（材料物理与化学专业论文）长期时效12cr1mov钢管的性能劣化分析及其损伤评估.pdf

摘要 电厂构件的性能劣化、失效和过早更换都会带来很大的安全隐患和经济损失。 随着世界范围内越来越多的发电站相继进入超期服役阶段，对服役构件的老化、劣 化程度以及剩余寿命进行准确评估而变得越来越重要。文 本文首先对描述高温构件长期运行后性能劣化表征的连续介质损伤模型、应力 解析法、应变测量法、显微组织表征法、损伤定量法等理论模型和实用技术的新进 展作了详细述评，并对在役高温构件寿命评定新技术的发展趋势作了展望。 接着，本文以上海电力股份有限公司吴泾热电厂运行近3 0 万小时的主蒸汽管母 材1 2 c r l m o v 为对象展开了详尽的研究工作，包括对试样的短时力学性能试验与分 析、管线的有限元应力分析以及金相和断口的电子显微图谱分析，评价并研究了管 材在长期高温时效下的蠕变损伤及断裂失效机制。盼析结果表明：使用管材质珠光 体球化程度已达三至四级，其各项短时力学性能与原始管相比均有较大程度的下降， 尤其使用管常温冲击性能下降明显，表明长期服役管材在常温下已近乎完全脆化， 需要严加注意：管段6 # 弯管与直管的接合部位的最大第一主应力为1 0 1 0 7 m p a ，而 最大m i s e s 等效应力则为8 5 3 5 m p a ；显微组织损伤分析表明，使用管常温冲击韧性 的剧减可归因于微裂纹的迅速扩展；应变率较小的失效过程则由孔洞的聚集生长和 管材有效截面的减缩机制控制。4 本文讨论了合金元素偏聚在损伤形核与扩展过程中所起的作用。首次提出将 c r 、m n 等合金元素在晶界碳化物中的富集度作为参数来表征材料损伤形核程度并 用于估算损伤孕育时间的新观点。 另外，考虑到近些年来发生在焊接部位的构件过早失效频繁，本文还对主蒸汽 管焊缝区进行了安全评价，对跨焊缝试样进行了全面的短时力学性能测试、高温持 久强度测试以及金相和断口形貌的显微分析，并根据测试和分析的结果评估了管材 的劣化程度及剩余寿命。f 分析表明：构件剩余寿命约为6 万小时左右，相应的寿命 损耗率已达8 3 ；焊材的短时拉伸强度和持久蠕变抗力大于母材，两种材质的蠕变 失配系数大于l o ，因此研究母材与焊缝材料的失配效应对焊缝结构失效过程的影响 是十分必要的。 少 、 关键词；主蒸汽管；1 2 c r l m o v ；长期时效；寿命评估；焊缝；材料失配； 高温构件；蠕变寿命；。评估方法；损伤模型一 组织劣化； 损伤形核。 a b s t r a c t t h ed e g r a d a t i o n ，f a i l u r ea n dp r e m a t u r er e p l a c e m e n to fp o w e rp l a n tc o m p o n e n t sw o u l d b r i n ga b o u ts e r i o u ss a f e t yh a z a r da n dt r e m e n d o u se c o n o m i cl o s e a sm o r ea n dm o r e p o w e rp l a n t s w o r l d w i d eh a v e b e e n o p e r a t i n ga t as t a g eo fo v e r t i m e s e r v i c e ，t h e d e g r a d a t i o ne v a l u a t i o na n dr e s i d u a ll i f ea s s e s s m e n tf o rh i g ht e m p e r a t u r ec o m p o n e n t s b e c o m eo fi n c r e a s i n gi m p o r t a n c e f i r s t l y ，ar e v i e ww a sm a d eo np r o g r e s so fl i f ea s s e s s m e n ta p p r o a c h e ss u c ha sc o n t i n u u m d a m a g em o d e l ，f i n i t ee l e m e n t s t r e s s a n a l y s i s ，s t r a i nm e a s u r e m e n t ，m i c r o s t r u c t u r e m e t a l l o g r a p h i cc h a r a c t e r i z a t i o n ，d a m a g eq u a n t i t a t i v em e t h o de t c ，a n dp r o s p e c t i v e d e v e l o p m e n to f t h ea s s e s s m e n ta p p r o a c h e sa n dt e c h n i q u e sw a sp r e d i c t e da sw e l l t h e n ，at h o r o u g hs t u d yw a sc o n d u c t e df o r1 2 