LNG储罐用9Ni钢的焊接性及其模拟研究

论文摘要

伴随着全球液化天然气（Liquefied natural gas,简称LNG）消耗量持续增长,国内外建造新的大型LNG设施的需求不断增加,目前,在大型低温储罐和压力容器中,低温韧性优良的9%Ni钢基本上取代了Ni-Cr不锈钢,成为建造LNG低温储罐的主要用材。本课题以9Ni钢为研究对象,应用相变热力学、动力学、金属物理学和弹塑性力学等基本理论,采用物理模拟和数值模拟相结合的手段,研究了这种低温钢在不同焊接工艺参数下焊接接头的强韧化规律以及冷裂纹倾向,并计算了9Ni钢的焊接温度场、应力场和组织转变场,得出保证9Ni钢焊接接头低温强韧化的焊接工艺参数,实现了对焊接接头的组织和性能的预测。采用一次回归正交试验方法,并利用焊接热模拟技术,考察焊接热输入和层间温度两个因素对9Ni钢焊接热影响区的组织和性能的影响。结果表明,9Ni钢焊接热影响区的组织主要为板条马氏体,并可能存在少量的残余奥氏体。在较大冷却速度范围内,9Ni钢的焊接粗晶区的硬度没有出现太大的下降,在试验的焊接工艺条件下没有出现明显的软化现象;在粗晶热影响区中,热输入是影响过临界粗晶热影响区（SRCGHAZ）和临界粗晶热影响区（IRCGHAZ）低温韧性的主要工艺参数;临界粗晶热影响区（IRCGHAZ）是9Ni钢焊接热影响区中韧性最差的部分。对焊接热影响区的硬度和韧性分别建立了预测模型,预测值与实测值吻合较好。基于焊接传热学、热弹塑性理论以及相变热力学、动力学理论,考虑了材料的物理性能与温度之间的非线性关系,以及温度场、组织转变场和应力应变场之间的作用,利用SYSWELD工程有限元计算软件对9Ni钢焊接温度场、组织转变场和应力应变场进行了计算。采用斜Y型坡口焊接裂纹试验,并结合焊接数值模拟技术,对9Ni钢焊接冷裂纹敏感性进行了研究。结果表明,9Ni钢焊接冷裂敏感性不是很大,在不同的预热温度、环境温度和环境湿度下,采用Ni基焊条进行焊接时,断面裂纹率都较低,焊接条件较苛刻时,可以采用75℃左右的预热温度进行焊前预热。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 低温用钢
• 1.2.1 铁素体低温钢
• 1.2.2 奥氏体低温钢
• 1.3 9Ni钢的发展与应用
• 1.3.1 9Ni钢概述
• 1.3.2 国外9Ni钢的研究与应用
• 1.3.3 国内9Ni钢的研究与应用
• 1.4 金属焊接性评定的模拟方法的研究进展
• 1.4.1 金属焊接性及其评定
• 1.4.2 物理模拟技术在焊接中的应用
• 1.4.3 数值模拟技术在焊接中的应用
• 1.5 本课题研究内容
• 第二章 试验材料及方法
• 2.1 试验材料
• 2.1.1 试验用板材
• 2.1.2 试验用焊材
• 2.2 试验方法
• 2.2.1 焊接热影响区连续冷却曲线（SHCCT图）的测定
• 2.2.2 一次回归正交试验设计
• 2.2.3 热模拟试验
• 2.2.4 组织和性能的测定
• 2.2.5 斜Y型坡口焊接裂纹试验
• 第三章 9Ni钢焊接热影响区的组织转变规律
• 3.1 9Ni钢的连续冷却转变图（SHCCT图）
• 3.2 9Ni钢的组织类型和形态
• 3.3 9Ni钢的组织转变规律
• 3.3.1 组织形态的变化
• 3.3.2 组织构成的变化
• 3.4 焊接条件下热影响区的组织转变规律
• 3.4.1 临界热影响区（ICHAZ）
• 3.4.2 粗晶热影响区（CGHAZ）
• 3.4.3 过临界粗晶热影响区（SRCGHAZ）
• 3.4.4 临界粗晶热影响区（IRCGHAZ）
• 3.5 本章小结
• 第四章 9Ni钢焊接热影响区的相变计算与组织预测
• 4.1 相变理论
• 4.1.1 Leblond相变模型
• 4.1.2 Koistinen-Marburger相变模型
• 4.2 9Ni钢焊接热影响区相变模型参数的确定
• 4.2.1 相变模型参数的确定
• 4.2.2 相变模型参数的验证
• 4.3 9Ni钢热影响区相变的计算
• 4.4 本章小结
• 第五章 焊接热影响区温度场的数值计算
• 5.1 焊接温度场热源模型
• 5.1.1 高斯热源模型
• 5.1.2 双椭球热源模型
• 5.2 控制方程
• 5.3 焊件几何模型的建立
• 5.4 温度场数值模拟
• 5.5 工艺参数对焊接热循环的影响
• 5.6 本章小结
• 第六章 9Ni钢应力场的数值计算
• 6.1 焊接应力场的数值模拟
• 6.1.1 纵向应力分布
• 6.1.2 横向应力分布
• 6.1.3 焊接过程中各层的VonMises等效残余应力分布
• 6.1.4 各层焊后残余应力分布
• 6.2 焊接工艺参数对残余应力的影响
• 6.3 本章小结
• 第七章 9Ni钢焊接热影响区的力学性能
• 7.1 焊接热影响区的硬度
• 7.2 焊接热影响区的低温韧性
• 7.2.1 试验结果
• 7.2.2 低温韧性的影响因素
• 7.2.3 综合讨论
• 7.3 9Ni钢焊接热影响区的性能预测
• 7.3.1 9Ni钢的粗晶热影响区的硬度预测
• 7.3.2 9Ni钢焊接HAZ的韧性预测
• 7.4 本章小结
• 第八章 9Ni钢的焊接冷裂纹敏感性
• 8.1 焊接冷裂纹的影响因素
• 8.2 斜Y型坡口焊接裂纹试验
• 8.2.1 试验结果
• 8.2.2 组织和硬度分析
• 8.2.3 应力分析
• 8.2.4 综合讨论
• 8.3 9Ni钢焊接预热温度的确定
• 8.4 本章小结
• 第九章 全文总结
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