（材料加工工程专业论文）高等级耐热钢焊接接头的蠕变损伤研究.pdf

中文摘要 从2 0 世纪初到现在，大力发震瞧力工监一直是各个国家经济建设的重中之 重。今籍我国火电建设将主要是发髓高效率高参数的超( 超) 冁界火电规组。在 火电技术发展过程中，提高蒸汽的温度与压力，魁提高火电机组热效率的有效途 径，而簧保证机组在较高温度与压力下稳定运行，材料是关键因素之一。翻翦， 蓬努已经开发荠应焉了用于超超箍赛电站蒸汽温度6 5 0 4 c 、压力2 5 m p a ) 的新 型耐高温合金p 9 2 铁索体钢，它在6 0 0 以上的温度下具有很高的蠕变持久强度 和蒸汽抗氧化能力。 本文通过热处理的方法来模拟p 9 2 钢的焊接热循环，获得热影响区的模拟组 织，并铡备出蠕交横擞试样，与母材耪肄缝试样一起徽6 5 0 下的蠕变试验。透 过蠕变试验结果，建立了带损伤的蠕变本构方程。通过6 5 0 下的高温持久试验， 研究经过高温蠕变后的试样组织，通过金相和透射电镜分析，来讨论蠕变损伤和 裂纹开裂的规理，得到如下结论： 用模拟热循环的方法模拟热影响区各区的组织所制备的模拟试样是有效的； 对考虑损伤的蠕变本构方程进行拟合发现p 9 2 钢焊接热影响区组织和母材以及 焊缝组织在6 5 0 。c 下的单轴蠕变性能差别较大；经过长时高温蠕变后，焊接接头 翡各个区域都有不离稳度豹损臻，并以蠕交空洞静形式塞现，蔼龙以细鑫区的蠕 变空洞为最多，说明这个区的损伤程度最重，损伤发展最快。遇过透射电镜分析 可知造成损伤的原因主要是晶界碳化物的析出，以及碳化物随精蠕变的进行不断 餐佬使得晶赛产生弱化，同时在蠕变过程孛位错密度也交小，这些因素都使p 9 2 钢韵抗螨变性能降低。 关键词：p 9 2 镶；蠕交损袭；本构方程；磺诧物；损伤瓠理 a b s t r a c t f r o mt h e b e g i n n i n go ft h e2 0 t hc e n t u r yn o w , v i g o r o u s l yd e v e l o pt h ep o w e r i n d u s t r yh a sb e e nt h ec o u n t r y se c o n o m i cc o n s t r u c t i o ni st h et o pp r i o r i t y t h e r m a l p o w e rc o n s t r u c t i o ni nc h i n aw i l lm a i n l yd e v e l o ph i g h e f f i c i e n c yp a r a m e t e r so f u l t r a h i g h ( u l t r a ) c r i t i c a lt h e r m a lp o w e ru n i t s i nt h ec o u r s eo ft h e r m a lp o w e r t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t ，r a i s i n gt h et e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r es t e a mi st h ee f f e c t i v e w a yt oi m p r o v et h et h e r m a lp o w e re f f i c i e n t i no r d e rt oe n s u r eu n i t sr u ns t a b l ya ta h i g h e rt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e ，m a t e r i a li so n eo ft h ek e yf a c t o r s a tp r e s e n t ，i n o r d e rt od e v e l o pa n da p p l yf o rt h eu l t r a s u p e r c r i t i c a lp o w e rp l a n t ( s t e a mt e m p e r a t u r e ，o f6 5 0 c ，p r e s s u r eo f2 5 m p a ) ，f o r e i g nc o u n t r i e sh a v eu