c r l m o vs t e e ls p e c i m e n s ( p a r e n tm a t e r i a l ) t a k e nf r o ma ni n s e r v i c em a i ns t e a mp i p eo fw u j i n gp o w e rp l a n ti n s h a n g h a i i nt h e s t u d y ，s h o r t t e r mm e c h a n i c a lt e s t sc o m b i n i n gw i t hf i n i t ee l e m e n ts t r e s sa n a l y s i sw e r e c a r r i e do u t ，a n dm e t a l l o g r a p h i ce x a m i n a t i o n sa n df f a c t o g r a p h i ca n a l y s e sw e r ep e r f o r m e d f o rt h ed e s t r u c t i v es p e c i m e n sa sw e l l c r e e pd a m a g ea n dd e g r a d a t i o nm e c h a n i s m so ft h e p i p em a t e r i a la th i g ht e m p e r a t u r ew e r ee v a l u a t e da n ds t u d i e dt h er e s u l to fa n a l y s e s s h o w st h a t ( 1 ) t h ev e r yl o wi m p a c tt o u g h n e s so f i n - s e r v i c em a t e r i a la tn o r m a lt e m p e r a t u r e c a nb ea t t r i b u t e dt ot h ef a s tg r o w t ho fi n s i d em i c r o c r a c k su n d e ri m p a c t ；( 2 ) t h em a x i m u m p r i n c i p a ls t r e s sh a sb e e nr e a c h e dal e v e lo f101 0 7 2 m p aa n dt h em a x i m u mv o nm i s e s e q u i v a l e n ts t r e s s ，o f8 5 3 4 9 m p a ；( 3 ) t h em e c h a n i s m ss u c ha sc r e e pc a v i t ya c c u m u l a t i n g a n de f f e c t i v ec r o s s s e c t i o ns h r i n k i n ga r ed o m i n a n ti nt h ep r o c e s so fl o ws t r a i nr a t e f a j l u r e i nt h i sp a p e r ，t h e i m p o r t a n tr o l ep l a y e db yt h es e g r e g a t i o no fa l l o ye l e m e n t si nt h e p r o c e s so fd a m a g en u c l e a t i o na n dp r o p a g a t i o nw a sd i s c u s s e di nd e t a i l b a s e do nt h e d i s c u s s i o n ，an o v e li d e ah a sb e e np u tf o r w a r dt h a tt h ed e g r e eo fe n r i c h m e n to fa l l o y e l e m e n t ss u c ha sc ra n dm ni nt h eg r a i nb o u n d a r yc a r b i d e sc a nb eu s e da sap a r a m e t e r c h a r a c t e r i z i n g t h e i n t e r g r a n u l a rd a m a g ei n i t i a t i o n ，t h u s ，t oe v a l u a t et h ed a m a g e i n e l a t j u bi o n t m e 2 i nv i e wo ft h em o r e f r e q u e n to c c u r r e n c eo fp r e m a t u r ef a i l u r eo fw e l d m e n t s ，i t i s n e c e s s a r yt h a tac o m p r e h e n s i v