（材料物理与化学专业论文）石化装置用珠光体耐热钢损伤规律及安全评估技术的研究.pdf

。互些茎墨旦堡垄堡堕垫塑堡堑塑堡墨窒全堡笪垫查塑堡塞 摘要 石化装置用珠光体耐热钢般都工作在高温压力条件下，在温度和压力长 期作用下，材料的显微组织将发生一系列变化，如珠光体球化、台金元素贫化 以及碳化物聚集长大等，这些组织劣化行为使得材料的高温性能下降，进而导 致管材提前失效或发生爆裂事故，影响石化装置的安全运行。因而有必要研究 珠光体耐热钢的损伤规律及安全评估技术。 本文主要针对石化装置常用的三种珠光体耐热钢1 2 c r l m o v 、1 c r 5 m o 和 2 0 钢进行研究。通过不同温度、不同时间的高温时效试验，使材料出现不同程 度的组织损伤利用扫描电镜、电子探针、图像分析仪、光学显微镜等对时效 过程中的组织演变规律进行研究。同时对于具有典型组织劣化状态的材料，进 行常温、高温短时力学性能试验以及持久性能试验，以分析组织劣化对材料性 能的影响。 通过上述试验，总结了三种材料在时效过程中显微组织的变化规律，并得 到了碳化物的粗化动力学关系式。对材料的常温及高温短时拉伸的断口形貌分 析表明其断口都是典型的延性断口。对时效9 0 0 h 后的1 2 c r l m o v 部分合金 元素( c r 、m o ) 的定量分析表明：c f 的贫化不显著，而m o 则有着明显的贫 化现象，由于m o 的贫化，减弱了固溶强化的效果，这是材料性能降低的原因 之一。 本文探讨了三种珠光体耐热钢进行剩余寿命评估的基本策略，对于在高温 条件下运行的珠光体耐热钢来说，由于组织的劣化，导致持久性能的下降，这 一过程可用l a r s o n m i l l e r 法表示为：p = z z 1 l go z 2o 或p = z o z z 1 l g o z ，o ，其中z 是用于表征由于组织劣化而产生的性能劣化参数，随着组织劣 化，剩余寿命下降，相应的数据曲线左移，z 值随之发生变化。同时建立了材 料持久性能劣化参数z 与组织劣化程度e 之间的关系。因此，实现了通过对构 件组织的评定来定量预测构件的剩余寿命。 本项目是与大连石化公司合作的横向课题，已于2 0 0 3 1 2 9 通过大连石化 公司的验收。 关键词：珠光体耐热钢；安全评估；寿命评估策略；损伤规律 一i 一 互些鳖墨旦堡堂堡堕垫塑塑鱼塑堡墨塞全堡笪垫苎塑翌塞 a b s t r a c t p e a r l i t eh e a tr e s i s t a n ts t e e l s u s e di nt h e p e t r o c h e m i c a li n d u s t r yd e v i c e s g e n e r a l l y w o r ku n d e rt h e h i g h t e m p e r a t u r ep r e s s u r ec o n d i t i o n u n d e rt h e c i r c u m s t a n c e st h a tt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ea c t0 nf o ral o n gt i m e ，as e r i e s o f c h a n g e s w i l lt a k e p l a c e t ot h em i c r o s t r u c t u r eo ft h em a t e r i a ls u c ha s p e a r l i t e s p h e r o d i z a t i o n ，a l l o y i n ge l e m e n t si m p o v e r i s h m e n ta n dc a r b i d e g r o w i n g t h e s e m i c r o s t r a c t u r a i d e g r a d a t i o n b e h a v i o rm a k e s h i g h t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e o f m a t e r i a ld r o p ，l e a d st ot h ep i p eb u r s t i n ga h e a do ft i m e ，a n di n f l u e n c e st h es a f e o p e r a t i o n o ft h e p e t r o c h e m i c a li n d u s t r y d e v i c e s t h e r e f o r ei ti s n e c e s s a r y t o r e s e a r c ht h e d a m a g e l a wa n d s e c u r i t y a c c e s s t e c h n o l o g y o ft h e p e a r l i t e h e a t r e s j s t a n ts t e e l s t h i sp