s e dan e wh i g ht e m p e r a t u r e a l l o ys t e e l p 9 2f e r r i t e ，w h i c hh a sh i g h t e m p e r a t u r ec r e e ps t r e n g t h a n dl a s t i n g a n t i s t e a mo x i d a t i o na tt h et e m p e r a t u r ea b o v e6 0 0 * ( 2 t h r o u g ht h eh e a tt r e a t m e n tm e t h o dt os i m u l a t et h ep 9 2s t e e lw e l d i n gh e a tc y c l e ， a c c e s st ot h es i m u l a t i o no fh e a t - a f f e c t e dz o n e ，a n dp r e p a r et h ec r e e ps i m u l m i o n s a m p l e t h e nd ot h ec r e e pt e s to fh e a t a f f e c t e dz o n e ，b a s em e t a la n dw e l ds a m p l e t o g e t h e ru n d e rt h et e m p e r a t u r e6 5 0 c t h r o u g ht h ec r e e pt e s tr e s u l t s ，e s t a b l i s haz o n e o fi n j u r yc r e e pc o n s t i t u t i v ee q u m i o n b yt h e6 5 0 cs u s t a i n e dh i g ht e m p e r a t u r et e s t s ， r e s e a r c ht h es a m p l em i c r o s t r u c t u r ea f t e rh i g ht e m p e r a t u r ec r e e p ，b ym e t a l l o g r a p h i c a n a l y s i sa n dt e ma n a l y s i s ，t od i s c u s st h em e c h a n i s mo fd a m a g ec r e e pa n dc r a c k c r a c k i n gm e c h a n i s m c o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： w i t ht h ew a yo fs i m u l m i o no ft h eh e a tc y c l et os i m u l a t et h eh e a t - a f f e c t e dz o n e s m i c r o s t r u c t u r ei sp r o v e dt ob ee f f e c t i v e b y f i t t i n gt h ec o n s t i t u t i v ee q u a t i o n o f c o n s i d e r i n gt h ed a m a g et oc r e e p ，f o u n dt h a th a z ，b a s em e t a la n dw e l do fp 9 2s t e e l s u n i a x i a lc r e e pp r o p e r t i e sa r ed i f f e r e n t l a r g e l ya t 6 5 0 ( 2 。