em e c h a n i c a le x a m i n a t i o n ，i n c l u d i n gs h o r t t e r ms t r e n g t h t e s t sa n dh i g ht e m p e r a t u r el a s t i n gs t r e n g t ht e s t s ，b ec o n d u c t e df o rt h es e r v i c e e x p o s e d 1 2 c r l m o vs t e e ls p e c i m e n s ( c r o s sw e l d ) i no r d e rt oe v a l u a t et h ed e g r a d a t i o no f t h ew e l d j o i n tm a t e r i a l sa n dt h er e m n a n tl i f eo ft h ec o m p o n e n t t h er e s u l to ft h i sa n a l y s e ss h o w s t h a t ( 1 ) t h er e s i d u a ll i f eo f t h ec o m p o n e n ti sa b o u ts i x t yt h o u s a n dh o u r s ，c o r r e s p o n d i n gt o al i f ef r a c t i o no fu pt o8 3 ；a n d ( 2 ) t h es h o r t t e r mt e n s i l es t r e n g t ha n dt h ec r e e ps t r e n g t h o fw e l dm a t e r i a lw e r ep r o v e dt ob eh i g h e rt h a nt h o s eo fp a r e n tm a t e r i a l ；t h ec a l c u l a t e d c r e e pm i s m a t c hf a c t o rf o rt h et w ok i n d so fm a t e r i a l si sa b o v e1o ；t h e r e f o r e ，i ti se s s e n t i a l t oe v a l u a t et h ei n f l u e n c eo f m a t e r i a lm i s m a t c ho nt h ef a i l u r ep r o c e s so f w e l ds t r u c t u r e k e y w o r d s ：m a i ns t e a mp i p e ；1 2 c r i m o v ；l o n g - t e r me x p o s u r e ；l i f ea s s e s s m e n t ；w e l d m a t e r i a l m i s m a t c h ；h i g h t e m p e r a t u r ec o m p o n e n t ；c r e e pl i f e ；a s s e s s m e n ta p p r o a c h d a m a g em o d e l ；m a t e r i a ld e g r a d a t i o n ；d a m a g en u c l e a t i o n 3 第一章绪论 提要：本章概述了耐热钢的由来，其性能与显微结构的关系；介绍了几种常见的耐热合金钢： 引入了耐热合金钢的性能劣化、失效以及高温设备的剩余寿命评估等问题；最后阐述了本课题 的研究背景、目的和意义，以及本文的研究内容和结构。 1 1概述 近十年来，在发电设备、汽轮机和反应堆等应用中，出现了提高操作温度和压 力以提高设备工作效率的一种发展趋势【”。这种趋势促成了耐热合金钢工艺和性能 研究的巨大进展；同时，这种趋势也使得关于长期高温时效下耐热合金钢的劣化分 析以及钢构件剩余寿命评估领域的科研工作变得越来越重要。 1 1 1 耐热钢与合金碳化物 耐热合金钢是合金钢按用途不同的特点分类中的一种。所谓合金钢是在碳钢的 基础上加入一种或多种合金元素，以改善材料的使用性能或工艺性能，这样的铁基 合金即是合金钢。不同的合金元素及其加入量会显著影响合金钢的性能。对于高温 条件下使用的合金钢，重点考虑的是合金元素对合金钢晶界和晶内的强化作用、合 金钢的高温强度以及高温条件下的化学稳定性。如b 元素可显著强化晶界，m o 、w 、 v 等可大幅度提高材料的高温蠕变强度，c r 可以提高高温稳定性和抗腐蚀性能。在 合金钢和耐热钢等方面有不少专论或总结1 2 6 】。 高温耐热钢在使用状态下的组织可分为0 【一f e 基耐热钢、丫f e 耐热钢、镍基耐 热钢及其它耐热复合材料。其中在电力、石化等工业部门最广泛使用的是仅一f e 基耐 热钢，该钢的使用温度在6 0 0 左右。 