a p e rs t u d i e st h r e ep e a r l i t eh e a tr e s i s t a n ts t e e l s1 2 c r l m o v 1 c r 5 m o a n d2 0s t e e lw h i c ha r ec o m m o n l yu s e di np e t r o c h e m i c a li n d u s t r yd e v i c e s t h r o u g h h i g h t e m p e r a t u r ea g i n ge x p e r i m e n to fd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea n dd i f f e r e n tt i m e ， m a k et h em i c r o s t r u c t u r ed a m a g ei nv a r i o u sd e g r e e m i c r o s t r u c t u r ec h a n g e sa r e r e s e a r c h e d b ys e m ，e p m a ，o ma n di m a g ea n a l y z e r a t t h es a m et i m e ，t h e m a t e r i a lw h i c hh a st y p i c a lm i c r o s t r u c t u r e d e g r a d a t i o n s t a t ec a r r i e so nn o r m a l t e m p e r a t u r e ，h i g ht e m p e r a t u r e s h o r t - t i m em e c h a n i c a l p r o p e r t ye x p e r i m e n t a n d c r e e p - r u p t u r es t r e n g t he x p e r i m e n ti no r d e rt oa n a l y s et h ei m p a c to f m i c r o s t r u c t u r e d e g r a d a t i o n o nm a t e r i a lp e r f o r m a n c e t h r o u g h a b o v e m e n t i o n e d e x p e r i m e n t ，t h e m i c r o s t r u c t u r e c h a n g e s l a wo f t h r e ek i n d so fs t e e l sh a sb e e ns u m m a r i z e d ，a n dk i n e t i c sf o r m u l ao fc a r b i d e c o a r s e n i n g i so b t a i n e d t e n s i l e f r a c t o g r a p h y i n d i c a t e st h a tt h ef r a c t u r ei sa l l t y p i c a ld u c t i l i t yf r a c t u r e t h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so f s o m e a l l o y i n ge l e m e n t s ( c r ， m o1o f1 2 c r l m o va g i n gf o r9 0 0h o u r si n d i c a t e st h a tt h ei m p o v e r i s h m e n to fc ri s n o tr e m a r k a b l e b u tt h e i m p o v e r i s h m e n t o fm oi so b v i o u s b e c a u s eo ft h e i m p o v e r i s h m e n to fm o ，s o l i ds o l u t i o ns t r e n g t h e n i n gd e c r e a s e s ，a n dt h i si s o n eo f t h er e a s o n sw h ym a t e r i a lp e r f o r m a n c er e d u c e s t h i sp a p e rd i s c u s s e st h es t r a t e g yt oe v a l u a t i n gr e s i d u a ll i f eo ft h r e ek i n d so f p e a r l i t e h e a tr e s i s t a n ts t e e l s i th a sb e e ns h o w nt h a tt