a f t e r l o n gt i m ea n d h i g h - t e m p e r a t u r ec r e e p ，t h ew e l d e dj o i n t si na l lr e g i o n sh a v ed i f f e r e n td e g r e e so f d a m a g ea n dp e r f o r m a n c ei nt h ef o r mo fc r e e ph o l e s e s p e c i a l l yi nf i n e g r a i n e dh a st h e m o s tc r e e ph o l e s ，w h i c hd i s p l a yt h a tt h i sa r e ai st h eh e a v i e s td a m a g ea n dt h ef a s t e s t d a m a g eg r o w i n gz o n e t h r o u g ht e ma n a l y s i sk n o wt h er e a s o n sf o rt h ed a m a g e c a u s e da r em a i n l yg r a i nb o u n d a r yc a r b i d ep r e c i p i t a t i o n ，a n dw i t ht h ed e v e l o p m e n to f c r e e p ，t h ec o a r s ep r e c i p i t a t i o nm a k e st h eg r a i nb o u n d a r yw e a k e n a tt h es a m et i m e ， t h ed i s l o c a t i o nd e n s i t yi sa l s os m a l l e ri nt h ep r o c e s so fc r e e p 。a l lt h e s ef a c t o r sm a k e l o w e ra n t i c r e e pp r o p e r t i e so fp 9 2s t e e l k e yw o r d s ：p 9 2s t e e l ，c r e e pd a m a g e ，c o n s t i t u t i v ee q u a t i o n ，c a r b i d e ， m e c h a n i s mo fd a m a g e 独创性声明 本入声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究王搏和取 ! 导的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得蕉盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书丽使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：本走竞 签字同期： 立o d 善年 月目 学位论文版权使用授权书 本学位论文馋者完全了解鑫鲞态堂有关保鳃、使用学健论文的规定。 特授权基鲞基鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向豳家有关部门绒机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：夺久耘 导师签名： 芬1 心锄 签字目期：冲艿月舌冀 签字日期：w 裾年易月髫网 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 能源，特别是邀能，是每一个圈家经济建设赝不可缺少的物质条件。从2 0 世纪初到现在，大力发展电力工业一直是各个国家经济建设的重中之重。中国经 济高速发展，电力短缺已成为瓶颈问题。我国是以煤炭为主要一次能源的国家， 燃煤发电在电力生产中占主导地位。这种能源结构在今后相当长的一段时期内不 会改交强j 。火力发电在我国能源王业中具有特刹重要的地位，占我国发电总量的 8 0 以上，在近一段时期火力发电仍为我国电力工业发展的重中之重。我国目前 的燃煤火电机组主要以贬临界以下参数机组为主，其热效率比工业发达国家( 以 超( 超) 临界机组为主) 低1 0 以上。另终，由予全球气候交暖使得减少温室气体 排放引起广泛重视，丽燃煤和燃油发电行业是c 0 2 的主要制造者，而提高发电热 效率是减少c 0 2 排放的重要途径之一。基于此，世界各国已经或正在兴建超( 超) 临界电站以提高发电热效率，今后我国火电建设也将主要是发展高效率高参数的 超( 超) 临界灾电机组。 超超临界锅炉蒸汽温度和压力的提高对材料的热强性能、抗高温腐蚀和蒸汽 氧化能力都有更高的要划1 1 。