一般地，a f e 基耐热中含有c r 、m o 、w 或v 等合金元素，这些合金元素使耐 热钢具有很好的抗氧化和抗腐蚀性，以及良好的固溶强化作用；同时是形成碳化物 的主要元素，在热处理工艺过程中沉淀析出m c ( m 指v 、n b 、t i 等，但m o 和 w 在其中的溶解度很小) 和m 2 c ( m 主要m o 和w ，且c r 、f e 等在其中的溶解度 很高) ，由于这些析出的合金碳化物质点细小，不易积聚长大，具有良好的沉淀硬化 作用，提高材料的高温蠕变强度。在珠光体组织中会在晶界沉淀出大量的合金渗碳 体( m 3 c ) 。耐热钢中如长期时效或材料热处理存在问题，会出现m 6 c 、m 7 c 3 或 m 2 3 c 6 ( 前者主要是m o 的碳化物，后两者主要是c r 的碳化物) 沉淀，由于这些碳 化物颗粒长大迅速以及尺寸大，对材料的性能产生不利影响。 4 耐热钢中常见的合金碳化物主要有以下几个晶体结构类型： i 立方结构( n a c i 型) ：m c 、m 6 c 、m 2 3 c 6 ； i i 六方或正交结构：m 2 c ； i i i 正交结构：m 3 c 、m 7 c 3 、f e 2 c 。 这些碳化物的具体结构和参数见表1 。 有些马氏体耐热高钢中会有a b 2 ( l a v e s 相) 型金属间化合物出现，作为强化相。 表1 1 几种主要的合金碳化物及其结构【7 1单位：a 渗碳体 m 0 2 c c r 7 c 3 c r 2 3 c 6 m 6 c v c fe3c(w2c) 对称性正交正方六方立方立方立方 空间群 p n m ap 3 l cf m 3 mf d 3 mf m 3 m a = 4 5 2 3a = 4 5 2a = 3 0a = l o 6 6a = 1 1 0 6a = 4 1 2 单胞 b = 5 0 8 9b = 6 9 9c = 4 71 1 44 1 6 c = 67 4 2c = 1 2 1 单胞中原子数 1 2 f e 4 c2 8 m 1 2 c6 m 3 c9 2 m 2 4 c9 6 m 1 6 c4 v 4 c 1 1 2 常见耐热合金钢 电厂高温设备使用的耐热钢，一般为含有c r 、m o 、v 等元素的合金钢。这类 合金钢的开发和使用已经有数十年历史，早期的有x 1 2 c r m 0 9 1 ( p 9 ) 8 l 和 x 2 0 c r m o v l 2 1 t 9 , ! o l 。到了8 0 年代初，美国推出x 1 0 c r m o v n b 9 1 1 “1 。随着冶炼工艺 和技术的提高，进一步降低杂质元素和夹杂，调整合金含量，相继开发出多种相近 的耐热合金钢，诸如n f 6 1 6 、h c m l 2 、a e 9 1 1 等【1 2 , 1 3 】，这些钢种的性能已有较详尽 的研究比较【1 4 】。 由于耐热钢的化学成分及热处理制度不同，钢的组织结构也有所不同。常见耐 热钢按组织状态可分为： ( a ) 铁素体型耐热钢 在室温和使用温度条件下，这类钢的金相组织是铁素体。o c r l 3 、c r l 7 、c r 2 8 等钢种均属此类。由于它们具有优异的抗氧化性能以及耐水溶液腐蚀的性能，因此 在动力工业、石油化工等工业中获得了极为广泛的应用。 ( b ) 奥氏体型耐热钢 在室温和工作温度条件下，该类钢的显微组织为奥氏体( 有时有析出的碳化物) 。 代表性钢种为含镍高于8 的铬镍奥氏体耐热钢，如1 8 8 铬镍耐热钢、c r 2 5 n i 2 0 耐 热钢等，后者是高温裂解炉管用的材料。它们具有优异的抗氧化性能，良好的冶炼 加工性能以及足够好的力学性能，因此在各种工业中都获得了广泛的应用。 ( c ) 马氏体型耐热钢 含铬为9 1 3 的铬钢是这类钢的代表，如x 2 0 c r m o v l 2 1 钢、x 1 0 c r m o v n b 9 1 钢等。后者由于含有o 2 5 v 、1 m o 和0 1 n b 而具有很高的蠕变强度”。这些 高c r 耐热钢一般具有相似的组织结构【l6 ，”】，即含有高密度位错的板条马氏体，在马 氏体板条界有m 2 3 c 6 沉淀，在晶内有弥散的v n b 的碳氮化合物m x 以与基体共格 形态沉淀。弥散的m x 强化，和马氏体板条晁稳定的m 2 3 c 6 构成该类合金钢具有高 的蠕变强度。在6 5 0 。c 左右，这类钢具有较好的抗氧化性能，6 0 0 0 c 以下具有较好 的热强性，因此在蒸汽轮机制造中获得了广泛的应用。但这类钢具有较大的淬硬倾 向，焊接性能也较差，因此对高c r 马氏体耐热钢的研究，一般集中于诸如材料的焊 接性能、冷弯或热弯等方面【1 7 删 ( d ) 珠光体型耐热钢 在室温和使用温度条件下这类耐热钢的金相组织是珠光体( 或珠光体加铁素 体) 。低合金铬钼钢、铬硅钢、铬镍钼钢是这类耐热钢的代表钢号。其中以含铬0 5 的1 2 c r m o v 钢和含铬1 的1 2 c r l m o v 钢使用最为广泛。从化学成分来看， 1 2 c r m o v 钢与普通铬钼钢相比降低了钢中的铬含量，增加了钒，能形成v c 碳化物， 因此有助于提高钢的热强性，但对耐蚀性不利。p j a l b e r r y 和d j g o o c h l 2 t , 2 2 1 对 1 2 c r m o v 钢及其使用进行了较好的总结。1 2 c r m o v 钢的工作温度为5 4 0 0 c 一5 6 0 。