P92钢是一种新型马氏体耐热钢，广泛用于超超临界机组（USC）锅炉主蒸汽管道尧集箱尧过热器等部件的制造[1-2]，其焊态焊缝为比较粗大的板条马氏体组织+少量的啄铁素体组织，硬度相当高。为降低焊接残余应力，改善组织性能，提高焊缝冲击韧性，必须对焊接接头进行焊后高温回火热处理，热处理后管道的硬度应当在180~250HB之间。P92钢焊后热处理（PWHT,PostWeldHeatTreatment）主要包含两个阶段，首先当P92钢焊缝整体焊接完毕，试件冷却到80～l00℃停留lh，保证焊缝金属金相组织全部转变成马氏体，然后再及时进行(760依10)℃的高温回火处理。由于P92钢管壁厚较大（有的超过90mm），受现场安装施工过程中加热条件的限制，内外壁会产生较大温差，影响热处理效果。在焊后热处理恒温阶段，内外壁的最大温差尽量控制在25℃以内，保温时间6～8h；为防止轴向温差过大产生热应力，也应该尽量控制加热和冷却速度，300℃以上采用较小的加热速度和冷却速度。因此整个焊后热处理过程时间长，影响因素也较多，如果单纯采用试验方法对焊后热处理温度场进行研究不仅没有前瞻性，而且大量的试验会耗费大量人力物力，增加试验成本。数值模拟技术能够极大地缩短研发周期，节省研发成本，为P92钢焊后热处理工艺研究提供有效的研究手段，也能为实际焊后热处理工艺的制订提供指导。本研究基于ANSYS有限元分析软件，建立了SA335-P92钢管的局部焊后热处理有限元模型，对焊后热处理温度场进行了模拟，并将模拟结果与试验结果进行了对比，分析了加热尧保温尧冷却阶段焊接接头附近的温度场分布情况。

1 有限元模型建立

1.1 材料及热处理工艺

试验材料为德国V&M公司生产的马氏体耐热钢SA335-P92钢管，钢管内径准349mm，壁厚94.5mm，其化学成分如表1所示。取两根长度700mm的钢管进行对接焊，先用钨极氩弧焊（GTAW）打底，再采用埋弧自动焊（SAW）及手工焊条电弧焊（SMAW）进行填充和盖面。为了改善焊接接头的组织和性能，按图1所示的热处理工艺对焊好的钢管进行焊后热处理，对焊接接头进行（760依10）℃伊8h的高温回火处理，为降低内外壁温差，加热到300℃以上时采用较小的加热速度。本次试验采用局部焊后热处理，加热宽度（两侧）为600mm，保温宽度（两侧）为800mm，其余部分未进行保温措施，为自然对流状态。加热方法为柔性陶瓷电阻加热，保温材料选用硅酸铝纤维毡。为了测定热处理过程中接头附近的温度变化情况，预先在钢管内外表面布置了测温热电偶，测温点如图2所示。

1.2 有限元模型及材料参数

图3所示为根据实际钢管尺寸建立的P92钢管焊后热处理模型，考虑到模型的对称性，只在周向方向取1/8模型，在轴向取1/2模型进行分析。对模型进行了网格划分，由于热处理保温和加热区域温度梯度较大，取较小单元尺寸，为1mm，从保温区至自然对流区建立过渡网格，网格尺寸逐渐粗化，最小网格尺寸为2mm，最大网格为4mm，单元类型为SOLID70。

为所建立的有限元网格模型单元分配相应的材料性能参数，用于焊后热处理温度场模拟的主要材料参数有密度尧比热容尧导热系数和对流换热系数等性能参数。本研究中所采用的P92钢材料的热物理性能参数如表2所示。

2 温度场模拟结果及分析

2.1 热处理过程温度场模拟结果

图4是P92钢管焊后热处理过程中温度场云图。由图可以看出，在焊后热处理过程中，在钢管轴向方向，加热区域始终保持最高温度，保温区次之，而自然对流区温度较低，这与实际的焊后热处理基本规律一致。从图4（a）可以看出，当加热时间t1为1 h时，加热区温度最高，为175℃，自然对流区温度最低，为室温25℃；从图4（b）可以看出，当t1为3h时，最高温度明显提高，达到396℃，最低温度为107℃；从图4（c）可以看出，当t1为6h时，最高温度629℃，最低温度为162℃。对比不同加热时间下的温度场结果可以看出，在加热阶段，随着加热过程的进行，高温区域不断吸收热量，温度不断升高，而保温区和自然对流区域则在热传导的作用下温度逐渐升高，而自然对流区由于没有保温，在自然对流条件下散热较快，温度升高较慢。当加热阶段终了保温阶段开始（t2=0h），此时温度场模拟结果如图4（d）所示，最高温度达到765℃，最低温度278℃。保温阶段，温度逐渐均匀，轴向温度有逐渐减小的趋势，当保温时间t2=7 h时，如图4（e）所示高温区域逐渐扩大，最高温度恒定为765℃，而最低温度达到376℃左右；保温阶段结束后，即进入冷却阶段，当冷却时间t3=4 h时温度场结果如图4（f）所示，可以看出此时高温区域明显缩小，最高温度降低至500℃左右，但最低温度仍有312℃左右。

2.2 模拟结果与实测结果对比

图5是焊后热处理过程中P92钢管外壁轴向不同位置处的温度分布，图中实线为温度分布模拟值，离散点为温度实测值。由图可以看出，P92钢管在焊后热处理加热尧保温及冷却过程中温度分布规律基本一致，沿轴向方向随着距焊缝中心距离的增加，温度逐渐降低。由模拟结果可知，当加热时间为3h时，焊缝中心温度为396℃，随着距焊缝中心距离的增加，温度逐渐降低，在加热区域内温度梯度相对较小，超过加热区域温度梯度明显增大，当加热温时间达到6h时，焊缝中心温度升高至629℃。进行保温时，随着保温时间的延长，保温区域温度梯度进一步减小。冷却4h时，可以看到焊缝中心温度降至约500℃，而此时距焊缝中心最远处温度为376℃，温度梯度明显减小。温度场轴向分布模拟值与实测值较为吻合，表明所建立的有限元模型可用于焊后热处理温度场的模拟。

图6是焊后热处理过程中P92钢管焊缝中心处内外壁温差与保温时间的关系。由图可以看出，随着保温时间的延长，内外壁温差总体上逐渐减小，当保温时间达到6h以上时基本保持恒定，温差大约在20℃左右，满足热处理规范对恒温阶段内外壁温度差小于25℃的要求。内外壁温度差模拟结果与实测结果基本吻合，预测误差控制在7℃以内，表明建立的模型具有一定的实用性。

3 结论

（1）P92钢管在焊后热处理过程中，在轴向方向加热区域始终保持最高温度，保温区次之，而自然对流区温度较低，随着至焊缝中心距离的增加温度逐渐降低。温度场模拟值与实测值较为吻合，表明建立的有限元模型可用于焊后热处理温度场模拟。

（2）在加热阶段，高温区域温度升高速率较快，保温区次之，自然对流区由于散热较快，升温速率较慢；保温阶段，随着保温时间的延长，轴向温差有逐渐减小的趋势，焊缝中心内外壁温差也逐渐减小，保温时间达到6h后内外壁温差保持在20℃左右。