h ec r e e p r u p t u r es t r e n g t h d e c r e a s e dw i t hm i c r o s t r u c t u r a l d e g r a d a t i o n t h er e l a t i o n s h i p b a s e do n l a r s o n ，m i l l e rm e t h o dc a nb ee x p r e s s e da s ：p = z z i l go z 2 o o rp = z o z z ll go z 2o ，w h e r ezi s ap a r a m e t e rr e l a t e dt o d e g r a d a t i o no fc r e e p r u p t u r e s t r e n g t h t h e r e s i d u a l1 i f er e d u c e sw i t hm l c r o s t r u c t u r a l d e g r a d a t i o n ，a n d t h e c o r r e s p o n d i n gc u r v em o v e st ot h el e f t w h i c hm a k e szc h a n g e d t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e n c r e e p r u p t u r es t r e n g t h d e t e r i o r a t i o n p a r a m e t e r za n dm i c r o s t r u c t u r a l d e g r a d a t i o np a r a m e t e rei s f o u n d e d s ot h er e s i d u a l1 i f e c a nb e p r e d i c t e db y a n a l y z i n gt h em i c r o s t r u c t u r a ld e g r a d a t i o no f t h ec o m p o n e n t s 一一 石化装置用珠光体耐热钢损伤规律及安全评估技术的研究 t h i s p r o j e c tw h i c hi st h eh o r i z o n t a l s u b j e c t c o o p e r a t i n g w i t hd a l i a n p e t r o c h e m i c a l i n d u s t r yc o m p a n y h a s a l r e a d yp a s s e d t h ec o n f i r m a t i o no n 1 2 9 2 0 0 3 k e y w or d s ：p e a r ii t eh e a tr e s i s t a n ts t e e is ：s a l e t ye v a fu a t io n d a m a g e ia w m l f e 石化装置用珠光体耐热钢损伤规律及安全评估技术的研究 1 1 引言 第一章绪论 研究材料在运行中的组织性能损伤及其相应的寿命安全评估问题，是一个十分复杂 的问题。它涉及到金属物理学、对结构的弹塑性分析、裂纹形成后的断裂力学分析以及 人们通过大量的试验和运行经验总结出来的规律性认识。到目前为止，这些认识还远未 达到完善的程度。因此，对于材料在运行中的组织性能损伤及寿命安全评估的研究具有 十分重要的意义。 现在全世界已有大量的石油、化工厂、发电厂运行了相当一段时间，其关键的一些 部件已经超过了3 0 一4 0 年的设计寿命。由于经济环境等方面的限制，近十年来新厂建设 减少，因而进入设计寿命期的工厂在今后十年将不断增加，于是各大厂家都有一个强烈 的愿望，即希望他们的工厂再继续运行2 0 至4 0 年。因此，寿命安全评估技术的的开发 与研究已成为现代工业生产不可缺少的组成部分。寿命安全评估技术所带来的经济效益 是相当可观的，投入的研究成本与产生的经济效益相比甚少。西方许多工业发达的国家 由于对寿命技术的普遍采用，其石油、化工厂的检修间隔也可以从原来的一年一大修延 至二到三年一大修，有些公司，如德国的b a s f 和b a y e r 等甚至可以做到五年一次大修， 显然由此带来的社会和经济效益都是十分巨大的【l j 。 一般石化装置用珠光体耐热钢是在高温压力条件下工作的，在温度和压力长期作用 下，材料的内部组织将发生一系列变化，例如珠光体球化、碳化物聚集长大及石墨化等。 随着使用温度提高或时间延长，其内部组织变化会更为剧烈；由于生产条件的复杂性， 管道往往处于超温服役。超温服役对管材内部组织变化影响更为显著，使材料内部组织 很快发生劣化；劣化后的组织会使管材的蠕变强度、高温塑性急剧下降，进而导致管材 提前失效或发生爆裂事故。 因此研究珠光体耐热钢在高温服役或时效过程中的组织演变规律、组织劣化程度、 影响因素以及寿命安全评估技术，对确保石油化工装置安全运行和现场指导检修与设备 更换具有重要的理论和实际意义。 