超( 超) 临界机组的服役条件更加恶劣，尤其是锅 炉汽包、主蒸汽管道和汽轮机箱体等结构将承受更高的蒸汽匮力和温度，以前各 国开发并在亚箍界机组中广泛使用的一些c r - m o 铁素体耐热钢已经不能满足这 些构件对材料高温蠕变性能的要求。为此，国外开发了用于超超临界电站( 蒸汽 温度6 5 0 、压力2 5 m p a ) 的新型耐高温合金钢，它们在6 0 0 以上的温度下具 有很高的蠕变持久强度和抗蒸汽氧化能力，并邑开始被应用于超( 超) 临爨燃煤 和燃油电站的建设。 热电厂中的主要部件如蒸汽管线、汽包、水冷壁、锅炉等均采用耐热钢制造。 众所周知，通过提高蒸汽温度和压力来提高热效率是现代热电厂的发展方向f 2 l ， 发展超瞧赛和超超嫒界火电机组，提离蒸汽的参数对于提高火力发电厂效率的作 用是十分明显的。表1 1 给出了蒸汽参数与火电厂效率、供电煤耗关系【3 ，4 】。 第一章绪论 从表1 1 中的数据可以看出随藉蒸汽温度和压力的提高，电厂的效率在大幅 度提高，供电煤耗大幅度下降，而提高蒸汽参数遇到的主要技术难题是金属材料 耐高温、高压问题。 为满足这一实际需要，多年来，冶金和电力行业一直致力于新型耐热钢的研 究开发，特别是铬含量为9 1 2 ( 质量分数) 的高铬耐热钢的发展。该系列 耐热钢以其很高的强韧性、抗蠕交性能，以及良好的抗高温氧化和抗腐蚀性能面 得到关注 5 , 6 , 7 1 ，并成为热电厂中主要设备用材的主选或更新换代材料。 董2 火力发电站用耐热钢的应用与发展 1 2 1 新型锅炉用耐热钢的概述 火电机组焉钢主要分为两大类l s j ：铁素体钢( 包括珠光体贝氏体和马氏体及 其双相钢) 和奥氏体钢。奥氏体钢比铁素体钢具有高的热强性，但热膨胀系数大、 导热性小、抗应力腐蚀能力低、工艺性差，热疲劳和低周疲劳性能( 特别是厚壁 件) 比不上铁素体钢，丽且成本高褥多。 为提高火力发电机组效率，国外近年来研究开发了一批综合性能良好、持久 强度很高的新型锅炉用耐热钢。 锅炉用钢管主要包括过热器、再热器、水冷壁、省煤器等锅炉受热面管子和 主蒸汽管道、蒸汽导管、集籍等大髓径厚壁管。这些管子均在高温承受内压条件 下工作，加之管子内壁的蒸汽氧化和外壁的燃气腐蚀，使锅炉钢管的服役条件和 2 第一章绪论 失效形式相当复杂。根据服役情况和加工工艺的要求对锅炉用钢提出了以下的要 求1 9 1 ：( 1 ) 足够的持久强度、蠕变强度和持久塑性；( 2 ) 高的抗氧化性和耐蚀性 能；( 3 ) 足够的组织稳定性；( 4 ) 良好的焊接性能；( 5 ) 良好的冷加工和热加工 工艺性能。除此之外，还要有高的抗拉强度和屈服强度，良好的冲击韧性等常温 力学性能；要有低热膨胀系数和良好的导热性等物理性能和良好的经济性能【1 0 l 。 要有效地提高发电机组的效率，只有提高蒸汽参数( 蒸汽温度和压力) 。第 二次世界大战后，各主要发达国家都在迅速研究发展高蒸汽参数、高效率化的超 临界机组和超超临界机组( 蒸汽压力2 2 1 9 m p a 称为超临界，蒸汽温度5 9 3 或蒸汽压力 3 1 m p a 称为超超临界) 。美国5 0 年代投入了多台超临界机组和 超超临界机组，其中最高参数为3 5 m p a ，6 4 0 。但是为采用高蒸汽参数而选用 的奥氏体钢易在蠕变一疲劳交互作用下破坏，机组事故率高，可用率低。除个别 机组外，美国目前超临界机组的蒸汽温度一般在5 3 8 c - - 5 6 6 c 的范围内。前苏 联运行的超临界机组也由于过热器和再热器内壁氧化等问题，不得不将锅炉主蒸 汽温度由5 7 0 降至5 4 5 。由于耐热材料的限制，高蒸汽参数的超临界以上机 组的发展在7 0 年代曾经受阻，世界各国在设计锅炉时都将蒸汽温度限制在5 7 0 以下。8 0 年代初期世界各国开始重新审视超临界机组的可靠性问题。由此可 见，动力工程技术的发展在一定程度上受限于耐热材料的研究与开发。 目前和未来蒸汽循环发电系统有两个明显的趋势：其一是延长现役发电机组 的灵活性和适应负荷的能力，要求所使用的先进耐热材料具有足够的余度；其二 是为了保护环境和节约能源需要发展高经济性、高效率化的高参数、大容量发电 机组。要实现更高蒸汽参数下机组的可靠运行，必须研究开发适应于高蒸汽参数 的强度更高、性能更可靠的耐热钢。由于锅炉钢管较为恶劣的服役条件，蒸汽温 度和压力的提高对锅炉用钢的要求更严。近年来，国外对锅炉用钢进行了大量的 研究，在原有的低合金耐热钢9 1 2 c r 系耐热钢及奥氏体耐热钢的基础上，研究 和开发了一批综合性能良好、持久强度更高的新型耐热钢，它们中的主要代表是 h c m 2 s ，改良型c r - ! m o 和s u p e r 3 0 4 h 。 