论文总字数：20107字

摘 要

电力工业作为保障民生经济的基础产业之一，在国家地区的经济发展和居民生活水平的提高中起到至关重要的作用。2015年是中国开始履行《京都议定书》的元年，减少碳排放量成为今后我国进行经济活动的一项重要指标。因此，在安全稳定的前提下火电机组向大容量、高参数、低污染和自动化方向的发展成为了必然趋势。为了提高火电锅炉的经济效益，电站机组在设计安装过程中会大量使用异种钢焊接接头，即承受高温高压部件使用高强度耐热钢，低温低压区域使用性能略低的耐热钢。12Cr1MoV与P91钢材均为铁素体耐热钢，两者的匹配使用既满足高温段的强度要求又保证了低温段的经济性要求，从而被大量用于超临界发电机组中。

本文在力学性能试验、金相试验和蠕变试验的基础上对P91/12Cr1MoV异种钢焊接铁头的组织演化、机械性能、及蠕变性能等方面进行研究，为P91/12Cr1MoV异种钢焊接接头的蠕变性能研究和寿命预测提供必要的数据支持。

通过对P91、12Cr1MoV、12Cr1MoV/P91焊接接头三种不同材料进行蠕变试验，比较了三者的蠕变性能。用θ投影法外推得到P91/12Cr1MoV接头在相同温度低应力水平下的蠕变曲线。使用该方法得到的蠕变寿命试验值与预测值吻合很好，说明θ投影法在蠕变寿命预测方面有较好的准确度。

关键词：12Cr1MoV/P91 异种钢焊接接头 蠕变 微观结构

ABSTRACT

As one of the basic industries to protect the people's livelihood, the power industry plays a vital role in the economic development and the improvement of the living standards of the people's living in the country. 2015 is the first year of China began to fulfill the "Kyoto Protocol" and how to reduce the carbon emissions has become an important indicator of China's economic activities in the future. Therefore, on the premise of security and stability, improving the process parameters, reducing pollution and improving the rate of automation have become the direction of improvement of thermal power industry. In order to improve the economic benefit of the power plant, a large number of welded joints of dissimilar steel are used in the design and installation of the power station. High strength heat resistant steel is always used for high temperature and high pressure parts and low alloy heat resistant steel is always used for low temperature and low pressure parts. 12Cr1MoV and P91 steel are ferrite heat resistant steel and P91/12Cr1MoV dissimilar steel welded joints are widely used in supercritical plants.

In this article, tensile test, optical microscopy analysis and creep test were combined to study. By means of OM, SEM and EPMA, the mechanical properties at high temperature, carbon migration, creep properties, the microstructure of P91/12Cr1MoV dissimilar welded joints were investigated to provide the experimental data. The main research work and conclusions are as follows:

Creep tests were carried out on three kinds of different materials of P91, 12Cr1MoV and 12Cr1MoV/P91 welded joints. The creep properties of the three kinds of welding joints were compared. The creep curves equation of 12Cr1MoV/P91 welded joints had been established at the same temperatures and low stress using theta method, which is in good agreement with the experimental results. It is shown that theta projection method has better accuracy in creep life prediction.

KEYWORDS: 12Cr1MoV/P91 dissimilar welded joints; Creep; Microstructure

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 国内外学者对异种钢焊接接头早期失效研究 1

1.3 蠕变寿命预测的研究进展 3

1.3.1 蠕变的概念 3

1.3.2 蠕变寿命预测的研究进展 4

1.4 本文的主要研究内容与方法 6

1.4.1 本文的主要研究内容 6

1.4.2 研究方法 6

第2章 P91/12Cr1MoV异种钢焊接接头的蠕变性能研究 7

2.1 前言 7

2.2 蠕变试验 7

2.2.1 试样制备与试验方案 7

2.2.2 蠕变试验操作步骤 9

2.3 试验结果与讨论 10

2.3.1 蠕变曲线 10

2.3.2 蠕变速率 11

2.3.3 蠕变断裂时间 12

2.4 θ投影法预测蠕变性能参数 13

2.4.1 θ投影法介绍 13

2.4.2 蠕变寿命预测 14

2.4.3 最小蠕变速率预测 15

2.4.4 蠕变曲线预测 16

2.5 异种钢焊接接头微观组织与断口分析.....................................................16

2.6 本章小结 18

第3章 总结与展望.................................................................................19

致 谢........................................................................................................20

参考文献.....................................................................................................................21

第一章 绪论

1.1 引言

电力工业作为保障民生经济的基础产业之一，在国家地区的经济发展和居民生活水平的提高中起到至关重要的作用。为了提高我国电力工业的整体水平，除大力发展新能源外，国家在火力发电建设上也提出了新的发展思路与规划。尤其是国家在“十一五”规划中明确指出了火电发展的方向，为火力发电产业布局提供了政策保障与支持^[1]。2015年是中国开始履行《京都议定书》的元年，减少碳排放量成为今后我国进行经济活动的一项重要指标。因此，在安全稳定的前提下火电机组向大容量、高参数、低污染和自动化方向的发展成为了必然趋势。研究表明采取增大蒸汽温度与压力等工艺参数可以提高电煤利用率和机组发电效率，从而减少单位发电量的碳排放^[2-3]。因此，为了保证高参数锅炉运行的可行性、稳定性，国内外学者展开了大量研究工作。蒸汽参数的提升使得效率提高、煤耗减少，但对电站锅炉高温部件材料尤其是相关焊接部位的制造、可靠性运行提出更高要求。异种钢焊接结构的微观组织、机械性能以及断裂性能的不均一性，对异种钢焊接接头的结构完整性评估给从事相关领域的工程师提出了新的挑战。为了研究异质接头失效的情况，国外学者进行了大量的统计，加拿大OH公司调查发现31000个异质接头在运行50000小时后，失效的接头为480个，失效概率为1.55 %；美国TVA公司调查发现奥氏体填充金属的平均失效时间为74000 h，镍基合金填充金属平均开始出现失效的时间为100000 h。据不完全统计，异种钢接头早期失效常常发生在10000 h左右，服役时间30000~100000 h已有大量失效案例，这种早期失效现象通常会造成锅炉的非计划停炉检修甚至重大事故，进而带来巨大的经济财产损失甚至威胁工作人员的生命安全

1.2 国内外学者对异种钢焊接接头早期失效研究

在新型耐热钢的开发与研究方面，美国电力研究所与橡树岭国家实验室在1974年共同研发出了T/P91钢，该钢材在原有9Cr1Mo钢基础上改进而来，具有

良好的焊接性能。试验研究表明，P/T91在593 ℃、10万小时条件下的持久强度可达100 MPa。除了研发新型耐热钢材料外，在耐热钢材料的焊接性能方面，如材料可焊性、焊材选择、焊接工艺和质量控制等方面也得到了广泛研究^[4-5]。20世纪80年代美国电力研究所（EPRI）就针对309奥氏体填充焊接的A/F异种钢接头发起电站锅炉异种钢先行失效的研究项目^[6]、欧盟联合研究中心总署针对电站耐热材料的异种钢焊接结构完整性评定成立了专项基金项目^[7]。

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