P92钢蠕变本构方程测试研究.pdf

第 42 卷第 2 期 20 l1 年 3 月 锅 炉 技 术 B ()II ER T E 【 ： HN()I ()( Y V O I 4 2 ，N O 2 Mar ，2 O 1 1 文章编 号 ： C N 31 1508(20l1)03 0050 03 P92 钢蠕 变本构 方程测试研 究 郑相锋 ，姜运建 ，王 庆 ，冯砚厅 ，李 中伟 (河北省电 力研究院 。河北 家 手 050021) 关键词 ： 新型耐热钢 ；蠕变本构方程 ；寿命评估 摘要 ： 高温 构件 蠕 变损 伤而引起 失效 断裂的现 象已引起研 究人 员的 重视 ， 针 对新型而 寸 热钢 P92 钢高温 蠕变特点 ， 考虑实际T 程应用 ， 采用蠕变拉伸试验得到适合 P 92 钢母材蠕变笫 二阶段的蠕变 本构方程 ， 为进 步研究 P 92 钢焊接接头的寿命 评估提供 r 基础数据 。 中图分类号 ： T G 441 8 文献标 识码 ： B 0 前 言 新 型 细 晶强 韧 性 耐 热 钢 P92 钢 在 我 国超 超 临 界 火 电 站 主 蒸 汽 管 道 已广 泛 应 用 ， 在 火 电 基 建 中 这 类 承 压 高 温 管 道 采 用 焊 接 方 法 进 行 连 接 ， 其 焊 接 件 成 为 高 温 下 服 役 最 关 键 的 结 构 元 件 之 一 。但 该 钢 种 属 于 马 氏 体 耐 热 钢 ， 其 焊 接 性 能较 差 ， 该类 C rM o 钢 焊 接 接 头 部 位 经 常 发 生 蠕 变 开 裂 ， 严 重 威 胁 电 站 锅 炉 的 安 全 可 靠 运 行 。 。 实 践表 明 ， 高 温 部 件 即 便 是 工 作 应 力 和 温 度 在设 计 范 同 内 ， 蠕 变 产 生 损 伤 而 在 其 设 计 寿命 期 内 发 生 失 效 断 裂 现 象 也 时 常 发 生 。 因 此 ， 对 P 92 钢材 的高 温蠕 变 损 伤 的研 究 ， 成 为 国 内外 的研 究 热 点 。 1 蠕 变 损 伤 与 本 构 方 程 1 1 蠕 变损伤 研 究 对 高 温 构 件 焊 缝 区 域 的蠕 变损 伤 研 究 表 明 高 温构件 在 长期 服役 过 程 中 ， 焊缝 区域 发 生蠕 变 孔 洞 的损 伤 ， 是一 种低 应 力水平 下 的蠕 变 脆性 失 效 ， 扩散 蠕变 是 主导机 制 ， 蠕 变 引 起 沿 品孑 L洞 ， 孔 洞的连接形成裂纹导致断裂， 而且断裂处没有 明 显应变 。 对于蠕变损伤的分析 ， 一种基本 的方法是微 观 评价 技术 ， 主要 是 通 过 比较 损 伤前 后 材 料 的 微 观 组 织 变 化 而进 行 的 。该类 方 法虽 能 够 直 接 观 闭 l P92 钢蠕变试验条件 卜 的做脱裂纹 察 材料 劣 化 或 损 伤 ， 且 通 过 定 量 分 析 ， 可相 对 准 确地 评价 寿命 ， 但 是 对 于 高温 构 件 在 长期 服 役 1 损伤 发展 过 程 ， 特 别 是焊 接 接 头 巾损 伤 变 化 ， 在 短期 内不能 进行 预测 。 近年 来 ， 随 着 连 续 损 伤 力 学 的发 展 ， 为 蠕 变 损伤 积 累所 引 起 的开 裂 的寿 命 计 算 奠定 j 理 论 基础 和计 算 依 据 。蠕 变 损 伤 力学 通 过 引 入 表 征 材料 内部 微 观 组 织 的损 伤 内 变 量 ， 从 而更 合 理 、 更准 确地 描 述 材 料 在 破 断 之 前 的损 伤 演 化 过 程 及其 力学 行 为 ， 能 正确 评 估 材料 的 强 度 和结 构 的 寿命 。 1 2 本构 方程 为 描述 材 料 在 高 温环 境 下 所 表 现 的 蠕 变 行 为非线 性 力学行 为 科 研 _l 作 者 提 H 厂不 同 的 力 学模 型 。 