1 2 2 国内外电站用耐热钢的发展 耐热钢在本世纪3 0 年代首先被电力工业用于提高蒸汽循环的温度和压力， 二战后铁素体、奥氏体耐热钢获得很大的发展。5 0 年代，锅炉用的耐热钢主要 是低合金铁素体钢2 2 5 c r 2 1 m o 和奥氏体不锈钢t p 3 0 4 h 、t p 3 4 7 h 。其后，耐热 钢的研究重点更多地在于加深对已有耐热钢在冶金、生产和加工控制方面的理 解。一方面因为试验钢种需要进行无数次化学成分的调制、配比、性能认证才能 用于规模生产；另一方面人们发现己使用的耐热钢在运行中暴露出很多问题需要 第一章绪论 进一步完善。在此其间，英、美研制开发了9 c r 2 1 m o 钢，但由于其蠕变断裂强 度低而没有获得广泛应用，实际上在欧洲获得广泛应用的是法国研制的e m l 2 ( 9 c r 2 2 m o ) 和德国研制的x 2 0 cr m o v l 2 1 ( 1 2 c r , 简写为x 2 0 ) 。以上所述的 2 2 5 c r 2 1 m o 、e m l 2 、x 2 0 、t p 3 0 4 h 、t p 3 4 7 h 到目前为止还是构成电站锅炉高 温部件的主力钢种。 近3 0 年来，由于发电机组耐热钢的限制，目前世界范围内常规发电机组的 蒸汽参数一直维持在1 6 一2 4 m p a ，5 3 8 5 6 6 。美国最早发展超临界压力机组， 1 9 5 7 年开始投入第一台1 2 5 m w ，参数为3 1 m p a ，6 2 1 5 6 6 5 6 6 的超超临界机 组，次年又投入第二台3 2 5 m w ，参数为3 4 4 m p a ，6 4 9 5 6 6 5 6 6 。c 的超超临界机 组；但因采用较高蒸汽参数超出当时材料技术的发展，后来不得不退回到2 4 1 2 6 5 m p a ，5 3 8 5 4 3 5 3 8 5 6 6 的超临界参数。日本是发展超临界、超超临界 机组的后起之秀，1 9 6 7 年开始采用超临界机组其参数为2 4 1 m p a ，5 3 8 5 6 6 。 之后日本超临界机组的蒸汽参数不断提高，到2 0 0 0 年日本计划投运5 台蒸汽参 数为5 9 3 ，单机容量7 0 0 - - 一10 0 0 m w 级的超超临界机组。现在人们已经清楚地 认识到，只有提高蒸汽参数( 压力，温度) ，发电机组的效率才能得到提高，而 提高蒸汽参数需要强度更高、性能更可靠的耐热钢【1 1 1 。 虽然由于不同的原因，超临界以上的高蒸汽参数机组的发展在7 0 年代曾经 受阻，但在8 0 年代初期，世界各国开始重新审视超临界机组的可靠性问题。在 1 9 8 5 - - 1 9 9 0 年，日、美、苏、德、法等国已着手研制开发可实际运行的超超临 界机组( u s c ) ，并制定了超超临界机组的两步发展计划f l2 1 ，其中第一步目标的 主蒸汽参数为3 0 m p a ，5 9 3 5 9 3 5 9 3 ( u s c 21 ) ：第二步目标的主蒸汽参数3 4 5 m p a ，6 4 9 6 4 9 6 4 9 ( u s c 2 2 ) 。图1 1 是s h i n l i c h i 等人l l3 j 提供的发电机组蒸汽参 数的提高和热效率的增加，预测的超超临界机组的发展目标为u s c 2 1 和u s c 2 2 两步计划，蒸汽参数为3 4 5 m p a ，6 4 9 6 4 9 6 4 9 的未来u s c 机组比目前常规的 蒸汽参数为2 4 1 m p a ，5 3 8 5 6 6 的超临界机组净效率提高8 8 。按照s h i n l i c h i 的观点，蒸汽温度不低于5 9 3 或蒸汽压力不低于3 i m p a 被称为超超临界。 目前和未来发电技术的发展方向是超临界、超超临界发电系统和联合燃气蒸 汽循环发电系统。由于u s c 系统的技术仍是基于常规发电系统的渐进技术，所 以发展u s c 技术是最具有现实意义的，而且和其它技术相比极具竞争力，目前 一些经济发达国家都开始采用u s c 发电机组。日本已有2 台7 0 0 m w 、蒸汽参数 分别为3 0 m p a ，5 6 6 5 6 6 5 6 6 和2 4 m p a ，5 3 8 5 9 3 的超超临界发电机组投运， 效率都达到4 2 以上。