9 Ni钢焊接热影响区组织及残余应力分析.docx
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9Ni钢焊接热影响区组织及残余应力分析
9Ni钢焊接热影响区组织及残余应力分析
摘要：
本文首先对焊接残余应力的测试方法和有限元分析的基本原理进行了阐述。
在对钢板焊接残余应力模拟分析过程中，本文采用ANSYS软件的热一结构耦合功能，利用改变单元属性法、生死单元法对对接焊缝在焊接过程的残余应力进行了模拟分析，通过ANSYS软件实现焊接热源的移动加载。
最后通过后处理，得出了不同时刻焊缝处各点的温度分布曲线及焊缝部位残余应力的大小及分布规律。
通过研究和实例验证，本文建立了可行的对接焊缝的三维温度场、残余应力的动态模拟分析方法，为复杂的焊接钢结构进行三维焊接温度场、残余应力的分析提供了理论和指导，促进了有限元分析方法在焊接力学在实际工程中的作用
通过对大型LNG低温储罐用9Ni钢的焊接性能的研究，掌握国产两种9Ni钢的两种焊接工艺，主要包括手工电弧焊和埋弧自动焊对所得的焊接接头进行质量检测，并进行硬度试验、金相试验.并观察两种工艺下的金相组织。
综合研究此两种焊接工艺所得的两种9Ni钢焊接接头的综合性能，获得合适的焊接工艺。
本文经过上述两种焊接工艺对国产9Ni钢和适用的焊接工艺进行了详细研究，取得进展。
研究表明了，国产9Ni钢在两种焊接工艺都能获合格的焊接接头，对焊接工艺的研究获得了成功。
关键词：
9Ni钢；焊接工艺；数值模拟
Subject：
9Nisteelweldingheataffectedzoneandresidualstressanalysis
Abstract：
Thepaperfirstlydescribesthetestingmethodsofweldingresidualstressandthebasictheoriesoffiniteelementanalysis．Intheprocessingofnumericalsimulationofthesteelplateweldingresidualstress，withthethermal—structurecouplingfunctionofAnsyssoftwareandthemethodofchangingelementstypeor“BirthandDeath”．Thispaperdealswithsimulationanalysisoftheresidualstressfortheweldingprocessofthebuttwelding．ItusesAnsystoapplymovingheatsourceload．Finallytemperaturedistributioncurveofeachpointandthesizeanddistributedrulesoftheweldingresidualstressinweldingline．
Throughtheresearchandpracticalverification,thispaperestablishesafeasibledynamicsimulationmethodon3-Dweldingtemperaturefieldandresidualstressfieldofbuttweldingplane，providingthetheoreticanalysisofresidualstressandinstruction,promotingtheapplicationofFiniteElementMethodonweldingmechanicsanalysisandengineering．
Throughtothelarge—scaleLNGlowtemperaturestoragetankwiththe9Nisteelweldingperformanceresearch，graspsthedomesticallyproducedtwokindof9Nisteelandfourkindsofweldingprocesses，mainlyincludingshieldedmetalarcwelding、argontungsten—arcweldingunionmeltcarriesonthequalityexaminationtotheobtainedweldjoint，andcarriesonthehardnesstest，themetallographictest．Thesyntheticstudyontwokindof9Nisteelweldjointoverallperformanceobtainedbythistwokindofweldingprocessandobtainstheappropriatepresentpaperpassedthroughtheabovetwokindofweldingprocessthe9Nisteelweldingperformanceandthesuitableweldingprocesstothedomesticallyproduced9Nisteelhasconductedthedissect，mademoreSuccess.