c 。 为了进一步提高1 2 c r m o v 钢的使用温度，在该钢的基础上增加了铬的含量 ( 1 ) ，因而出现了1 2 c r ! m o v 钢( 苏联型号为1 2 x m q d ) ，其使用温度可达5 8 0 。c 。 该钢在5 8 0 0 c 下具有较好的抗高温氧化性能，因而广泛应用于蒸汽温度为5 4 0 。c 蒸 汽管道，管壁温度为5 8 0 0 c 的过热管等。 1 1 3 长期时效下的合金钢性能劣化与失效问题 长期服役的耐热合金钢，由于受高温、高压以及温度压力波动等综合作用，材 料的组织结构会发生变化，并引发材料性能的劣化，直至最终失效。常见的耐热合 金钢劣化与失效方式有以下几种： 6 ( a ) 时效和新相的形成 包括珠光体球化、碳化物的集聚粗化以及晶体结构转化、合金成分偏析等，这 些变化将会引起材料的热脆性以及持久强度和冲击韧性的下降，致使材料抗断裂能 力下降。 ( b ) 氧化腐蚀 在高温条件下钢部件易氧化腐蚀，所以还要求耐热钢具有高温化学稳定性。含 铬量高的耐热钢，其高温抗氧化性能好。 ( c ) 蠕变 金属材料在承受低于同温度屈服强度的载荷时，也会发生连续、缓慢的塑性形 变，即蠕变。对于处在高温和应力作用下的金属，其蠕变现象表现得尤为明显，因 而被视为高温下金属力学行为的一个重要特征1 2 3 1 。对于电厂的高温构件，诸如主蒸 汽管道、过热管、再热管、联箱等，蠕变现象是导致其失效的主要原因【2 4 1 。 材料的蠕变断裂是和材料的显微组织退化相关的。例如，如对高强度的 1 2 c r m o v 和1 2 c r m o v n b 钢的显微组织的研究【2 5 】，发现材料在5 5 0 。c 经1 0 万小时 的使用，材料发生显著的软化，其原因是材料中在晶界出现逆转奥氏体；在晶界和 亚晶界出现粗大的m 2 3 c 6 沉淀，相应地，材料中弥散细小强化相m 2 x 和m x 发生 溶解，而造成材料蠕变强度显著下降。金属材料的高温强度指标有蠕变强度、持久 强度和持久寿命。 ( d ) 疲劳 另外，材料受交变应力作用时会发生材料疲劳失效，在高温非对称交变应力条 件下，材料还会发生疲劳和蠕变的交互作用。 由此可见，温度和应力的共同作用，是材料性能退化和内部组织结构产生变化 的主因。上述各种材质劣化，可能会引发运行中的开裂或爆裂事故，给生产和经营 造成重大的经济损失，成为安全生产的一大隐患。 关于耐热钢的使用性能、材料失效以及具体设备的损伤评估方面有大量的研究 报道【2 5 。2 引。 1 1 4 高温设备的剩余寿命评估 在电力工业部门中，高温、高压设备应用非常普及，而这些设备在高压、高温 环境条件下经长期服役后会出现蠕变或疲劳现象，材料性能不断退化，势必影响到 设备的安全使用寿命。因此，为确保高温高压设备的安全运行，对在役高温设备的 材料性能进行评价并进而进行剩余使用寿命评估，一直是科研、生产及其管理部门 的重要工作内容。 近年来，为提高生产效率，降低生产成本，生产管理部门对设备使用所进行的 安全评定比以前多得多。另外，随着材料劣化的各种评价方法的不断推出和发展， 也使得通过对材料失效行为进行定量化评估而更为准确地计算设备的剩余使用寿命 成为可能。这种计算具有重要现实意义，因为设备无论是出现不必要的停机还是出 现灾难性的失效，会导致严重的经济损失。因此，为避免设备长期停运或发生可能 的灾难性事故所造成的重大经济和人员损失，确认设备的特性，对长期服役的设备 进行多种故障诊断，评价剩余寿命，提出有关运行中要采用一定的预防性措施，延 长设备的使用寿命，具有十分重大的经济意义和社会意义。 高温构件的蠕变寿命评估方法和相关理论模型在近年来得到了很大的发展。在 对蠕变裂纹开裂和扩展过程的研究方面，先后建立了蠕变裂纹扩展速度d o f d t 与力 学参量，诸如断裂韧性局、参考应力o r e f 蠕变裂纹扩展回路积分c + 等的关系，为 材料的蠕变断裂寿命计算提供了有效的方法【2 。随着电子显微镜的发展，从显微组 织角度去认识材料及其失效的原因也已成为可能。依据对高温材料失效机理的分析 研究以及对高温设备剩余寿命评估实践的不断积累，人们先后提出了多种理论或模 型1 3 0 , 3 1 1 。无疑，与实际观测结果相吻合的理论有助于理解蠕变过程的物理本质，而 且为评估材料的使用寿命提供了很好的途径。 一般地，工程实践上的设备寿命评估方法可归为以下三类： ( 1 ) 应力解析方法：是根据诊断对象的几何形状、运行温度、应力分布等，以及 材料的性能参数，根据有限元方法解析复杂的应力问题。考虑数据分散性，采用安 全系数，该方法往往较严格。 ( 2 ) 破坏试验法：是根据实际运行部件上切割的试样进行多种破坏性试验，根据 试验结果推测剩余寿命。该方法需要试验周期长，且试样选取的代表性不明确。 ( 3 ) 非破坏性试验：可分为组织比较法和组织定量法。前者把显微组织和析出物 的分布与变化，分别和标准组织和寿命损耗率对比，进行综合寿命评价。后者根据 蠕变损伤产生的组织变化合各种参数，用试验制定的评价曲线进行寿命损耗定量化， 如碳化物的析出率或球化率、蠕变孑l 洞面密度等方法。 实践上更多的是利用以上几种方法相结合的综合评估办法，以期得到更可靠的 结果。