收稿 日期 ： 2009 08 O5 作者简介 ： 郑相锋(1 1)80) ， 男 ， T 程师， 主要从事焊接技术领域研究和电厂金属材料寿命评估研究 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 期 郑相锋 ， 等 ： P 92,钢蠕变本构方程测试研究 同 2 金属材料单轴蠕变拉伸 曲线 对 于高 温环 境 下 的单 轴 拉 伸试 样 ， 总应 变可 表达 为 ： 一 e + E + (1) 式 中 ： 一 代表 瞬时 弹性 (或 弹塑性 )应 变 ； 表示 塑性 应变 ； E(一 一代表 蠕变 应变 。 弹性 应 变 由胡 克 定 理 给 出 ， 塑 性 应 变 由适 当 的流 动准 则 给 出 ， 而 蠕 变应 变 则 可 以通 过 试 验 并 回归 成关 于应 力 、 温 度 T 以 及 时 间 t 的一 个 函 数 。如 -， ( ， ， l ) (2 ) 对 于典 型 单 轴 蠕 变 试 验 ， 当 试 验 温 度 一 定 时 ， 即不考虑温度的影响可以给出一个简单的经 验公 式 ： E 一 B t (3) 式 中 ： B 、 ， ”和 ” 均 为材料 常数 。 在恒 应力 条件 下 的试 验 结 果 表 明 ， 蠕 变 应 变 率 e 在蠕 变第 二阶段 是一 定 值 ， 则 上式 可简化 成 eB a” (4 ) 上式 为 著 名 的 N orton 的 幂 律 方 程 ， 适 用 于 大 多数金 属材 料 。 当 南单 轴 拉 伸 蠕 变 试 验 得 到 的 相 应 的 B 和 ”值 ， 再 采 用 有 限元 分 析 就 预 测 出蠕 变 损 伤 寿 命 。 2 单轴拉伸试验 2 1 拉伸 试样 制取 本 次 钢 管 母 材 试 样 采 用 美 国威 曼 高 登 (W Y M A N G ()R D O N )进 口钢 管 ， 合 金 组 织 为过 渡均匀的全马氏体组织 ， 见图 3 ， 对其进行等离子 发射光谱检验法， 其化学成分如下 ： 表 1 母 材钢 管化 学成 分表 图 3 P92 钢母材显微组织 试 样 的 加 工 参 考 G B T 2O39 1997(金 属 拉 伸蠕 变及 持 久 试 验 方 法 ， 标 准 中推 荐 了 2 种 横 截面类 型 的 蠕 变 试 样 ： 圆 形 横 截 面 和 矩 形 横 截 面 。本试 验采 用 的是 圆形横 截 面标 准 蠕 变 试 样 ， 见图 4 。 图 4 P 92 钢母 材标准蠕变试样(L 一35 m m ) 2 2 试验 仪器 蠕 变试 验 采用 长 春试 验 机所 的 C SS一 3910 型 电子 高 温 持 久 蠕 变 试 验 机 。该 机 通 过 计 算 机 对 试验 参数 进 行 设 定 并 对 试 验 数 据 进 行 采 集 和处 理 ， 采 用德 国 D O L I公 司设计 制造 的 E D C一 60R 数 字控制器控制主机 ， 使用温控仪表 A I一 808 控制高 温炉 。计算机 、 E D C一 60R 、 A I一 808 之间通过 串 口 进行 通讯 ， 由它们组 成 的集 散控 制 系统 对 整个 试 验进 行控 制 。 将母材标准蠕变试样进行单轴蠕变试验 ， 试 验温 度 为 600 ， 进 行 3 种 应 力 水 平 的 蠕 变 试 验。试验后对试验结果进行数值拟合 ， 得 到 P92 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 52 锅 炉 技 术 第 42 卷 钢 材料 蠕变 本构 方程 。 2 3 试 验结 果 P 92 钢 母材 标 准 蠕 变试 样 在 600 ， 在各 个 应 力 状 况 (192 M Pa、195 M Pa、210 M P a、 225 M Pa)下 进行 蠕变 试验 ， 记 录其 变 形 及 时 间数 据 ， 如 图 3 所示 (应 力为 210 M Pa)。然后进 行数 据处 理 分别 得到蠕 变 曲线 (图 5)及 蠕 变应 变 速率 和应 力 的关 系 曲线 (图 6)。 0 2O 0 l8 0 16 O 14 0 l2 O lO 0 O 8 0 0 6 0 0 4 0 O 2 0 0 0 0 2 00 40 0 60 0 8o o l o o0 71， h 图 5 P92 钢母材 600 下蠕变应变曲线 0 2 10 3 l5O l55 l60 165 l70 |M P a 图 6 P92 母材蠕变应变速率 一应力关系 曲线 可整理 出蠕 变本 构 关 系 N orton 方 程 一B et 中 的参数 的值 ， 分 别 为 ： B 一 2 5 2 0 5 7 E 5 7 ； ， ?