Keywords：
9Nisteel;Weldingprocedurequalification;numericalsimulation
目录
1.绪论1
1.2低温钢简介2
1.2.1低温钢的概念2
1.2.2低温钢的分类2
1.2.3低温钢的性能要求3
1.39Ni钢的发展现状3
1.4化学成分对9Ni钢的影响5
1.5热处理对9Ni钢的影响5
1.69Ni钢的焊接性能7
1.79Ni钢焊接热影响区的低温韧性7
1.8焊接残余应力的概念及残余应力产生的原因8
1.9研究内容9
2.国内9Ni钢的焊接工艺研究11
2.19Ni钢焊接工艺研究的目的和意义11
2.2国产9Ni钢的化学成分和机械性能11
2.3焊接材料选择和焊接试件加工11
2.4焊接工艺研究12
2.4.1手工电弧焊焊接工艺12
2.4.2埋弧自动焊焊接工艺16
2.59Ni钢焊接接头低温冲击试验19
3.1试样的浸蚀24
3.2国产9Ni钢焊接接头金相试验结果24
3.3试验结果及分析25
4.用ANSYS12.0对9Ni钢焊缝热应力分析26
4.1Ansys概述26
4．2焊接温度场的模拟计算27
4．2．1前处理27
4．2．2载荷施加和求解28
4.2.3后处理28
4.3焊接应力场模拟计算29
4.3.1焊接应力场的ANSYS求解29
4.3.2定义边界条件和施加载荷29
4.3.3后处理30
4.49Ni钢焊缝热应力分析30
4.4.1研究对象、材料热物理性能及力学性能30
4.4.2有限元模型的建立31
4.4.3温度场与应力场计算32
5.结论41
参考文献42
致谢43
附录44
1.绪论
课题背景
液化天然气（LiquefiedNaturalGas，简称LNG）就是将开采出来的天然气经过深度净化处理，在常压．162℃的低温条件下使其转化为液体，体积缩小625倍，便于进行长距离的安全运输。
近年来全球LNG的生产和贸易日趋活跃，正在成为世界油气工业新的热点。
为保证能源供应多元化和改善能源消费结构，一些能源消费大国越来越重视LNG的引进，LNG将成为石油之后下一个全球争夺的热门能源商品。
据英国坎特伯雷Doug]as-Westwood公司发布的{2005．2009年全球LNG（液化天然气）研究报告》显示，未来4年LNG基础设施建设将呈现强劲增长势头，预计2005-2009年，全球用于LNG础设施建设的基本建设费用将超过670亿美元。
当前中国经济持续快速的发展势头仍在继续，在国际石油价格节节升高的情势之下，中国的能源危机越发显得更加严重。
如果能在中国大力发展LNG，则可以在很大程度上可弥补石油资源不足、保证能源供应的多元化、逐步提高我国环境质量，并且对我国的西气东输也能起到互补的重要作用。
从1994年以来，我国已先后开展了广东、福建和华东三地的LNG港址比选工作，目前，正在深圳大鹏湾秤头角建设我国第一个LNG接收终端；广东第二个LNG接收站拟选址珠海市，并首选高栏港的平排山为站址。
福建湄洲湾的LNG接收站正在开展设计工作，该项目总接收能力为460×104t。
江苏如东、浙江宁波等地的LNG接收站也在抓紧进行前期准备工作。
上海LNG接收站项目目前进入实质性阶段，项目按年接收600万吨设计。
预计2008年建成投产的浙江宁波LNG接收站项目也已取得实质进展，项目由接收站、码头、输气干线及液化天然气电厂组成。
LNG通常由专用运输船从生产地输出终端运到接收终端，经再气化后外输至用户。
LNG接收终端主要包括LNG运输、接收、再气化、外输工艺链。
