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摘 要

T91钢是一种改进型马氏体耐热钢，具有良好的高温热强性、抗氧化性能和抗高温蠕变性能，广泛应用于各种大型电站锅炉、再热器、过热器、高温蒸汽管道等承受高温高压设备。本文是使用ANSYS软件，选择高斯分布热源，建立T91钢管焊接的有限元模型，对温度和应力场进行研究分析。本文的主要研究内容及结论如下：

（1）焊接熔池外围的等温线呈卵形。在焊接接头上最高温度约为1952℃；冷却到400s时，焊缝中心区域约为218℃，热源温度场较均匀，温度分布较为合理。

（2）X方向拉应力为289MPa，压应力为-365MPa；Y方向拉应力为372MPa，压应力为-376MPa；Mises拉应力为195MPa。

（3）对于路径I，焊缝处温度最高约为1906℃；X方向应力最大约为98MPa；Y方向最大约150Mpa，最大Mises应力可达149MPa；最小Mises应力约为20MPa。

（4）对于路径Ⅱ，最高温度约为1922℃，X方向应力最大约为254MPa，最小约-278MPa；Y方向应力最大约为299MPa，最小约-327MPa；最大Mises应力达145MPa，最小为20MPa。

关键词：T91 ANSYS软件 有限元 数值模拟

Numerical Simulation of welding on T91 Heat Resistance tube

ABSTRACT

T91 steel is a kind of improved good martensitic heat-resistant steel with good heat resistance, antioxidant properties and high temperature creep properties, which was widely used in a variety of large-scale power plant boiler, reheater, superheater, high temperature steam pipeline under high temperature and high pressure equipment. Finite element model of T91 steel tube welding was established by Gaussian heat source using ANSYS software in this paper,and the temperature and stress field were analyzed. The main contents and conclusions in this paper are as follows:

(1) The isotherms on the periphery of welding molten pool is oval. In welded joints the maximum temperature is about 1952 ℃. The weld center region is about 218 ℃ after cooling to the 400s. The temperature field of heat source is uniform, and the temperature distribution is relatively reasonable.

(2)The X direction tensile stress is 289MPa, the compressive stress is -365MPa; the Y direction tensile stress is 372MPa, the compressive stress is -376MPa; the tensile stress of 195MPa. is Mises

(3) For path I, the maximum temperature on weld is about 1906℃. The maximum stress in X direction is about 98MPa, and The maximum stress in Y direction is about 150MPa. The maximum Mises stress can be up to 149MPa, and the minimum Mises stress is only about 20MPa.

(4) For path II, the highest temperature is about 1922 ℃, the maximum stress in X direction is about 254 MPa, and the minimum stress is about -278MPa. The maximum stress in Y direction is about 299 MPa, and the minimum value is about -327MPa. The maximum Mises stress is 145MPa, and the minimum value is only 20MPa.

Keywords: T91; ANSYS software; Finite element method; Numerical simulation

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪 论 1

1.1 课题的研究背景及意义 1

1.2 T91钢的性质 1

1.3 T91钢国内外的研究进展 3

1.4 T91钢的焊接性分析 4

1.5 T91焊接研究存在的问题 6

1.6 课题研究内容及其技术路线 6

第二章 T91焊接有限元模型建立 7

2.1有限元的相关分析 7

2.1.1有限元法的相关建立 7

2.1.2焊接温度场数值模拟研究 7

2.2焊接温度场理论 8

2.3焊接热源的相关模型 8

2.4 T91钢的属性 9

2.5 牛顿拉普森的平衡迭代 10

2.6子步数以及时间步长 11

2.7耦合场的相关分析计算 11

2.8有限元模型的建立及网格划分 11

2.8.1有限元模型的建立分析 11

2.8.2有限元的相关网格划分 13

第三章 焊接数值模拟结果分析 15

3.1焊接温度场计算分析 15

3.1.1不同时刻的温度云图 15

3.1.2焊接温度的热循环 17

3.1.3温度场分布曲线 18

3.2焊接应力场计算分析 23

3.2.1不同时刻应力场云图 23

3.2.2焊接应力的热循环 25

3.2.3应力场分布曲线 27

第四章 结论 32

参考文献 33

致 谢 35

第一章 绪 论

1.1 课题的研究背景及意义

电力工业发展迅速，高参数、大容量的机组也随之不断涌现，因而对钢管材料的各方面性能如高温蠕变的性能需要更加严格的要求。为了保证设备在工作时的安全性和可靠性，提升设备的经济性和生产速度，能够满足高温、高压的管道需求，工艺性好、价格低廉的焊接材料的研发成为当时最为关键的问题。为此，世界上主要的工业发达国家进行了大量的分析研究，最后终于研制出了T91钢向全世界各范围供应。T91钢现在已经俨然成为了一种新型的钢材种类，尤其在锅炉的过热器、再热器方面被大量的投入使用且这种工艺已经越来越完善。我国于1987年引进了该钢种并在电厂广泛应用。

T91（SA213-T91）是一种新型的马氏体耐热钢。由橡树岭实验室以及美国燃烧工程公司冶金材料实验室合作^[1]，在19世纪70年代末研制而成的。具体是减少了碳的含量在T9（9Gr-1Mo）钢的基础上，并且严格把控了磷、硫的含量，在此基础上增加了一些微量的铌、钒元素进行合金反应而成的。T91与马奥亚马氏体相比，它的热传导率较好，热膨胀的系数值较低，产生裂缝的趋势也会较小并且经济性较强。当与其他材料相比较时，无论是在使用方面的性能还是价格方面，T91都表现出了它的超强优越性。

1.2 T91钢的性质

表1.1指的是T91的基本化学成分，表1.2指的是常温下的力学性能，物理性能见表1.3。

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