丹麦于1 9 9 2 年在v e s t 电厂投运1 台4 0 7 m w ，参数为 2 5 ，1 m p a 、5 6 0 5 6 0 的超临界机组，其供电净效率达到4 5 3 ，丹麦还计划建 造2 台4 1 2 m w 的超临界机组，分别燃用煤和天燃气，蒸汽参数为2 8 5 m p a ， 4 第一章绪论 5 s 0 5 8 5 8 0 ，其熟效率可达4 9 。 糕 嚣善翦 矮 o 圭蔟汽驻力f m p a ) 网l l 超超临界蒸汽参数下的热效率增益 我国从2 0 世纪5 0 年代开始生产6 0 0 0 k w 的第一批汽轮机汽车和飞机，然而 高温材料主要依赖进豳。基于庞大的国痰市场需罄，我国首先弓| 进国外豹耐热钢 和高温合金，进而消化、吸收、发展了我国自己的耐热钢、高温合金和钛合金， 并且在高温金属间化合物以及超高温钨基复合材料的研究发展上亦有所突破。 我溺通过3 0 0 m w 和6 0 0 m w 距憔界发电机组的技术引进、消化和鲁行研制 开发，已经基本上掌握了大容量亚临界发电机组设计、制造、调试和运行的关键 技术。因此，我国发展超临界压力机组已是势在必行，经过多年探讨，我国发展 超临界压力机组的蒸汽参数，初期为5 3 8 5 6 6 ，进而过渡到5 6 6 5 6 6 ，这一 参数确定焉籍至少稳定到2 0 1 0 年。我国麸初期生产低蒸汽参数( 3 。5 m p a 4 3 5 ) 的电站设备( 锅炉和汽轮机) 开始，目前己能生产亚临界参数( 1 6 5 m p a 5 5 0 5 5 0 和16 5 m p a 5 3 8 5 6 6 ) 的3 0 6 0 万k w 的火电机组，超临界机组( 2 4 - 、一 2 5 m p a 5 3 8 5 6 6 ) 的生产亦正在计划之中【m 】。 通常电站设备用高温材料分为以下四类 1 5 】： ( 1 ) 钢管材料：目前在6 0 0 以下高温锅炉管( 如过热器管) 中用量最大 的是低含金铁素体型耐热钢，如1 2 c r lm o v 钢和1 2 c r 2 m o w v t b 钢：在6 0 0 - - ， 6 2 5 的温度范围蠹开始用含铬9 1 2 ( 质量分数，下阍) 酌耐热钢，如 1 0 c r 9 m o l v n b ( t 9 1 ) 钢；当温度达到6 5 0 时采用奥氏体型耐热钢，诸如 第一章绪论 l c r l 鲥1 9 ( 砰3 0 4 h ) 钢帮l c r l 9 n i ll n b ( t p 3 4 7 h ) 钢。 ( 2 ) 叶片材料：广泛使用含铬1 2 的钢及加入钼、钨、钒、铌作为碳化物 析出强化或加入铜产生金属间化合物析出强化的改型耐热钢。 ( 3 ) 转子材料：一般为c r n l m o v 钢和q m o v 钢。 ( 4 ) 紧固徉材料：我国曾长期使用2 5 c r 2 m o v 钢和2 5 c r 2 m 0 1 v 钢终为在 5 0 0 - - - 5 5 0 温度范围内的高温螺栓材料。为了避免2 5 c r 2 m o l v 钢的高温缺口敏 感性而开发可以使用到5 7 0 的2 0 c r l m o l v t i b 钢和2 0 c r l m o l v n b t i b 钢，这 两种钢都具有毙1 2 铬钢更好的高渥性能；在曼高的温度范重，匿娥采用 r e f r a c t o r y2 6 n i c r c o 型高温合佥。基于节约钴的考虑，我国自行开发了无钴 的镍基高温合金g h 4 1 4 5 ，并且己投入了使用。 董。2 3 电站锅炉耐热钢的研究开发方向 蒸汽参数从5 3 8 提高到5 6 6 ，只要充分利用低合金和中合金c r 2 m o 与 c r 2 m 0 2 v 钢，如原来一直使用的低含金锅炉钢管如1 2 5 c r o 5 m o ( s a 2 1 3 - - t 1 1 ) 、2 2 5 c r m l m o ( s a 2 1 3 一t 2 2 ) 渔1 以及9 1 2 c r 系鲶c r 一醚。与c f m o v 钢，如e m l 2 、x 2 0 、h t 9 ，t 9 ( s a 2 1 3 - - t 9 ) 就可以达到，亦可采用 改进的9o , 4 1 2 c 闱以提高机组可靠性。高蒸汽参数发电机组耐热钢的初级开 发集中在使蒸汽参数从5 6 6 提高到5 9 3 ，这一温度的提高只要在保证现有机 组的操俸灵活性上采用改进了的铁索体钢就能实现，如改进型9 c r l m o ，改进型 9 c r 2 m o ( n s c r 9 ) ，n f 6 1 6 ，h c m l 2 a 等。