要建造大型液化天然气的设备和储运设施，甚至于输运液化天然气的槽船，利用液化天然气船、槽车或短距离管道进行运送。
这一切设施少不了使用低温钢。
LNG储罐中内罐材料的选择是设计中最重要的一个技术经济问题。
（1）应具有足够的强度（包括疲劳强度）；
（2）在使用温度范围内，应具有充分的韧性，不会产生脆性破坏；（3）具有良好的加工性和可焊性。
能够满足这些条件，适宜建造LNG储罐的材料有9Ni钢、铝合金。
9Ni钢以其低温韧性好，强度高，热膨胀系数小等主要优点，因此逐渐成为了在LNG槽船、储罐等设备建造中使用的最多的材料。
由于无论LNG槽船或槽车，接触LNG的部件都是在极低的温度下工作的，因此研究LNG储罐中内罐材料低温条件下的韧性是一个重要的技术问题。
而到目前为止，我国对低温钢材料的研究并没有形成一个完整的体系，目前正在建造的大型低温贮罐大都使用美国ASME规范的镍系低温钢材料，国内关于大型LNG储槽的研究尚处于起
步阶段，对于LNG储槽的设计和建造还缺乏足够的知识和经验。
因此展开对大型LNG低温储槽用9Ni钢的研究和技术攻关是十分必要的。
而9Ni钢的焊接工艺更是在世界上仅有几家企业掌握。
因此，9Ni钢焊接工艺的研究成为低温容器施工单位迫切需要解决的一个重大课题。
9Ni钢作为焊接结构用钢，在进行焊接加工时，其焊接热输入将会影响到热影响区的组织性能，使低温韧性下降。
所以研究其焊接热影响区的低温韧性的变化，检测其能否满足实际工作要求，是9Ni钢研究的关键环节之一。
而焊接热模拟技术是利用焊接热模拟机在试样上重现焊接热影响区的焊接热循环，使焊接影响区各窄小的特定温度区得以放大，并与焊接热影响区的组织性能有着良好的吻合性，在焊接研究中发挥着重要的作用。
1.2低温钢简介
1.2.1低温钢的概念
用于制造．20---253。
C低温下工作的储存和运输各类液化气体的设备，因此这类钢必须具备的最重要的性能是抗低温脆化。
通常将各种液化石油气、液氨、液氧、液氮等生产、储存容器和输送管道以及在寒冷地区服役的设备，称为低温容器，制造这些容器所用的钢，统称为低温钢。
1.2.2低温钢的分类
（1）按使用温度等级分类：
分为-10-40℃、一50-90℃、-100-120℃、和-196—273℃等级低温钢。
（2）按合金含量和组织分类：
分为低合金铁素体型低温钢，中合金低碳马氏体型低温钢和高合金奥氏体型低温钢。
（3）按有无镍、铬元素分类：
分为无镍、铬低温钢和含镍铬低温钢。
含镍主要包括0．5％Ni、1．5％Ni、2．5％Ni、3．5％Ni、5％Ni和9％Ni钢。
不含镍的有09Mn2V、09MnTiCuRe、06MnNb、06AICu，06AINbCuN等。
（4）按热处理方法分类：
分为非调质低温钢和调质低温钢。
（5）按晶体点阵类型分类：
分为体心立方的铁素体低温钢和面心立方的奥氏体低温钢两大类。
铁素体低温钢一般存在明显的韧性．脆性转变温度，当温度降低至某个临界值（或区间）会出现韧性的突然下降。
因此，铁素体钢不宜在其转变温度以下使用，一般需加入Mn、Ni等合金元素，降低间隙杂质，细化晶粒，控制钢中第二相的大小、形态和分布等，使铁素体钢的韧性．脆性转变温度降低。
铁素体低温钢按成分分为三类：
①低碳锰钢（C0.05-0.28%，MnO．6—2%）。
使Mn／C=10，降低氧、氮、硫、磷等有害杂质，有的还加入少量铝、铌、钛、钒等元素以细化晶粒。
这类钢最低使用温度为-60℃左右。
②低合金钢。
主要有低镍钢（Ni20％）、锰镍钼（Mn0.6-1.5％,Ni0.2—1.O％，MoO.4-0.6％，C郢．25t粉、镍铬钼钢fNi0．7～3．0％，Cr0．4~2．O％，MoO．2-4）．6％，C郢．25％）。