如日本对火电设备剩余寿命诊断和提高可靠性的措施方面，各大公司均有一 套综合评估方法，有相关专集给予介绍【3 2 】。 1 2 研究背景与意义 本课题所研究的对象为上海电力股份有限公司吴泾热电厂材质为1 2 c r l m o v 珠 光体耐热钢的主蒸汽管线。该管线长期在高温下运行并已超期服役，至2 0 0 0 年有近 3 0 万小时的运行史。该管道继续运行的安全可靠性、材料的损伤状况以及可能的剩 余使用寿命等问题急待解决。为确保管道的安全运行并使管道的更换具有科学性， 厂方依据原电力部d l4 3 8 - 2 0 0 0 的有关规定， 在2 0 0 0 年4 月检修之际，决定对主蒸汽管线弯管及其焊缝进行割管试验，以判别管 道的损伤度及其可用性。 在国内，使用1 2 c r l m o v 珠光体耐热钢制作的管道及耐热部件为数不少，也已 展开了一些相关研究，如对1 2 c r l m o v 钢蒸汽管道金属的显微硬度特征研究、蠕变 损伤和蠕变裂纹扩展性能研究等口3 ，3 4 】。从目前所掌握的文献来看，虽然有关该材料 劣化失效及其设备的剩余寿命评估方面的研究十分广泛，但对材料具体的微观损伤 和失效机理的探讨有待于进一步深入，特别是对材料损伤过程中显微组织变化与晶 粒蠕变形变的关系尚缺乏更细致的研究分析。另外，有关材料损伤和失效的许多抽 象的表象理论，都着重于利用材料某一具体类型的损伤程度对材料的蠕变行为作定 量或半定量的推测。以这些理论为基础的寿命评估方法，如应力、应变分析法或显 微组织比较法等，虽然取得了一定的成功，但要更客观地了解材料损伤和失效的过 程、更准确地预测寿命，尚有许多工作要做。 因此，本课题以服役近3 0 万小时的主蒸汽管母材1 2 c r l m o v 为对象展开了详 尽的力学性能试验研究与金相和断口的显微分析，试图通过上述分析与研究而从材 料的力学性能退化和显微组织结构变化等方面了解材料损伤机理，为建立更客观而 精确的寿命预测模型提供理论依据。 另外，通过本课题的研究，可以科学、准确地了解该管线经长期服役后母材与 焊材的力学性能劣化情况以及材质损伤程度；评估其剩余使用寿命究竟还有多长， 决定是否需要更换；同时，积累实用数据档案，为该材质的管道等安全运行及管理 提供基础依据。因此，本课题在理论和实际应用两方面都具有很大意义。 9 1 3 课题的研究方法与内容 根据上述研究背景与研究目的，本课题将展开以下几方面的试验与分析工作 ( a ) 合金钢力学性能退化的研究 对管材直管段和焊口等处取样，研究材料在不同方向上使用条件下和常温条件 下的材料有关强度、硬度、冲击韧性等实验，得到材料有关性能参数。通过比较材 料的使用标准有关要求和原始母材的性能参数，评价材料经长期运行后的脆化程度 和抗断裂能力。 ( b ) 合金钢的化学成分 ( 1 ) 化学分析方法测试合金钢的化学成分，特别是分析c 、c r 、m o 、m n 、v 、 s i 、s 、p 、n 和h 等易形成碳化物元素或常规杂质元素的含量，说明材料抗回火脆 性的能力。 ( 2 ) 运用e d x 等手段对材料晶界附近微区进行成分分析，观察材料中合金成分 如m o 、v 、c r 等是否存在晶界偏析和基体贫化现象，了解晶界弱化的过程。 ( c ) 金相分析 ( 1 ) 利用s e m 和金相显微术等方法，定性了解材料的具体显微组织性貌以及碳 化物的大小，了解晶界弱化的原因。 ( 2 ) 金相研究材料的晶粒度大小，通过观测晶粒的碎化程度了解材料强度下降的 原因。 ( 3 ) 在长期的高温运行和应力作用下，材料退化有可能产生蠕变孔洞。s e m 方 法观察材料中是否存在孔洞，找出材料性能下降的其它原因。 ( d ) 断口的研究 ( 1 ) 对断口进行s e m 形貌分析，观察材料的断裂形态，晶界裂纹和可能存在的 蠕变孔洞等，确定材料的断裂方式。 ( 2 ) 利用e d x 研究断口在断裂过程中长大的碳化物化学成分，了解基体成分的 富集和贫化机理。 1 4 本文结构 本文研究内容安排如下：第一章，绪论；第二章，介绍在役高温合金钢显微劣 化及构件蠕变寿命评定的理论模型与新技术；第三章，分析讨论管材短时力学性能 o 测试结果，利用有限元软件进行管线应力分析；第四章，分析宏微观断1 ：3 形貌，研 究材料蠕变损伤行为；第五章，评估母材与焊接接头的蠕变剩余寿命；第六章，总 结论。 第二章在役高温合金钢显微劣化及构件蠕变寿命评定的理论模型与新技术 提要：上章中主要介绍了有关耐热合金钢及其劣化失效的一般问题。本章则对己建立的描述耐 热合金钢高温时效下显微劣化的损伤力学模型进行了介绍，并对由这些理论模型发展起来的关 于构件蠕变寿命评定的各种新技术进行了综述，以作为后几章试验及分析讨论的基础。 2 1 引言 世界范围内，越来越多的发电设备相继进入老龄化阶段，更由于经济上的考 虑，许多设备已处于超期服役阶段。如何准确评估超期服役构件的损伤劣化程度 以及剩余寿命是设备延寿技术中广泛关注的重要问题，也是电力行业当今迫切需 要解决的实际问题。这是因为高温构件出现不必要的停机或灾难性的失效，都会导 致严重的经济损失甚至社会问题。因此，越来越需要发展一种更为可靠的蠕变寿 命评估方法。 传统的高温构件寿命评定总是基于一个设计规程，规定构件为达到某一设计 寿命所能允许的最大操作应力。该应力通常是材料、温度及时间的函数，并通过 材料的破坏试验数据及其外推值而确定。