1 2 关于珠光体耐热钢的研究 珠光体耐热钢在化工、石油设备中主要用于炉管、热交换器和其它受热面管子、高 压加氢设备中的各种管道和高温紧固件。 1 2 1 珠光体耐热钢的特点“1 珠光体耐热钢除碳钢外，大多是含有铬、钼元素，少数的还含有钒元素，但含量都 不大，所以当加热、冷却时都能发生n 曹y 相的转变。经正火后，容易得到珠光体组织， 因此，这类钢称为珠光体耐热钢。 作为石油化工热交换器和锅炉用钢，除了要求有较好的耐热性外，还要求有很好的 焊接性能和冷加工性能，为此，这类钢应具有良好的塑性。因此，其化学成分中含碳量 都很低，其中钢管的含碳量要求更低，一般在0 1 o 1 5 c 之问；钢板为0 2 0 0 3 0 至些茎量l ! 哒生堕垫塑塑堕塑堡垦窒全受鱼堡查煦婴塞 c 之间，最多不能超过0 3 0 c 。 这类钢作为耐热钢，其耐热性虽然比奥氏体钢低，但它有许多优点： 1 ) 这类钢合金元素少，价格比较便宜： 2 ) 冷、热加工性能和焊接性能较好，热膨胀系数低，导热性能强，从而可避免焊 接时引起局部过热和产生较大的应力； 3 ) 热处理工艺简单，一般为正火加回火，能改善机械性能，也能利用热处理细化 组织。 但这类钢耐热性较差，它的工作瀑度般不超过5 5 0 一5 8 0 。c ? 1 2 2 珠光体耐热钢的组织稳定性 3 1 在高温、应力长期作用下，由于扩散过程加快，钢的组织将逐渐发生变化。由于组 织的不稳定性将引起钢的性能的变化，特别是对钢的热强性、松弛稳定性等性能都会带 来不利的影响。珠光体耐热钢在高温长期工作条件下常见的组织不稳定现象有： 1 2 2 1 石墨化 钢在高温、应力长期作用下，由于珠光体内渗碳体分解为游离石墨的现象称为石墨 化。低碳钢当温度于4 5 0 以上，含0 5 9 1 0 的钢在5 0 0 左右长期工作时，都可能发生 石墨化，此时，钢脆化，强度与塑性降低，可导致爆管等事故。对由于长期过热导致爆 管的2 0 钢分析发现，其石墨化已达三级【4 j 。一般钢发生石墨化的时间约需几万小时。防 止0 5 m o 钢石墨化的最有效方法是实行进一步的合金化。在钢中加入铬、钒、铌等强碳 化物形成元素能有效地阻止石墨化。 1 2 2 2 珠光体球化 低合金珠光体型耐热钢在高温和应力长期作用下，珠光体组织中片状渗碳体逐渐自 发地趋向形成球状渗碳体，井l 曼慢聚集长大。该现象称为珠光体球化。文献 5 对碳化物 的球化过程和机理进行了探讨。影响球化的主要因素是温度、时间和化学成分。 实践表明，低合金耐热钢中加入铬、铝、钨、钒、铌等合金元素能显著地减弱其球 化过程。这些合金元素的单个加入或复合加入后都能起到良好的作用。其原因是，它们 能减弱碳在a 固溶体中的扩散，同时这些合金元素又能与碳形成稳定的碳化物。 1 2 2 3 固溶体中合金元素的贫化 无论低合金耐热钢，还是奥氏体耐热钢，在高温和应力条件下长期服役时，固溶体 中的合金元素都会由于碳化物或金属间碳化物的析出而导致固溶体的贫化。由此引起组 织的不稳定性影响钢的高温力学性能。砑究表明，在1 2 c r l m o 和1 5 c r m o 镪中，n 固溶体 内的钼迁移到碳化物中达5 0 6 0 时，该钢仍有足够的热强性，但达7 0 时，持久强度 才有所下降。若钢中加入的合金元素能减缓钢中的扩散过程和形成强碳化物，则有利于 固溶体的稳定，从而改善钢的固溶体的贫化，提高其热强性。对1 2 c r l m o v 钢过热器的失 效分析表明，合金元素从基体析出，使基体弱化，特别是主要强化元素m o 的析出，合金 元素的迁移使碳化物聚集长大，使过热器管的强度进一步下降，进而导致提前爆管【6 j 。 互坐整星星蔓堂笪燮塑塑鱼塑堡墨室垒翌笪堇查盟丛塞 1 2 2 4 蠕变过程中析出相类型的转变 在高温和应力条件下长期作用下，由于珠光体中f e 。c 的分解，固溶体内合金元素向 碳化物过渡以及碳在n 固溶体内扩散过程加速进行，会引起在蠕变过程中碳化物相析出 类型发生变化，从而影响钢的热强性。 文献 7 1 3 对低合金铬铝钢和铬钼钒钢长期服役后的碳化物相进行了研究，其转变 过程大致是：珠光体组织中f e 。c 球化和分解，在铁素体基体中开始析出m 7 c 。、m 。c 。、m 2 c 等不同类型的碳化物，同时发生固溶体内合金元素的贫化，随工作时间的增长，碳化物 颗粒也聚集长大，最后转变为m 6 c 碳化物。 1 2 2 5 碳化物在晶内和沿晶析出和聚集 几乎所有耐热钢和合金中碳化物相都首先是在晶界上开始析出。由于碳化物相沿晶 界析出，使晶界性质发生较大的改变。当碳化物相积聚在晶界上呈连续薄膜状时削弱了 晶界的强度，从而促使晶界裂纹的形成，钢的热强性显著降低，并呈现出脆性破裂。对 1 2 c r l m o v 钢高压过热蒸汽管道失效分析发现，在高温运行过程中，珠光体内的碳化物 逐渐分解，较多的碳、铬等元素向晶界扩散，在晶界形成聚集分布不均的铬的碳化物【1 4 1 。 电子衍射定相分析表明：沿晶界析出的粗大碳化物是c r v c 3 ，同时晶内的v c 碳化物己长 大成圆状，并且分布极不均匀，另外偶然还有大型c r z 3 c 6 和针状m 0 2 c 碳化物相析出。 