这些钢种的强度高于低碳钢，最低使用温度可达一110。
C左右。
我国研制了几种节镍的低温用低合金钢如09Mn2V等。
③中（高）合金钢。
主要有6％Ni钢、9％Ni钢、36％Ni铜。
其中9％Ni钢是应用较广的深冷用钢，这类高镍钢的使用温度可低至-196℃。
奥氏体低温钢具有较高的低温韧性，一般没有韧性一脆性转变温度。
按合金成分不同，可分为三个系列：
①Fe．Cr-Ni系。
主要为18-8型铬镍不锈耐酸钢。
这种钢低温韧性、耐蚀性和工艺性均较好，已不同程度地应用于各种深冷（．150～-269。
C）技术中。
②Fe．Cr-Ni．Mn和Fe．Cr-Ni—Mn-N系。
这类钢种以锰、氮代替部分镍来稳定奥氏体。
氮还有强化作用，使钢具有较高的韧性、极低的磁导率和稳定的奥氏体组织，适用于作超低温无磁钢（即材料的磁导率很小）。
如0Cr21Ni6Mn9N和0Crl6Ni22Mn9M02等在一269C作无磁结构部件。
③Fe．Mn-A1系奥氏体低温无磁钢。
是中国研制的节约铬、镍的新钢种，如15Mn26A14等可部分代替铬镍奥氏体钢，用于．196℃以下的极低温区。
如能改善这种钢的抗化学腐蚀能力，还可扩大其应用范围。
1.2.3低温钢的性能要求
低温钢主要应具有如下的性能：
①韧性．脆性转变温度低于使用温度；②满足设计要求的强度；⑨在使用温度下组织结构稳定：
④良好的焊接性和加工成型性；⑤某些特殊用途还要求极低的磁导率、冷收缩率等。
低温钢主要用于制造．20---一253。
C低温下工作的储存和运输各类液化气体的设备，因此这类钢必须具备的最重要的性能是抗低温脆化。
要求材料具有抗脆性裂纹扩展的止裂性能。
此外，从安全角度考虑，希望低温钢的屈强比不要高，屈强比越大，表明塑性变形能力的储备越小，在应力集中部位的应力再分配能力越低，从而易于促使脆性断裂的产生。
1.39Ni钢的发展现状
9Ni钢是低碳马氏体型低温用钢，是美国INCO公司于1944开发的，1948年推向市场，美国首先将其应用于天然气提取液He反应塔及液氧储罐内壳的建造中。
1956年得到ASTM规范认证。
1963年ASTM规范认定：
板厚不超过50mm的储罐可以不进行消除焊接残余应力热处理，使9Ni钢用于大型LNG成为可能。
日本大规模的应用9Ni钢是从1969年横滨根岸港建成的35000m3和45000m3平底球面二重式LNG储罐开始的。
随后9Ni钢、ASTMA533钢在陆上LNG储罐建造上得到大量利用，而用于LNG油轮建造仅限于法国1965年建造的‘'JulesVeme”号。
70年代后期，世界上能源需求增加，陆上LNG储罐的需求增大，且不断向大型化方向发展。
1980年日本建成了75000m3LNG储罐，所用钢板板厚为27mm。
1977年制定的JISG3127规范对9Ni钢的热处理进行了要求：
两次正火回火处理（NNT）和淬火回火处理（QT）。
与此同时，制钢技术迅速发展，连铸技术成功应用，熔炼脱磷、转炉精炼等高纯度钢制造技术得到开发应用，这些新技术提高了9Ni的韧性。
另一方面，也有新的热处理工艺例如控SUSL$4后直接淬火工艺，（属于TMCP技术范畴），通过细化晶粒和改善淬透性提高了韧性。
又如，双相区热处理，在铁素体和奥氏体双相区进行加热冷却的淬火热处理，通过增加回转奥氏体含量提高了钢材的韧性，因此9Ni钢的应用日益广泛，现己制成大型LNG低温储罐，并作为LNG或液氮用钢已被世界各国普遍采用oASME规范要求低温时使用的镍系低温钢SA353、SA553、SA645要进行低温冲击试验，并规定了其试验方法和合格标准，其中冲击试验的温度应是从受压时的最低温度或储存低温液体的温度二者之中选取的较低的温度。