一 2 2 5 l0 10 。 冈此 ， P 92 钢金 属母 材 的蠕变 本构方 程 为 一 2 5 2 0 5 7 E 一 5 7 3 结 语 本文充 分考 虑 工程 蠕 变 损伤 的特 点 ， 选 取适 于表 现蠕 变 的 第 二 阶段 的 N orton 的幂 律 方 程 ， 对 P92 钢母 材 进行蠕 变 拉 伸试 验 ， 并 使用 最 小 二 乘法 对数值 拟合 ， 得 到 P92 钢母 材 的 蠕 变本 构 方 程 。通过此 方 法 ， 也 可 得 到其 母 材 和焊 接 热 影 响 区相关 本构 方程 ， 为下 一 步进 行 P92 钢焊 接接 头 蠕 变 损 伤 有 限 元 数 值 模 拟 提 供 了 真 实 可 靠 的 数 据 。 参考 文献 ： 1 杨富， 章应 霖， 任永宁 。 等 新 型耐热钢焊 接M 北 京： 巾阳 电 力 H版 社 ， 2006 ： 1l4 R V i sw an ath a n e t a 1 A M eth o d o lo g y fo r E v ah m li n g th e In teg ri ty o f o ng i tud i n a lly S ea m We ld ed S tei nl P i pe s i n F o ss i l P lantsEJJournal of Pressure V essel i ec hno ogy ， 1 988 1 0 ( 3 ) ： 2 8 3 2 9 0 3 巩建鸣， 高温下焊接接头结构完整性的研 究 Ij 南京 南庙 T 业 大 学 ， l999 4F uji o A he et a1 S uppressi on of T y1)e IV frac l u re and i m prove m en t o f c ree 1) s tre n g th o f 9 (、 r ste el w e ld ed J(ti n ts b y n )n addi ti onE JIntern ati onal Journal of P ressure V essels and P i p i n g ， 2 0 0 7 ， 8 4 (1 ) ： 4 ,l 5 2 张俊善著 材料的高温变形 与断裂M 北 京： 科 学 版 社， 2 0 0 7 ： 3 4 7 3 5 2 涂善东著 高 温结 构完 整性 原理 M 北 京 ： 科学 版 社 2 0 0 7 ： 9 9 10 5 S tu d y o n C re e p C o n s ti tu t i r e R e la ti o n o f P 92 S te e l Z H E N G X i angfen g ， JIA N G Y u n ji an ， W A N G Q i n g ， F E N G Y anti ng ， Id Z ho ngw ei (H ebei Elec tri c Pow er R esearc h Insti tute，Shi ji azhuang 05002l。C hi na) Key w o rd s ：P 92 steel；c reep c on sti tu ti v e relati on ；li fe assessm en t A bst rac t ： F rac ture fai lure o f P 92 steel servi c i n g u nd er h i gh tem perature c reep d am ag e has aro se researc hers m ore rec og ni ti on A c c ord i n g to th e c h arac teri sti c s of P 9 2 steel h i g h tem perature c reep an d c on si d eri n g the en gi n eeri n g ap pli c ati on