无论在晶内或晶界上粗大碳化物析出和积聚均会引起钢的热强性降低，尤其是碳化物沿 晶界积聚，以致产生晶界裂纹使钢管爆管时呈现脆性破裂。 1 2 3 珠光体耐热钢的热强性能【1 5 】 珠光体耐热钢是在高温和应力下长期使用的材料，因此要求钢具有长期热强性能， 通常这指的是钢在高温和应力长期作用下的拉变形和抗断裂能力。它的基本判据是蠕变 极限和持久强度。对紧固件用钢来说，松弛稳定性也是重要判据之一。 1 2 3 1 蠕变极限 通常所说的蠕变极限都属于条件蠕变极限，它是由孀变第二阶段的蠕变速率所确定 下来的应力，或在一定时间间隔内达到规定的总形变时的应力。蠕变极限表明材料在高 温下的形变抗力，它随温度的提高而降低。许可的蠕变形变的大小，取决于零部件的工 作条件及对零部件所要求的使用期限。 1 2 3 2 持久强度 持久强度表明材料在高温和应力长期作用下的抗断裂能力，通常用以表示材料在给 定温度下经过规定时间发生断裂的应力。持久强度是进行高温材料强度计算的另一个判 据。有些部件如锅炉过热器管及再热器管，对蠕变速率的限制不严，但必须保证在使用 期间内不致爆破。这些部件的主要设计依据便是持久强度。长期持久强度是通过较短期 的持久强度试验求出规定温度和规定应力下到断裂所经历的时间外推求得的。通过对 1 2 c r l m o v 、1 2 c r m o 、l o c r m 0 9 1 0 等三种热强钢的持久强度数据分析表明，它们的持久 强度均最佳服从对数正态分布，经不同时间运行后的1 2 c r l m o v 钢其持久强度仍在其原 始状态持久强度分散带内，揭示了高温性能数据资源共享的可行性i l 。 鱼些茎璧旦壁堂壁燮! 匣楚堕塑堡垒室全塑笪垫垄笪堑塞 1 233 松弛稳定性 保持线尺寸不变的受力试样或机件，在给定温度下，在力的作用方向上，靠弹性变 形的减少，塑性变形的逐渐增加，使应力随时间逐渐自发降低的现象叫做松弛。可以用 下列条件来表示松弛过程： = * + 8 i = 常数 o 常数 目前对松弛的机理还没有完整的认识，一般认为第一阶段松弛主要发生在晶界上， 晶界的扩散过程起主要作用；第二阶段= ! ：； 弛主要发生在晶粒内韶，由镶嵌块! ! 皇转动或移 动所引起的。 1 2 4 三种常用珠光体耐热钢的研究现状 本文所要研究的材料是三种常用的珠光体耐热钢：1 2 c r l m o v 、1 c r 5 m o 和2 0 钢。 就目前而言，针对1 2 c r l m o v 钢的研究比较多，而1 c r 5 m o 和2 0 钢则相对来说少一些。 下面对这三种珠光体耐热钢的研究现状作一下介绍。 1 2 4 11 2 0 r 1 m o v 钢 1 2 c r l m o v 作为一种重要的珠光体型耐热钢，对其的研究一直受到广泛的重视。近年 来，杨瑞成等曾对1 2 c r l m o v 钢高温时效过程进行了比较系统的研究”t 1 8 l ，研究了其显微 组织和亚结构的演变，认为在时效过程中的主要组织结构变化是珠光体的消散与分解、 碳化物从固溶体中脱溶、碳化物粗化并向晶界转移以及晶粒长大，同时，位错密度下降 并结成位错网络1 1 9 。对时效后基体内合金元素的分析表明，当l a r s o n - - m i l l e r 参数从p = 2 0 0 0 0 到p = 2 2 0 0 0 变化时，m o 含量下降了2 3 ，c r 与v 下降了l 3 ，并且由晶粒中心 到晶界存在明显的合金元素浓度分布梯度1 2 0 。通过计算1 2 c r i m o v 中- f e 、q - f e m e 单 元从2 0 到7 0 0 c 的价电子结构及键能，对比了n f e 单元中的b 键和n - f e - m e 单元的 c 键这两个等同键的价电子结构参数及键能，对1 2 c r l m o v 固溶体中合金元素的贫化进行 了分析，发现同温下m o 贫化的最严重，c r 次之，v 几乎不变，而且随温度升高，各种合 金元素的贫化加剧【2 “。对时效后基体力学性能的研究表明，随着p 参数的增大，基体硬 度下降了3 0 ，而且a 相品粒内部存在从晶粒中心至晶界附近的硬度梯度，这一硬度梯 度与晶内合金元素的成分梯度相一致瞄】。孙智等研究了1 2 c r l 】i ! l o v 钢热轧组织在高温运 行中的组织和性能的变化及其对构件蠕交裂纹形成的影响，试验结果表明，热轧态组织 的不均匀性和珠光体的带状分布促进了珠光体的球化和碳化物的析出，导致形成蠕变空 洞和沿晶裂纹，严重降低该钢的使用寿命田 。对1 2 c r l i o v 钢来说，碳化物的粗化是影 响其高温性能的主要因素之一，随着运行时间的延长，在晶界上会出现聚集长大的碳化 物，最终可能因晶界碳化物的粗大而产生沿晶断裂1 2 “。 对于1 2 c r l m o v 钢剩余寿命的预测，也是比较受关注的问题，除了比较常用的l a r s o n - - m i1 1 e r 法及等温线法 2 6 , 2 7 1 1 7 ，利用0 法进行剩余寿命的预测逐渐受到重视，杨王碉 等口8 1 对已运行了1 9 x 1 0 5 的电厂主蒸汽管道材料1 2 c r l m o v 的蠕变曲线进行了研究，分别 以8 法和修正的e 法处理恒载荷蠕变数据，并将处理结果进行对比，结果表明，修正后 的e 法可准确描述已运行材料的恒载荷曲线，有效的进行了蠕变曲线的外推和剩余寿命 的预测。