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探讨中铬钼钢管和奥氏体不锈钢管接头连接的最佳方案

2020-07-04 356 上传者：管理员

摘要：由于奥氏体不锈钢与中铬钼钢线膨胀系数的差异,奥氏体不锈钢集箱管接头与中铬钼钢管连接后在高温工况运行时会产生较大的热应力,引起连接处的破坏。通过选择适当的镍基焊材及采用膨胀系数在二者之间的过渡段进行过渡,可以有效降低连接处的热应力。本文使用有限单元法计算不同连接方案的热应力,并进行分析评定,从而设计出奥氏体不锈钢管接头与中铬钼钢管连接的最佳方案。

关键词：
有限元法
流变学
热应力
过渡段
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随着锅炉参数的提高,锅炉受热面管子的材料等级随之提高,受热面管子从炉内到炉外常常出现奥氏体不锈钢和中铬钼马氏体钢相连接的结构。在相同温度下,奥氏体不锈钢(如SA-213TP316等)的线膨胀系数比中铬钼钢(如SA-213T92等)高出30%以上,且高温弹性模量和导热系数也有差异,在两种材料的拼接处会产生较大的热应力。特别是蒸汽温度高达630℃时,不锈钢材料与中铬钼钢材料相连接时,此热应力很容易超出焊缝和两种材料的许用应力值范围,并在焊缝处形成应力集中,在锅炉启停及负荷大幅变化等工况下,焊缝处的应力集中区域受到交变应力的作用,从而产生疲劳或棘轮效应,形成破坏的裂纹源,从而造成焊缝开裂泄漏甚至爆管。

本文通过选用镍基焊材、调整管子规格、选取不同过渡段材质等手段,对材质为TP316、TP310HCBN的奥氏体不锈钢集箱管接头与T92管子的连接提出了合理的连接方案。并对各方案的计算结果进行分析,得出不同材料连接时热应力对实际结构的影响程度,找到既满足结构要求,也符合经济性要求的材料连接方案。

1、研究内容

本文设计了中铬钼钢连接管与奥氏体不锈钢管接头的三种连接方案,每种连接方案计算了ϕ219×20和ϕ219×30两种规格。具体方案内容见表1,其中方案1、2对比计算了T92与TP316和TP310HCbN两种材料采用镍基焊材直接焊接的应力情况;方案3为T92与TP316连接,采用TP310HCbN管子过渡的连接方案。采用ANSYS13.0软件对以上方案分别建立模型进行计算分析,模型使用面单元SOLID8NODE186。

表1不同连接方案的连接形式

计算参数及材料性能数据如下:

计算参数为:最高工作温度为630℃,运行期间温度波动取30℃,即工作时管子壁温在600℃～630℃范围波动,工作压力7.04MPa。

根据上文表1中的设计方案,本文涉及的材料如下:奥氏体不锈钢集箱材质为SA-213TP316和SA-213TP310HCbN两种,连接管采用SA-213T92材质,过渡段选用了奥氏体不锈钢SA-213TP310HCbN,镍基焊材材质为ERNiCrCoMo-1。根据ASME标准以及相关资料,以上材质的物理性能和力学性能数据如下,见表2所示。

表2各种材料物理及力学性能数据表

2、各方案热应力计算及分析

2.1T92与TP316采用镍基焊材焊接

方案1计算了两种规格的T92连接管与TP316集箱管接头选用镍基焊材ERNiCrCoMo-1焊接的热应力。图1为规格ϕ219×20管子连接处的热应力云图,可见最大应力点出现在奥氏体不锈钢管接头TP316与镍基焊材熔合处。

对计算结果沿管子壁厚、焊缝本体及焊缝熔合处进行线性化,线性化结果汇总见表3。可见T92连接管与TP316管接头段应力均不合格。其中ϕ219×20接管处T92连接管端应力是法规应力的1.27倍,TP316管接头端应力是法规应力的1.63倍。

将规格增加为ϕ219×30,接管处T92连接管端应力有所下降,但TP316管接头端应力升高。这是由于增加壁厚沿管壁的一次应力平均值会降低,同时二次应力值增加,T92膨胀系数与镍基焊材接近,壁厚增加对二次应力的影响较小,管子总体当量应力降低。而TP316与镍基焊材膨胀系数相差较大,增加壁厚会使二次应力显著增加,管子总体当量应力升高。通过与规范应力对比,规格为ϕ219×30的接管“薄膜+弯曲”应力仍不符合规范要求。

