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T91-HR3C异种钢焊接蒸汽管道蠕变失效分析

陈龙 纪冬梅

陈龙, 纪冬梅. T91-HR3C异种钢焊接蒸汽管道蠕变失效分析[J]. 机械科学与技术, 2021, 40(6): 955-962. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200165
引用本文: 陈龙, 纪冬梅. T91-HR3C异种钢焊接蒸汽管道蠕变失效分析[J]. 机械科学与技术, 2021, 40(6): 955-962. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200165
CHEN Long, JI Dongmei. Analysis of Creep Failure of T91-HR3C Dissimilar Steel Joint[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2021, 40(6): 955-962. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200165
Citation: CHEN Long, JI Dongmei. Analysis of Creep Failure of T91-HR3C Dissimilar Steel Joint[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2021, 40(6): 955-962. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200165

T91-HR3C异种钢焊接蒸汽管道蠕变失效分析

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200165
基金项目: 

上海自然科学基金项目 19ZR1420300

详细信息
    作者简介:

    陈龙(1996-), 硕士研究生, 研究方向为耐高温材料性能, 激光超声, 958189346@qq.com

    通讯作者:

    纪冬梅, 教授, 博士, jdm@shiep.edu.cn

  • 中图分类号: TG407

Analysis of Creep Failure of T91-HR3C Dissimilar Steel Joint

  • 摘要: 对T91-HR3C异种钢高温蒸汽管道接头的服役过程进行了数值仿真研究,在ANSYS软件内自定义了母材和焊缝区域的蠕变本构模型,分析了服役过程母材热影响区、焊缝融合线及焊缝的温度、应力及应变变化规律,确定了焊接接头在服役过程中的危险点,描述了焊接接头服役过程中的变形。结果表明T91-HR3C异种钢焊接接头在高温长时间服役过程中,应力集中发生在焊缝融合区,并且随时间推移应力集中从HR3C-焊缝界面逐渐转移至T91-焊缝界面,出现应力松弛现象,认为焊缝区域性能劣化是影响其蠕变寿命的关键所在。
  • 图  1  焊接接头网格划分

    图  2  接头处细化的网格

    图  3  温度场模拟结果

    图  4  外表面最大主应力

    图  5  内表面最大主应力

    图  6  T91-焊缝最大主应力

    图  7  HR3C-焊缝最大主应力

    图  8  等效应力分布云图

    图  9  外表面平均应力

    图  10  内表面平均应力

    图  11  T91-焊缝平均应力

    图  12  HR3C-焊缝平均应力

    图  13  外表面应力三轴度

    图  14  内表面应力三轴度

    图  15  T91-焊缝应力三轴度

    图  16  HR3C-焊缝应力三轴度

    图  17  内外表面应变均值

    图  18  总体拉伸形变变化

    图  19  焊接接头横截面服役形变示意图

    表  1  蒸汽与烟气的物理性质

    参数名称及单位 数值
    蒸汽压力/MPa 26
    蒸汽温度/℃ 603
    烟气温度/℃ 750
    蒸汽对流换热系数/(W·m-2·℃-1) 2 053.65
    烟气对流换热系数/(W·m-2·℃-1) 123.51
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    表  2  母材金属和焊丝的化学成分

    名称 w(C) w(Si) w(Mn) w(S) w(P) w(Cr) w(Mo) w(V) w(Nb) w(Ni) w(Al) w(N)
    HR3C 0.06 0.40 1.2 25.0 0.45 20.0 0.2
    T91 0.10 0.40 0.46 0.01 0.01 8.85 0.93 0.21 0.09 0.01 0.003 0.038
    ERNiCr-3 0.04 0.04 2.8 0.01 0.01 20.0 0.48 0.21 2.5 72.6
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    表  3  T91的材料性能参数

    参数名称及单位 20 ℃ 100 ℃ 200 ℃ 300 ℃ 400 ℃ 500 ℃ 600 ℃ 700 ℃
    比热容c/(J·(kg·K)-1) 460 469 490 511 530 540 800
    热导率λ/(W·(m·K)-1) 26.0 27.0 28.0 29.2 29.1 29.0 29.3 29.0
    线膨胀系数α/10-6-1 10.6 10.9 11.3 11.7 11.9 12.2 12.4 12.6
    弹性模量E/103MPa 218 213 207 199 190 181 168 158
    切变模量G/103MPa 85.0 79.0 75.7 70.9 65.4 58.6
    屈服应力/MPa 691 517 482 477 447 414 326 161
    泊松比 0.29 0.30 0.29 0.30 0.29 0.30 0.29 0.35
    蠕变系数a 2.51×10-28
    蠕变指数n 9.1
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    表  4  HR3C的材料性能参数

    参数名称及单位 20 ℃ 100 ℃ 200 ℃ 300 ℃ 400 ℃ 500 ℃ 600 ℃ 700 ℃
    比热容c/(J·(kg·℃)-1) - 506.5 528.6 553.9 565.6 488.6 336.8 396.2
    热导率λ/(W·(m·K)-1) - 15.87 17.40 19.70 20.78 18.59 13.24 15.68
    线膨胀系数α/10-6-1 - 17.04 16.96 18.19 18.84 19.41 19.71 19.81
    弹性模量E/103MPa 201 196 188 179 169 162 155 147
    切变模量G/103MPa 76.9 74.6 71.2 67.9 62.4 59.6 57.2 54.7
    屈服应力/MPa 480
    泊松比 0.3 0.31 0.32 0.32 0.35 0.35 0.35 0.34
    蠕变系数a 2.6×10-29
    蠕变指数n 8.1
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    表  5  600 ℃下ERNiCr-3的材料性能参数

    参数名称及单位 数值
    弹性模量E/MPa 190×103
    屈服应力/MPa 478
    泊松比 0.3
    蠕变系数a 7.9×10-30
    蠕变指数n 8.2
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  • 收稿日期:  2019-08-29
  • 刊出日期:  2021-06-01

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