高蒸汽参数发电机组耐热钢开发的第 二阶段是使蒸汽温度由5 9 3 提高到6 4 9 ，目前还没有主蒸汽温度为 6 4 9 5 9 3 5 孵的机组。嚣前预测这一温度飞跃只能由奥氏体钢完成。 能确保发电机组的蒸汽参数从5 3 8 提高到5 6 6 、5 9 3 、6 4 9 ，必须采用新 的耐热钢。为达此目的，世界范围内各国电力机构开展了认证和开发适于高蒸汽 参数下使用的耐热钢的工作，如e p r i ，e l s a m ，n a t i o n a lp o w e r ，e p d c 和欧洲 i 翳c o s t 5 0 1 组织等。通过材料认证工终一方面建立超临界、超超憔界发电机组 的耐热钢体系，另一方面完善现有的耐热钢体系并研制开发更先进的耐热钢以弥 补现有耐热钢的不足。材料认证工作的重点对锅炉而言，主要集中于锅炉的热交 换管( 如高温过、再热器) 和非热交换管( 如高温过、再热器的出口集籍、管道 及其附件) 等。从目前世界各国高蒸汽参数发电机组的发展来看，电站锅炉耐热 钢在研究开发利用方面的方向和趋势如下】： ( 1 ) 利用多元复合强化的原理发展一种低铬、高蠕变强度、可焊性好、成 本低的耐热钢来制作6 0 0 4 c 以下大型发电机组的厚壁 譬和热交换管彳孛，如匿本研 制的h c m2 s 1 7 1 ： 6 第章绪论 ( 2 ) 重点发展离铬( 9 1 2 c r ) 多元复合强纯耐热钢，主要采用加w 、 减m o 和以w 代m o 的含金添加原则l l 剐； ( 3 ) 将t 9 1 p g l 作为最有前途的用于高温的商业化材料，并部分替代奥氏 体不锈钢删； ( 4 ) 发展蠕交强度高于t 9 1 p 9 1 的铁素体钢制作大型厚壁的菲热交换件以 替代奥氏体不锈钢，只有在考虑抗腐蚀和可加工性时才考虑用奥氏体不锈钢制作 匣壁件【1 8 ，2 0 】! ( 5 ) 对铁素体钢淡提高材料的孀交断裂强度为主，对类氏体钢以低成本、 提高抗蒸汽氧化和热腐蚀能力为主，如基于t p 3 0 4 h 开发的s u p e r 3 0 4 h 【9 】； ( 6 ) 改进型的9 1 2 c r 铁素体钢在抗氧化和热腐蚀能力始终不及奥氏 体钢，因此，铁素体和奥氏体钢的异种钢焊接闻题依然是今后的研究重点； ( 7 ) 发展2 0 c r 和2 5 c r 以上的高c r n i 含金来制造技术先进的燃煤电厂 的薄壁热交换管子。因为蒸汽温度为6 0 0 6 5 0 时，受热面烟气侧壁温可高达7 0 0 7 5 0 ，烟气侧在该温度下达到最大融盐腐蚀速率，此时t p 3 0 0 系列不锈钢抗 腐蚀能力不足。 p 9 2 钢正是基予这种趋势而新研制出的钢种，它是目前世界各国大力发展超 超临界机组的新型耐热钢材料，它相对其他铁素体合金钢具有更强的高温强度和 蠕变性能，可以减轻锅炉和管道部彳牛的质量。p 9 2 材料的抗热疲劳性、热传导系 数和膨胀系数远优予奥氏体不锈钢，且抗腐蚀性；| 霹抗氧化性麓优于其他9 c r 的铁素体耐热钢。因而p 9 2 材料具有更高的运行参数( 温度、压力) ，从而提高 了机组的热效率。 1 3 高温蠕变损伤概述 在石油化工及电力行监有一些设备和构件在高湿下承受攫力载荷的作焉，如 加热炉管、锅炉蒸汽管道等。高温设备往往是企业的核心设备，价格昂贵，在操 作中承受着与时间相关的材料和结构劣化，并且有部分设备是超期服役，使发生 失效破坏的概率大大增加。高温设备和构件的主要失效形式是过度变形和断裂， 蠕变是嵩温构件破坏豹主要因素矧。 从历史上看，蠕变现象早在1 8 世纪就已经引起了人们的注意1 8 8 3 年法图的 维卡特曾对钢索进行了试验，并作了定量分析。1 9 1 0 年英国物理学家a n d r a d e 发 表了他的基本理论研究成果并首次提出了蠕变这个名词f 2 卫。予是蠕变这个专门术 语一直沿用至今。 7 第一章绪论 1 3 。1 蠕变理论基础 蠕变是高温结构破坏的最主要的形式。在一定的温度下，金属受持续威力的 作用而产生缓慢的塑性变形的现象即为蠕变，它是高温结构完整性理论的主要基 础1 2 翻。隧着王监的发展，蠕变的研究大致麸两方面着手进行 2 4 l ：一是放微观蕉 度出发，研究蠕变机理及冶金因素，对蠕变特性的影响来提高金属的蠕变抗力， 致力于高温耐热合金的制造；二是从唯象研究的途径出发，以宏观实验为基础， 由观察宏观的蠕交现象着手，在试验斡基础上分析研究所得到的实验数据，建立 描述蠕变规律的理论，研究构件在蠕变情况下的应力与应变计算方法及其寿命的 估算方法。 