图1连接方案1应力云图

注:线性化位置,1:T92管子母材;2:T92母材与焊缝熔合处;3:焊缝本体;4:TP316与焊缝融合处;5:TP316管子母材。

2.2T92与TP310HCbN采用镍基焊材焊接

方案2探讨焊材对规格为ϕ219的T92与TP310HCbN连接处热应力的影响,计算的应力云图见图2。与方案1类似,应力最大点出现在镍基焊材与奥氏体不锈钢管接头融合处。

图2连接方案2应力云图

对计算结果进行线性化,结果见表4。对比方案1,此方案的热应力有所降低。这是由于工作温度下TP310HCbN的线膨胀系数小于TP316的线膨胀系数,与镍基焊材ERNiCrCoMo-1的线膨胀系数更为接近。当管接头规格为ϕ219×20时,TP310HCbN管接头与焊缝熔合线处的应力满足规范要求,但T92连接管端应力是规范应力的1.15倍,不满足规范要求。

增加壁厚到ϕ219×30后,接管各个部位应力均符合规范要求,此方案满足应用条件。但此方案中,集箱与管接头材质均为TP310HCbN,其Cr、Ni含量相比TP316均较高,价格更贵,该方案会增加集箱的材料成本。

表4T92与TP310HCbN焊接(焊材ERNiCrCoMo-1)的应力评定

注:线性化位置,注1:T92管子母材;注2:T92母材与焊缝熔合处;注3:焊缝本体;注4:TP310HCbN与焊缝融合处;注5:TP310HCbN管子母材。

2.3T92与TP316连接采用TP310HCbN过渡

鉴于方案2采用TP310HCbN制作集箱成本较高,方案3选用TP316制作集箱,使用TP310HCbN管子进行过渡,管子规格分别为ϕ219×20、ϕ219×30两种。

方案3管子过渡处的计算应力云图见图3。该种连接方式最大应力点出现在T92与TP310HCbN连接处的TP310HCbN端。由于热膨胀系数与弹性模量接近,两种不锈钢TP316和TP310HCbN连接处应力较小。

对连接处各部位沿壁厚进行线性化,结果汇总于表5。根据计算结果,对比上述方案,可见利用TP310HCbN进行过渡可以有效降低连接处的热应力。由于T92在630℃许用应力较低,导致了规格为ϕ219×20的T92管子端热应力是规范许用值的1.07倍。将管子规格增加为ϕ219×30,连接处各部位的“薄膜+弯曲”线性化结果均小于法规要求,评定合格,此种连接方案基本满足要求。

图3连接方案4应力云图

表5T92与TP316采用TP310HCbN过渡连接的应力评定

注:线性化位置,1:T92管子母材;2:T92母材与过渡段焊缝熔合处;3:过渡段母材;4:TP316与过渡段焊缝融合处;5:TP310HCbN过渡段母材;6:TP310HCbN过渡段与TP316管接头连接处。

3、结论

本文在设计温度630℃,设计压力7.04MPa的条件下,对中铬钼钢SA-213T92和不锈钢SA-213TP316及SA-213TP310HCbN的连接,设计并计算了两种规格,3种连接方案的热应力,并进行分析评定,得出结论如下:

1)T92连接管和TP316管接头采用镍基焊材焊接,焊缝处一次加二次应力值超过规范许用值,此种方案不合格。

2)T92连接管和TP310HCbN管接头使用镍基焊材焊接,ϕ219×20规格的T92连接管端应力不满足规范,其他部位应力均在规范允许范围内;当规格增加为ϕ219×30后,各部位应力评定均合格。但此种方案需使用TP310HCbN材质制造集箱,成本较高。

3)使用TP316制造集箱,T92连接管与TP316管接头连接采用TP310HCbN过渡。当接管规格为ϕ219×20时,T92管子母材处不满足规范要求;当连接管壁厚增加到ϕ219×30后,连接处各部位二次应力均在规范允许范围内,此种方案满足使用要求。

综上,设计温度630℃,设计压力为7.04MPa时,使用SA-TP316制造集箱,采用TP310HCbN过渡这一方案较为经济合理。此外,管接头焊缝强度与焊接质量、热处理情况等均有密切关系,实际应用时应多方面考虑。

沈洁,张磊.奥氏体不锈钢集箱管接头与中铬钼钢管连接方案的设计及分析[J].锅炉制造,2020(04):54-57.