陈国良等 2 9 , 3 0 1 通过研究1 2 c r l n o v 钢豹蠕变曲线，将恒应力蠕变与恒载荷蠕变进 鱼些垄重塑堡堂堡煎垫塑塑垡规律及安全评估技术的研究 行了对比，证明原始的。法可以成功的描述恒应力蠕变，但它不能用于恒载荷蠕变。文 献 3 l ，3 2 对1 2 c r l m o v 钢碳化物粗化动力学进行了研究，认为可通过研究碳化物粗化动 力学及测定碳化物尺寸来评定管段的平均使用温度，并提出了评定寿命的“极限尺寸” 模型。 1 2 4 21 c r 5 m o 钢 l c r 5 m o 是石化行业中广泛采用的珠光体耐热钢，在5 5 0 以下有一定的热强性，6 5 0 以下有较好的抗氧化性，在热石油介质中有很好的耐蚀性。适用于制造石油蒸馏的管 道及容器，广泛用于制造热交换器和再热器等。近年来关于l c r 5 m o 比较系统而深入的 研究不多。目前的研究主要集中在两方面，一是对在役的1 c r 5 m o 炉管进行组织性能分 析及剩余寿命预测【3 3 _ 3 8 l ，二是对损坏的1 c r 5 m o 炉管进行失效分析 3 9 - 4 】。加拿大学者m a y 将转化炉炉管的高温蠕变损伤分为五级，各级对应于不同的剩余寿命，见图卜1 所示 4 2 1 。 张礼敬等利用这一方法对c r s m o 炉管进行了剩余寿命的评估【4 ，即在破裂部位组织严重 损伤，被定为e 级( 存在宏观裂纹) ；i 目管部位的组织为b c 级( 形成空洞) ，其接近总 寿命的1 3 。文献 4 4 研究了经长期高温压力服役后的1 c r 5 m o 耐热钢管道，分析了材 料在服役条件下的显微组织和力学性能，不仅确保了设备的安全运行，而且也为能否超 期服役及其剩余寿命估算提供可靠依据。文献 4 5 对1 c r 5 m o 炉管失效原因进行了分析， 指出了c r - - m o 钢炉管正常损伤和非正常损伤的原因，并提出了延长炉管使用寿命的建 议。 1 c 州 图1 - i 转化炉炉管蠕变损伤分级 f i g 1 1c l a s s i f i c a t i o no f t h ed a m a g e i n t h e w a l l o f a r e f o r m e r f u r n a c e “& 1 2 4 32 0 钢 2 0 钢也是石化装置常用的材料，主要用于壁温4 5 0 的蒸汽管道、集箱，壁温 5 0 0 。c 的受热面管子以及水冷壁管、省煤器管等。吴迸明对2 0 钢锅炉管的两种典型失效 方式，即断裂和腐蚀穿孔进行了分析。结果显示，钢管内壁形成较厚的c a 、m g 、a 1 等离 子沉积物是钢管发生高温蠕变断裂的直接原因。另外，钢中珠光体的碳化物球化加速了 蠕变断裂的进程【46 1 。文献 4 7 则通过在不同热处理工艺条件下对已经轻度球化的2 0 8 材 亘丝薹星旦垦堑笪堕垫塑i 堑塑堡丛塞全迁堡堇查塑堕塞 质试样进行老化试验研究，给出了老化处理的原理，探索了实验室中进行材质老化模拟 的操作程序，利用公式t = a e “7 对2 0 g 材质进行的剩余寿命估算与实践相劝合。 1 3 高温构件寿命安全评估技术的基础理论 1 3 1 材料的本构理论的研究 寿命安全评估技术的基础理论主要包括材料的本构理论以及裂纹扩展速率的理论。 简单地说，本构理论是描述材料受力与变形关系的理论现代工厂中的孛句件一般都要求 有十年以上的运行寿命，它在实际服役条件下所承受的载荷也是十分复杂的。然而人们 在实验室中所能进行的高温试验不过一万，、时左右，试样尺寸较小，多为单轴试验，困 此就必须根据一定的理论将有限时间和空间内取得的知识推广到更长的时间和更广的空 间。为了达到这样的目的，多年来人们对于材料的本构理论做了大量的研究工作。 1 3 1 1 时间一温度参数法 这种方法的基本概念是，提高试验温度可以缩短试验时间，它把时间一温度表示成 一个互相补偿的参数f ( t ，t ) 并把这一参数表示成应力的函数，即 f ( t ，t ) = p ( 0 )( 1 - 1 ) 这里的首要问题是，在应力一定的情况下，确定参数f ( t ，t ) 的具体形式。确定了 f ( t ，r ) 以后，一方面可以直接利用它，由一定应力下较高温度的短期数据，外推出该应 力下较低温度的长期数据；另一方面，根据( 卜1 ) 式可以在t 、t 、o 三者之间确定任 意两者后，求出第三者。 现有的时间一温度参数法可以分为两类：一类以速率过程理论为基础提出的，如著 名的l a r s o n - m i l l e r 参数( 简称l m 参数) 和葛庭燧- - d o r n 参数( 简称k d 参数) ：另 一类是纯经验的，如m a n s o n - h a f e r d 参数( 简称m h 参数) 和m a n s o n s u c c o p 参数( 简 称m s 参数) 【”j 。 l a r s o n - i ll e r 参数式： t ( c + i g t ，) = p ( o ) ( 卜2 ) 葛庭燧- - d o r n 参数式 g t 。