另外，评定中还须引入一些经验性的安 全因子，以考虑材料性能劣化、操作工况波动、高温蒸汽腐蚀以及焊缝质量等影 响寿命的因素。设计规程希望高温构件能够安全地运行至其设计寿命，并在其后 不久寿命终结，但事实并非如此。实践经验表明，传统的高温构件寿命评定往往 偏于保守，许多电厂构件的实际安全使用寿命远远超出了其设计寿命。因此，人 们越来越倾向于将构件的整个服役寿命分成两部分【35 j ：( a ) 最初设计寿命( 通常为 1 0 万小时左右) ；以及( b ) 安全经济寿命( t h es a f e t ye c o n o m i cl i f e ) ，指设计寿命 后直到失效的“后设计寿命”阶段。为了在安全经济的前提下最大限度地提高设 备的利用率，必须开发新的寿命评定技术，以期准确地估计设备的使用寿命。 近十年来，高温构件寿命评定技术领域取得了长足的进展。材料显微组织的 变化如珠光体的球化、晶界碳化物的析出和长大以及蠕变孔洞的生长与扩展等是 “安全经济寿命”阶段的主要特征，定性定量描述材料微观组织变化的损伤力学 和断裂力学的概念获得了越来越广泛的应用，已发展了若干个含微观损伤参量的 本构模型 3 6 - 3 8 1 ，并结合有限元法得到了更接近实际的评定结果【3 9 】；在实用技术 上，则开发了各种显微损伤定量化分析 删、蠕变应变测量以及实时蠕变检测1 4 1 j 等 寿命评定新方法。本文将从理论与实用技术两方面对过去十年中高温构件蠕变寿 命评估领域所取得的新进展和面l 临的新问题作一详细评述。对于循环加载和温度 周期波动引起的疲劳问题以及蠕变疲劳交互作用问题，由于需要特别加以研究， 在此不作讨论，有关内容可参阅文献【4 2 4 3 】。 2 2 材料蠕变行为的若干理论模型 对于电厂高温构件的蠕变寿命，可用常规的恒载单轴蠕变拉伸试样所得的蠕 变应变对时间的曲线进行描述和评估。蠕变曲线通常分为三个阶段：第一段、第二 段、第三段直至最终失效。在第一阶段，蠕变速率持续下降，降到一个最小值时进 入第二阶段。第二阶段中蠕变速率恒定不变，其最小蠕变速率与所加应力满足 n o r t o n 定律： = a c t ”( 2 1 ) 对于大多数材料来说，这一阶段占去了整个蠕变曲线的绝大部分。因此，若忽 略蠕变的第一阶段与第三阶段，则蠕变失效时材料的临界应变可表示为： f ，2 c “ f 2 2 、 其中，c m o 为m o n k m a n g r a n 常数。 在第三阶段，蠕变速率持续上升，直至失效。这一过程是由局部应力增加、损 伤的积累以及缺陷和裂纹的扩展等因素引起的。因此，通过引入一个表象损伤参 数，并结合蠕变第二阶段的n o r t o n 定律，便可以将蠕变第三阶段和第二阶段用一 个统一的模型描述： o 。：一冬：熹、 ( 2 3 ) ( 1 一c o ) ”( 1 一c o ) “ 、7 西= b ! ( 1 一) ” 其中，u 、m 与f l 为材料常数。为简化起见，假定m _ n ，n = 1 3 ；t = 0 时 c a ) = 0 ，t = t ，时，u = l ，在恒应力下，由式( 3 ) 、( 4 ) 可得： rf 、鼽 一1 。1 1 _ 刊 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 如小f 。一_ 。l lf ， j ( 2 6 ) 式( 6 ) 连同失效准则( 如临界应变准则) 一起，构成了基于应变测量的蠕变寿 命评定方法的理论基础。关于应变测量法，将在第4 节详述；式( 5 1 中的。为一个 表象损伤参数，它没有明确的物理意义，可以作为材料微观组织劣化损伤参数，如 碳化物组成比，也可以为蠕变孔洞损伤参数，如归一化a 参数( a a 。) 等。式( 5 ) 将 损伤参数与寿命损耗率联系了起来，又构成了本文第5 节中将要讨论的基于各种显 微损伤参数的蠕变寿命评定方法的理论基础。 对于实际构件的多轴复杂应力情形，式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 和( 2 4 ) 可推广为： 仁l昙爿p 。卜， 铲吾爿 岛 ”苦 占訾 ( 1 一r ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 其中，口。为m i s e s 应力，s 。为应力偏张量，孑为最大主应力，口为材料常 数，( 口子+ ( 1 一口b 。卜项定义为破断应力盯，局部破断发生于a a ，”f = c 时。以上 三式可用于具有复杂应力分布和再分布过程情形( 如几何形状复杂的构件、含焊缝 区域的蠕变【4 4 ，蠕变裂纹扩展等【4 5 1 ) 的有限元应力分析中。 另外，为了估计应力再分布带来的构件局部应力变化对其蠕变寿命的影响，还 必须引入状态方程的概念【4 “。此概念假定瞬时蠕变速率只取决于此时材料、应力 与温度的状态，而与先前的历史无关，因此状态方程可一般地表示为： 亡。= p ，t ，j ) 其中，s 为现时材料状态，通常定义为应变损耗率或寿命损耗率，即： s f 律 如，f 咿， l占， ( 2 10 ) ( 2 1 1 ) l f 律： o c ：f p ，t ，二) ， 对于s f 律，失效时有 菩= 对于l f 律，则有： = l 7 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 通常s f 律和t f 律的寿命预测结果是不相同的，因为它们分别与不同的微观失 效机理相关。