同时规范还规定了镍系低温钢需要焊后热处理的厚度是超过2英寸。
ASME规范所推荐的镍系低温钢因其优越的使用性能，得到世界各国的广泛使用。
表1-2为国外典型Ni系低温钢的机械性能。
我国在20世纪60年代末，研制了从．40℃到．253℃的无镍低温用钢，由于各种原因，这些低温钢没有得到推广应用。
1983年国家标准局发布了GB3531-1983《低温压力容器用低合金钢厚钢板技术条件》，规定了16MnDR，09MnTiCuXtDR，09M112VDR，06MnNbDR四种无镍低温钢，使用温度从-30--90℃，其中09Mn2VDR最低使用温度为-70℃，06MnNbDR最低使用温度为．90℃。
1996年4月，国家技术监督局又发布了GB3531．1983的修订版即GB3531．1996《低温压力容器用低合金钢钢板》，使用温度从-30-70℃。
取消了旧标准中的牌号09MnTiCuXtDR和06MnNbDR，新增加了15MrlNiDR和09MnNiDR两种有镍钢；09Mn2VDR最低使用温度由．70℃改变为．50℃。
除GB3531规定的四种低温钢外，07MnNiC订BDR由于其良好的低温冲击韧性，在-40℃的低温冲击功值大于等于47J，在GBl50．1998附录中被推荐为低温用钢。
2000年9月26日，国家质量技术监督局以质监标函[2000】171号文发布GB3531-1996的第l号修改单，取消了09Mn2VDR牌号，自2001年1月1日起实施。
至此列入国标的低温钢就只有四种了，其中16MnDR钢是制造-40℃低温设备用的经济而又成熟的钢种，可制造液氨设备等；15MnNiDR和09MnNiDR属镍系低温钢，具有良好的低温韧性和焊接性。
这样，在我国只有标准规定的设计温度大于等于．70。
C的低温用材料，当设计温度低于．70℃时就必须选用价格较贵的国外材料或不锈钢材料了。
到目前为止，我国的低温钢材料没有形成一个完整的体系，而且在品种、规格尺寸、某些技术条件以及供货时问和经济性要求等方面还不能满足使用要求，我国正在建造的大型低温贮罐大都使用美国ASME规范的镍系低温钢材料。
80年代，从法国引进了9Ni钢球罐两套共8台，用于液态乙烯储存。
其设计压力为2．2MPa，设计温度为一31～104"C。
9Ni钢一般都是薄板用于常压或微低压及超低温条件，用于制造中厚板的中压低温容器在国内是第一次。
通过进行大量的焊接工艺验证和焊接性、断裂韧性、安全性分析等试验研究，为9Ni钢球罐的焊接质量和安全使用提供了可靠的依据。
较好地解决了球罐施工中遇到的热裂纹、冷裂纹、磁偏吹等技术问题，已有一套（4台）投入正常运行。
1995年扬子石化公司在乙烯装置由30万讹扩建为40万讹工程期间，为保证下游化工生产需要和安全存储乙烯物料，在江边码头新建了一套乙烯低温储运设旖。
其中，9Ni钢制作的1万m3双层结构乙烯低温储罐是工程的核心和难点。
2004年，国内首个大型低温液化气项目——广东LNG工程开工，共有大型储罐3台，坐落于深圳大鹏湾，毗邻大亚湾核电站，并与
之共同组成中国南部沿海的新型清洁能源基地。
大罐单台容积16万立方米，单台结构重7000吨，直径80米，仅罐顶自重就达700余吨，被称为“远东之最”。
该工程具有三大技术难点，即罐顶气吹顶升、9Ni钢壁板焊接、罐底板铺设，其中难度最大的就是9Ni钢焊接。
1.4化学成分对9Ni钢的影响