- q 2 3 r t = p ( o ) ( 卜3 ) p ( o ) 函数式可以表示为应力对数的个多项式 4 8 】。 另一类纯经验的m a n s o n h a f e r d 参数和m a n s o n s u c c o p 参数表述如下： m - h 参数式为 ( t - t 。) ( i g 一l gte ) = p ( o ) ( 1 4 ) m - s 参数式为 l g t “t = p ( o ) ( 卜5 ) 式中，t 。、1 、a 为常数【删。 目前，时间一温度参数法仍在广泛使用，尤其是l h 参数法用的最多。如国内戴树和 等5 0 5 习使用了l m 法对炉管进行了剩余寿命预测，国外有r a y 掣5 3 - 5 7 1 对低碳钢及c r m o 钢炉管进行了寿命预测。 一6 一 亘些茎里旦苤堂整堕垫塑堡垡塑堡壁塞垒塑鱼垫查塑婴塞 1 3 1 2e 法 在2 0 世纪8 0 年代初，e v a n s 和r i l s h i r e 提出了一种描述低合金耐热铜蠕变曲线的 o p r o j e c t i o n c o n c e p t 法”。5 9 1 ，由于该方法能够获得更多的蠕变特性信息，可更加准确 的外推材料的使用寿命，因而受到材料蠕变研究者的重视。 0 法的基本理论认为金属材料的蠕变过程由蠕变第一阶段的应变硬化和蠕变第三 阶段的应变软化组成，而没有两者处于动态平衡的第二阶段存在。因此蠕变曲线可由下 式描述： 2eo + e 1 卜e x p ( 一0z t ) + e3 e x p ( e t ) - i ( 卜6 ) o 参数与碰力及温度有关： i g0 。= a 。+ b 。t + c io + d 。toi = l ，2 ，3 ，4( 1 7 ) 式中，e 为总应变，eo 为弹性应变，t 为时间，o 。、o 。分别为蠕变第一阶段和第 三阶段的应变，e ：、ea 分别为第一和第三阶段的应变速率。当0 参数和断裂应变e ，确 定后，任何蠕变应变、蠕变寿命都可以直接计算出来。而传统的方法只是孤立的计算寿 命和最小蠕变速率，因此反映整个蠕变过程的0 法在理论和实践上都显示了较大的优越 性【2 8 】。 w o l f 使用8 法对3 1 6 不锈钢的蠕变性能进行了预测，认为在恒载荷条件下，0 法 可以比较准确的预测3 1 6 不锈钢的寿命【6 0 】。而k o u l 等用8 法对镍基高温合金部件进行 了寿命预测，认为e 法并不能解释镍基高温合金蠕变曲线形状的变化，其预测的剩余寿 命会低估3 8 倍1 6 “。l o g h m a n 使用e 法对厚壁管进行了蠕变损伤模拟，得到了比较满 意的结果 6 ”。国内也有一些关于e 法的应用，文献 2 8 用。法预测了1 2 c r l m o v 钢主 蒸汽管道材料的剩余寿命，认为e 法不适用于恒载荷下的试验，并对e 法进行了修正， 修正后的。法如下式： = o + e i t + ez e x p ( e l t ) 一1 ( 1 8 ) 修正后的。法可准确描述已运行材料的恒载荷曲线，可有效的进行蠕变曲线的外推和剩 余寿命的预测。束国刚f 6 3 ，删、郭宏陋5 1 等也用修正的。法得出了类似的结果。李余德从 0 法推导出c 影射法，并预测了宝鸡电厂2 c 弯管的蠕变寿命，利用这一方法，只要测 得构件的尺寸变化，就能预测实际构件的蠕交寿命f 6 6 ，6 7 1 。 1 3 1 3 等温线法u 卅 常用的等温线法是根据早期进行持久试验时所得到的数百小时的短期试验结果，发 现在给定温度下应力与断裂时间的对数或半对数坐标上呈直线规律分布而发展的经验公 式，即认为在相同的温度下，断裂时间与应力的关系如下： t = a o 一8( 1 - 9 ) 式中，t 是断裂时间，0 是应力，a 、b 是常数。等式两边取对数，则上式化为： l gt = i g a b l g o ( 卜1 0 ) 式( 卜1 0 ) 表明，断裂时间t 的对数与应力。的对数之间呈线性关系，称为双对数 坐标关系，其中常数a 、b 对于同一材料在同一温度下由于断裂机制的改变或由于高温应 力下钢的组织变化而有所改变。因此试验点并不真正符合线性关系，实际上是一条分为 两种不同斜率的不同线段，只是曲线上在某些区域比较接近直线，才近似的用线性关系 处理。组织较稳定的钢，转折不明显或在更长时间以后出现，这就需要更长时间的试验 j 型垡塞里星壁些焦堕垫塑塑塑塑堡墨塞盒登堕垫查丛型塞 才能使外推数据可靠；对于某些发生明显转折的钢，则必须根据折点出现以后保证有3 点队上盼试验数据才较为可靠。一般来说双对数曲线随时间的增加有向下倾斜的趋向， 因此据以外推的某些结果往往偏高。 目前利用等温线法进行寿命预测已经不多见。周顺深认为利用等温线法外推出的剩 余寿命是不可靠的【6 8 】。朱敏口7 1 、杨镇利用了这种方法进行了寿命预测，但也综合了其 他方法，进行了修正。 132 裂缈r 晨理论的研究 寿命评价技术的另一个重要的理论是裂纹扩展速率的理论。为了使实验室测得的裂 纹扩展速率数据可用于实际结构中，人们一直致力于寻找个与结构尺寸无关，仅与材 料性质有关的裂纹扩展速率方程，这归结到如何选取一个合适的裂纹扩展驱动力。