尺寸见下图1左（单位mm），小直径管焊接用坡口形状和尺寸见下图1右(单位mm)：

图1：左图为大直径管坡口参考；右图为小直径管坡口参照[15]

对于T91钢管来说，对冷裂纹比较敏感, T91/P91 钢在不预热情况下焊接裂纹率达100％[16]。一般对大径管，预热温度为200-250℃，间层温度为200-300℃。在控制预热温度和层间温度时，应注意温度测量的准确性。焊工焊接下一道焊缝时都应确认层间温度，待层间温度降到250℃-280℃或再低一些的温度后才开始焊接[17]。对小径管温度可以取得更低一些。

国内外关于T91焊接的流程经过多年理论和实践研究已经得到多种比较成熟的工艺，焊接的施工顺序通常为：坡口制备及清理、对口、预热、焊接环境保护及点固、焊接、外观验收、焊后热处理、无损检测等[18]。

国内在T91钢的焊接工艺方面进行了大量的研究，形成了不同的焊接工艺：一是全氩弧焊(GTAW打底 GTAW填充)：二是氩弧焊(GTAW)打底 手工电弧焊（SMAW）填充[19]。现一般采用第二种，焊接后焊缝金属的显微组织呈现奥氏体与少量铁素体，材料性能表现良好[20]。但是该工艺的不足之处或困难是，焊接过程中焊缝的背面保护问题较复杂。一旦保护不好，背面焊缝即被氧化，焊缝的质量不能保证，造成不安全隐患。近年来,一种采用药芯焊丝填充打底的GTAW 焊接方法获得到了应用[21]。该方法的特点是：打底焊时用药芯焊丝的熔渣对背面焊缝进行保护，免除了焊缝背面保护，焊缝的填充层可以是GTAW 焊接，也可以是焊条电弧焊(SMAW)。还有一种采用药芯焊丝(FCAW)打底＋实芯焊丝(GMAW)填充的工艺方法，优势突出，在业界受到关注或试用[22]。

国际上应用较通用的焊接方法有五种：一种是采用药芯焊丝填充打底的GTAW焊接方法；还有一种采用药芯焊丝FCAW打底 实心焊丝GMAW填充的工艺方法；对大径管除了采用GTAW打底 GMAW填充（多层多道）焊接方法之外，还可采用埋弧焊工艺（GTAW打底 SMAW填充5-8mm SAW填充），有些地方也有纯采用SAW焊接的[23]。

图2：焊接大径管时建议使用的加热曲线[24]

对于T91钢焊接中的冷裂纹和焊缝韧性较低的问题，朱季元[25]在国内外实践的基础上，参照国家电力公司火电建设部的《T91钢管焊接工艺暂行规定》，证明了焊接T91钢时只要注意控制焊接线能量、焊前预热及保持层间温度和焊后热处理，就能获得满意的焊接接头质量。因此必须严格控制焊接线能量的输入[25]。实践证明，线能量取20KJ/cm左右，焊层厚度控制在3mm以下，可获得良好的焊缝韧性（AKV≥70J/cm2）[26]。甚至有试验证明在薄壁管道焊接中，焊前不预热，只通过GTAW方法控制线能量进行焊接，T91管道在模拟工况下没有出现裂纹[27]。

需要注意的是：

（1）热处理保温时间的适当延长，随后及时进行高温回火处理，能得到综合性能良好的回火马氏体组织[28]，减少焊接残余应力。

（2）为了改善焊缝金属的性能，可通过采用加大焊后冷却速度的工艺措施，使焊缝金属含有比例较高的针状铁素体组织而获得和母材相近的韧度[29]。

（3）选用合适的焊接材料和合理的焊接工艺，是控制和改善T91钢焊接性的重要技术手段[30]。

(4) 严格控制焊接规范和焊后热处理规范以及尽量缩短在再热裂纹敏感温度区间的时间也是非常必要的[31]。

3、T91焊接研究存在的问题

虽然说现有的焊接材料及与其匹配焊接工艺基本能满足现有应用需求，但是，随着T91钢应用范围的进一步扩大，现有的工艺仍然存在着不足。自T91钢开发至今，由于其优良的高温性能，国内外进行了众多的研究，取得了很多重大的研究成果，但由于技术和角度的不同，大部分研究都停留在经验程度上，根据实际焊接结果进行经验总结。所以通过数学化的研究对T91焊接技术的深入发展有重要的意义。

4、课题研究内容及技术路线

此课题就旨在用ANSYS软件建立T91钢焊接有限元模型，模拟过程中考虑焊接过程中材料非线性、结构非线性和焊接能量高度集中的特点，同时使用单元生死技术来模拟焊接熔敷金属的填充，从而实现T91钢焊接过程数字化，使焊接过程中应力和温度具象化。得到T91钢的焊接热循环曲线以及残余应力场的模拟分析结果。

技术路线

1、查阅国内外文献，了解T91材料的焊接研究进展，发现目前T91焊接研究存在的不足；

2、查阅相关资料，查出T91材料的不同温度下的力学性能及热物理性能，包括泊松比、密度、弹性模量，硬化指数、热膨胀系数、比热容、热导率等。

3、学会安装ANSYS软件，熟悉其基本操作；

4、建立T91管道焊接的三维有限元模型，划分网格，并杀死焊缝区单元。

5、实验焊接热源的实施，焊接热源采用高斯热源模型，通过将高斯热源分布到单元上来实现加载过程，焊接过程中，对焊接区的熔敷金属实现填充过程。

6、计算焊接温度场，并利用顺序耦合方式实现焊接应力场计算。

7、分析数值模拟计算结果，得出不同点的焊接热循环及不同路径上的焊接残余应力分布。

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