吴立涛¹，蒋锋¹，黄卫强¹，陈干勇¹，朱 猛²，龚凌诸³

（1.国能（福州）热电有限公司，福建 福州 350309；

2.福建省锅炉压力容器检验研究院，福建 福州 350028；

3.福建理工大学能源装备与储能安全研究所，福建 福州 350118）

摘  要：通过对P91钢管道实施多层多道焊接，采用X射线衍射法测量了焊接残余应力，并对焊接接头进行了金相组织分析和硬度测试。基于SYSWELD软件建立了P91钢管道耦合相变模型，在相同条件下进行了焊接模拟。结果表明，热源的移动与温度场分布符合实际，焊接起始点热循环曲线最高温度为1647℃。焊缝区域组织由淬火马氏体构成，平均维氏硬度为255HV，热影响区硬度自焊缝边缘向母材方向呈梯度衰减。焊接接头外表面残余应力数值模拟与实测值吻合，模型能够准确反映残余应力的分布。在管道内外表面，焊缝与热影响区焊接残余应力较大；随着焊道高度的变化，环向与轴向残余应力在管道外表面均为压应力，而在管道内部与内表面环向残余应力表现为拉应力，轴向残余应力表现为压应力。

关键词：P91钢；焊接残余应力；数值模拟；SYSWELD；金相组织

0 引言

为了推动电力的绿色转型，同时保证现阶段的用电需求，用高效高参数低排放的超临界（SC)和超超临界(USC)发电机组结合常规的烟气净化装置来替代中小型燃煤机组，是我国目前优化煤电结构的主要方向。P91钢作为新型马氏体耐热钢，在原有Cr-Mo耐热钢中添加了V、Nb等元素，具有良好的抗高温蠕变性能，广泛应用电站锅炉机组的主蒸汽管道、再热蒸汽管道等部件。然而在使用过程中，部分在役锅炉P91钢管道在检测过程中发现焊接接头焊缝(FZ)及热影响区（HAZ)存在裂纹，这严重影响锅炉设备的安全运行。相关文献表明，焊接残余应力不仅能够导致焊接裂纹的产生，还会严重影响焊接接头的抗拉强度、抗蠕变能力等。因此，研究电站锅炉管道焊接接头中残余应力的分布演变及其微观组织变化，对于保障该承压部件的长周期服役安全具有重要工程价值。有限元法在焊接应力分析方面的应用，使得焊接残余应力的预测更加准确和快速。

在有限元软件中，为实现计算收敛效率与资源消耗量的优化平衡，模型构建前期需基于参数敏感性分析纳入关键变量，依据帕累托准则剔除次要干扰项，焊接多阶段模拟的本质是“热-冶金-力学”的耦合。研究的前期工作中，针对P91钢考虑马氏体相变的“热-冶金-力学”耦合计算法，对平板焊接残余应力场进行数值模拟仿真分析，现基于以上研究方法对P91钢管道进行有限元分析研究。本文参照某电厂P91钢管道焊接工艺评定标准实施多层多道焊接：首先使用GTAW熔敷底部焊道，而后使用SMAW逐层完成其余焊道的填充与盖面。通过X射线衍射仪对焊接残余应力场分布进行表面检测，并对焊接接头处显微组织进行分析；同时，基于SY-SWELD软件在相同焊接工艺下对P91钢管道焊接的温度场、应力场进行有限元模拟，为P91钢管道焊接残余应力预测、焊接缺陷评定与寿命评估提供理论依据。

……