对于 高温下的蠕变裂纹扩展，早期的研究有用弹性应力强度因子，有效净截面应力，与路径 无关的裂纹尖端积分c + 以及参考应力法等。许多材料的蠕变变形与裂纹扩展表现出从线 弹性向稳态蠕变的转变，美国的s a x e n a 以及德国的r i e d e l 提出了一个c 。参数来描述非 稳态的孀变条件。这是高温断裂力学中的一个重要进步，使得许多材料的蠕变裂纹扩展 速率均可用这参量进行描述i lj 。大连理工大学的朱世杰等对断裂力学在剩余寿命预测 中的应用也进行了深入的研究“，这种方法从断裂力学的角度出发，综合考虑了炉管的 当前性能及裂纹的扩展，比较客观的反映了炉管达到破坏的过程i ” 。 1 4 寿命预测技术实用方法的研究进展 1 4 1 蠕变损伤评定方法 近年来，国外用空洞来确定发电设备高温部件在长期运行后的蠕变损伤程度。目前 具有代表性的空洞定量评定方法有三种：晶界比例法( a 参数法) 【7 五7 ”、单位面积空洞记 数法【7 4 及空洞面积比例法 7 5 1 。这三种方法的应用范围及有关情况列于表1 - - 1 中。关于这 些方法的准确性也存在着争议，f u r t a d o 和m a y 就认为晶界比例法( a 参数法) 对于评定 c r l o 钢的蠕变损伤是不可靠的，因为其结果依赖于准备过程，并随炉管壁厚而发生变 化1 7 6 】。 表卜1空洞定量方法 t a b l e1 1q u a n t i t a t i v em e t h o d so fc a v i t i e s 前西德专家根据对一些高温部件的观察经验，将蠕变损伤划分成a 、b 、c 、d 四个等 一蠹一 互些壅重星堡堂堡堕垫塑塑鱼塑堡垒室全登堡垫查塑堡塞 级，并与蠕变曲线相对应，如图卜2 所示。还提出了各级蠕变损伤的处理要求。例如， 锅炉管道出现a 级损伤时可不必处理；b 级损伤时建议每隔一年半检修一次；c 级损伤 时应在6 个月之内修理或更换；d 级损伤对应立即处理或更换。该方法完全是经验性的， 制定这套措施是为电厂推荐安全监督和处理方式。由于该方法不能定量描述损伤，难以 a 琢立的空洞，b 再寿艟向盎满，c 宏观裂馥 图1 2 蠕变损伤等级 f i g 1 - 2c l a s s i f i c a t i o no f t h ec r e e pd a m a g e 国内学者周顺深对高温部件蠕变损伤与剩余寿命的关系进行了研究，根据损伤力学 理论，通过试验提出了蠕变损伤量与剩余寿命的关系式。只要测定高温部件的蠕变损伤 量，利用该公式即可预测部件的剩余寿命7 引。 1 4 2 显微组织老化研究 赵杰在l a r s o n - - m i l l e r 外推法和寿命损耗理论基础上，提出组织粗化相当于产生了 寿命损耗，得到了在考虑组织粗化时的寿命损耗公式【7 9 】。文献 8 0 则通过对微观组织老 化的研究，对在役炉管进行安全诊断。对于珠光体耐热钢来说，其显微组织的老化主要 表现在珠光体的球化上，国内一些单位曾分别对火力发电厂常用的珠光体耐热钢制定了 球化级别的参考标准，如2 0 号碳钢珠光体球化分为五级，1 2 c r l m o v 珠光体球化分为五 级等【8 “。f u r t a d o 等人在进行寿命预测的时候，是将珠光体的球化级别与其他方法结合 起来使用瞵“。国内学者周顺深认为，珠光体球化对管道寿命的影响是比较复杂的，目前， 珠光体球化对材料持久强度和管道破裂寿命的影响以及按球化级别如何评判管道寿命问 题有待进一步认识邛“。 1 4 3 组织特征参数法 组织特征参数法是利用体视学原理，由二维金相磨面或薄膜上的显微组织的测量和 计算来确定合金组织的定量三维空间形貌，在此基础上，建立合金成分、组织和性能的 定量关系。定量分析的关键是： l - 选择能够和欲求定的材料性能指标相关的组织特征参数： 2 组织特征参数的测量一编制与测量要求相适应的计算机程序； 3 根据所求的组织特征参数推导材料损伤程度和剩余寿命关系。 戴树和等选择碳化物颗粒大小以及碳化物平均自由程作为组织特征参数，建立了组 织特征与寿命的参数式姒8 5 1 。大连理工大学的张俊菩等7 田对大量长期运行的h k 4 0 炉管 进行解剖，认为在蠕变损伤为主要损伤形式的情况下，晶内二次碳化物的粗化程度和晶 界碳化物的量是影响炉管剩余寿命的主要组织因素，并利用多元回归方法，对大量持久 数据和相应的组织参数进行统计分析，导出了预测剩余寿命的回归方程。 1 44t m p 法 大连理工大学的手寓岗等【8 6 】适过对转化炉对流段渴寰场的计算渺硬对流段预热器 材料组织与性能关系的研究，建立了以显微组织劣化程度为依据进行剩余寿命评估的 t m p 法，并在实际中得以应用。其中的t 表示预热器外壁的最高温度，它既是金相检查 的依据，也是用于寿命评估的工作温度；m 表示对应于最高温度外壁处的显微组织，是 金相检查需要记录的信息；p 表示与金相检查所得显微组织对应的材料的力学性能，据 此可对构件的运行状态进行评估。 1 45 无损检测方法 如超声检测裂纹长度、涡流检测渗碳层厚度等来评价高温炉管的剩余寿命，但般 都不很精确。以超声为例，一般地说，超声技术不会漏判，但是常常会将