s f 律适于描述温度较低、应力较大、加工硬化占主导的情形，而l f 律则适于描述高温、低应力、显微组织劣化占主导的情形。由此可知，要正确地选 择力学模型，就必须对材料失效的微观机制作一番深入研究。断口形貌分析、晶粒 形变分析( 第4 节) 以及显微组织分析( 第5 节) 可以用来实现上述目的。 2 3 应力解析法 应力解析法是根据实际构件的几何形状、运转温度、压力监测记录，利用解 析法或有限元法进行应力分析，计算构件在运行过程中所受的热应力和内压应力， 并结合材料的强度数据而进行剩余寿命的方法。 该方法能评价构件的任意部位，但会因运行历史记录、材料数据的不准确而 引起误差，例如，随着材料在运行过程中的老化，其强度数据会下降，应力和应变 分布也会发生变化，有可能导致局部应力集中。所有这些因素都有可能缩短构件的 使用寿命。因此，由该法估计的使用寿命往往需要再乘以一个经验性的安全裕度， 但这样做的通常结果是所得的寿命估计偏于保守，不能满足避免设备过早结束运行 的要求。因此应力解析法必须与其它寿命评定方法( 如应变测量法、金相组织检验 法、破坏试验法等) 相结合，才能精确而有效地评价构件的剩余寿命。但应力解析 可以指明构件最危险的部位，这是运用其他方法的前提，因而应力解析法是寿命评 定程序中不可或缺的环节。 近年来，为了将构件运行过程中的材质变化考虑在内，人们又将上节所给出 的表象损伤模型如式( 2 7 ) ( 2 9 ) ，应用在应力解析中，通过计算机有限元应 力分析，便可模拟出材料内部损伤发展的过程、构件应力和应变再分布的过程，以 确定构件在何时、何部位最危险。事实证明这种高精度的模拟与构件实际观测和测 量结果符合得较好。目前该法已应用在含焊缝构件的蠕变寿命评定中4 ”。 2 4 应变测量法 第二节中的式( 2 6 ) 将材料的应变和蠕变延伸率与其寿命损耗率联系了起来， 这使得利用应变测量来进行寿命评定成为可能。当然，应变测量法的用途远不止 于此，它可以用来修正应力解析的计算结果，从而改进计算模型；它还可以提供 用于应力、应变再分布估算的基本数据。 2 4 1 停机检查期的应变测量 电厂设备停机时的例行检查期为应变测量提供了最佳时机。因为此时的测量不 受设备运转所带来的各种波动的影响。这一时期的应变测量法主要有利用标记来进 行形变计量的宏观方法和利用表面复型显微图谱的微观方法。 ( a ) 标记法 标记法是在构件表面做标记( 如网格线等) ，并以在连续几次检查期中所观测 到的标记形貌的改变来推知构件真实形变的方法。该法简便直观，尤其适于大构件 的大范围应变测量。最近，又发展了一种利用点状标记进行微小区域形变测量的新 方法1 4 8 ，该法用计算机图形处理系统对点状标记的形变进行分析，获得了更精密 的应变数据。 ( b ) 晶粒形变分析 晶粒形变分析【4 9 1 是根据定量测量蠕变所造成的晶粒变形程度来诊断寿命的一 种微观方法。本方法是利用图像处理装置测量构件表面复型显微图谱中晶粒的最大 直径方向与应力方向的夹角，以其分布的标准偏差变形系数作为参数。变形系 数与蠕变损伤率之间有较好的关联关系。利用大量试样得出的变形系数与蠕变损伤 率的主曲线，便可由实测的变形系数评定剩余寿命。 关于晶粒变形分析的一个重要问题是，晶粒的形变究竟在多大程度上与材料的 整体形变相关。对于很多金属，尤其是在应变率较低时，整体形变可能由晶界滑移 引起，而不能完全归于晶粒形变。另外，构件在初始加工的过程中也可能发生的定 向形变，会影响到晶粒形变分析的准确性，这些都是必须深入研究的问题。 2 4 2 实时应变测量技术 理想的实时应变测量技术应能对构件在工作过程中不断发生的微小蠕变变形进 行持续的观测，同时又能尽量避免设备运转带来的可变因素( 如温度波动) 的影响。 下述三种测量方法是目前实时应变测量的主要手段。 ( a ) 电阻应变测量仪 电阻应变测量仪是根据贴附在构件表面的规材料在随构件作蠕变变形时会发生 电阻变化这一原理制成的。通常电阻测量仪的应用温度范围在3 0 0 c o 以下，并不适 用于更高温度下的监测，因为高温下测量仪材料的电阻率对温度变化非常敏感。因 此，为提高测量精度，发展低热敏系数材料是十分必要的。 ( b ) 电容应变测量仪 在高温应变监测中，电容应变测量仪是一种更有效的手段。电容应变仪是由平 行的两个极板构成，其中一个极板固定在构件表面上。当构件发生形变时，两个极 板的间隙宽度会随之改变，从而将形变转化为电容的变化。电容应变仪已用于含焊 缝试样的区域应变实时测量中1 5 。 应变仪测量法存在的缺点主要是测量装置易受环境变化的影响；经过长时间的 测量，应变仪会发生漂移，所有这些因素都将影响其测量精度。 ( c ) 光纤法 光纤法是一种实时应变测量的新方法。其原理是：将直径为1 0 0 微米左右的光 纤的一端用陶瓷固定在构件表面，作为点状标记，另一端通入激光束。激光束由固 定于构件的一端射出，为远处的显微镜所接收。这套装置可直接将构件表面的形变 转化为显微镜视场内光斑的位移，从而实现高精度的应