9Ni钢是低碳马氏体型低温用钢，具有体心立方结构，其韧性与温度有强烈的依赖关系，即有明显的脆性转变温度。
影响脆性转变温度的因素主要有晶粒度、组织结构、合金元素和杂质等11”。
Ni是9Ni钢中的主要合金元素。
在钢中加入Ni8．5啦9．50％的作用是：
①改善铁素体的低温韧性和降低脆性转变温度。
②降低Acl点，细化晶粒。
⑨在回火过程中能析出大约10％的分散的逆转奥氏体，逆转奥氏体与残留奥氏体能吸收有害杂质，提高铁素体的韧性，有利于阻止裂纹扩展。
④Ni的固溶，增加了基体的交叉滑移能力，减少了间隙原子与位错的交互作用。
为了保证9Ni钢的韧性要严格控制其它元素或杂质的含量，最大限度地降低钢中的有害杂质元素，如硫、磷、氧、氢和氮等的含量。
含碳量升高，脆性转变温度升高，所以无论从低温韧性考虑还是从焊接性考虑都要限制含碳量在O．13％以下。
微量磷与氧就能使脆性转变温度升高，因此也必须严格限制。
超低的硫、磷、氮含量显著地提高了普通低合金钢的低温冲击韧性和抗应变时效性。
锰对降低脆性转变温度是有效的。
因为锰同镍一样，能使铜的相变温度下降，容易得到细而富有韧性的铁素体晶粒。
降低含碳量，提高Mn／C比，可以得到较低的脆性转变温度。
近年来冶炼技术的革新，提高了钢的纯净度，高纯净化对深低温用9％Ni钢的极限工作温度（一1964C）下的缺口冲击韧度起到了相当良好的作用，不仅明显地提高了钢的冲击韧性，特别是低温冲击韧性，抗应变时效性、抗回火脆性和耐蚀性，而且可大大改善其加工性能，包括焊接性和热加工性能，这对于大型（10万m3以上）LNG储罐的建造，具有十分重要的意义。
1.5热处理对9Ni钢的影响
9Ni钢淬火后的组织为低碳马氏体；经过正火后其组织除含有低碳马氏体外，还会出现贝氏体。
9Ni钢的回火温度一般为550-580℃，此时其组织为含镍的铁素体及约10％的富碳富镍奥氏体。
碳镍均为扩大1，区的元素，M。
点的降低，使奥氏体具有极高的稳定性，即使冷至一200℃也不发生转变，因而使钢具有良好的低温韧性。
当回火温度高于580℃时，奥氏体的含量将增多，使奥氏体中的含碳量降低，稳定性降低，低温下就发生马氏体转变。
9Ni钢的等温和连续转变曲线如图1．1、图1．2所示。
9Ni钢有三种热处理供货状态：
①双正火+回火（NNT）第一次正火为900"C空冷，第二次正火为790"12空冷，双
正火细化了晶粒，回火温度为550-58012回火后急冷。
经双正火和回火后的组织为回火马氏体与贝氏体。
②淬火+回火（QT）淬火温度为800℃，水冷或油冷。
回火温度为550-．-580"C。
经
淬火和回火后的组织为低碳马氏体。
③两相区淬火+回火（mT）一般为800℃空冷，670℃水淬。
回火温度为550～580℃。
经两相区淬火和回火后的组织为低碳马氏体。
在三种热处理制度中，经NNT处理的9Ni钢，其低温韧性最差，经IHT处理的9Ni钢，低温韧性最好。
原因有两点：
①在嘶两相区中的670"C淬火处理，在相同的回火温度下，逆转奥氏体的数量比经QT处理后多。
如同在560。
C回火，IHT的逆转奥氏体为5．6％，AkV77K为104J；而QT的逆转奥氏体仅为2．5％，AkV77K为43J。
②用不同的温度回火处理，经QT与IHT处理的9Ni钢虽可获得同样数量的逆转奥氏体，但经QT处理的逆转奥氏体的析出部位比较集中，主要分布于原奥氏体晶界与马氏体束界上。
经IHT处理后，逆转奥氏体分布均
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