铡 崔 粼 蜜 时闻t 图1 - 2 典型蠕变曲线 圈l 一2 为标准的蠕变曲线( 随蕾时闻的增加，试样不可能无限地变形，而是 在一定的时间下出现断裂) 。英国科学家a n d r a d e 研究发现蠕变曲线一般分为几 个阶段，初始都有一个与时间无关的弹性变形，此后蠕变曲线大体可分为三个阶 段：第一阶段对应着蠕变速率的逐渐降低，第二阶段或称稳态蠕变阶段的蠕变速 率近乎为常数，第三阶段为蠕变速率剧增的阶段，并最终导致断裂。在常载荷试 验条件下，蠕变第一阶段和第二阶段的试样截面上的应力是基本恒定的，但在蠕 变的第三阶段，应变速率的增加主要是由于变形过程中试样截藤减小的结果，同 时材料内部孔洞的出现也会减小有效承载截西，因此第三阶段的描述较为复杂。 8 第一章绪论 必须指出这种划分的方式不是绝对的，对于单晶或定向凝固晶体材料，在第一阶 段启动前还有一段位错开动的孕育期。 b a i l e y t 2 5 】率先考虑了如何利用材料的蠕变性质及蠕变试验数据进行工程设 计，这使人们更加注意到蠕变研究的重要性。从基本的蠕变曲线中，可以演绎出 许多可供工程设计用的信息，比较有用的信息有最小蠕变速率和应力的关系，以 及初始应力和蠕变破坏寿命之间的关系等。 蠕变是材料温度激化的结果，因此蠕变强度对温度的依赖性是不言而喻的。 一般认为蠕变发生与否，与金属的熔点温度t m 有关，粗略地可根据工作温度是 否大于0 5 t m 进行判断，实际合金则多在( o 4 0 6 ) t m 之间。当工作温度大于 0 5 t m 时，即使应力小于材料的屈服限，蠕变也会发生。而当工作温度小于0 5 t m 时，若要产生蠕变变形，应力必须接近或者大于屈服限，蠕变曲线以第一阶段蠕 变为主。 在蠕变过程中，金属微观组织结构的变化是很复杂的，不但各个阶段有其特 点，而且在同一阶段中往往也有多种机制共同作用。一般地，高温下的蠕变变形 有两种物理机制所控制：一者是扩散蠕变，二者是位错蠕变。它们均和空位或位 错的运动相关。空位是晶格的一种点缺陷，正常点阵上的一个原子转移成为间隙 原子的同时，便出现一个空穴；位错是一种线缺陷，位错通过滑移和攀移在晶格 中运动。 扩散蠕变是在极高的温度、较低的应力水平下材料所产生的与牛顿型粘性流 动相似的缺陷。其机理是晶体中的大量空位在应力作用下向平行于应力的晶界面 上扩散，同时有大量的原子跑到垂至于应力的晶界面上。或者说，有大量的原子 由平行应力的晶界面上通过晶体内部传输到垂直于应力的晶界上去，而空位作与 此相反的传输。这也可以解释为原子从局部压应力区域向局部拉应力区域的流 动，并为空位相反方向的流动所平衡。在变形过程中不出现位错的运动，称之为 h e r r i n g - - n a b a r r o 蠕变。在略低的温度和更低的应力水平下，蠕变会通过晶界扩 散而产生，这叫做c o b l e 蠕变。在这蠕变变形形态中，蠕变速率随应力近于线性 变化。在应力水平很低时，扩散蠕变只是在接近材料熔点的高温时才可观察到， 这在工程上意义不大。但对于晶粒较细小的金属，扩散蠕变也是一个不可忽略的 因素。 位错蠕变的机制发生在应力水平较高、服役温度在o 3 t m 一0 5 t m 以上，但一 般不超过0 7t m 的构件上。蠕变变形时，位错运动的形式主要是攀移。攀移可以 导致非平面内正负位错的湮灭，正攀移吸收空位，负攀移产生空位。所以空位在 位错间的扩散决定着位错攀移及进一步导致反号位错的消失( 湮灭) 速度。位错 消失导致恢复和软化，由此导致在恒应力下进一步的变形。这种蠕变速度决定于 9 第一章绪论 空位的扩散速率，其中包含着空位产生和空位运动两个过程。所有决定着蠕变速 率的热激活能就是空位产生激活能同空位运动激活能之和，它等于原子自扩散激 活能，亦即其速率可以用a r r h e n i u s 方程来表示： 丝 占= a er t 其中，h 为激活能，r 为b o i t z m a n 常数，t 为绝对温度。 1 3 2 蠕变损伤理论 损伤的概念最早完全是工程的，其目的是为了预测经历了材料劣化过程后结 构的承载能力。经数十年的发展，损伤理论得到了现代材料科学、断裂力学以及 测试技术的支持，其框架渐趋成熟。损伤理论有着广阔的应用前景，许多学者尝 试采用损伤理论进行寿命预测，并且证明只要结合其它手段，如应力分析结果、 金相分析结果等是可以满足使用要求的。这对于电力部门的许多重要部件已接近 或达到预期的设计寿命，为了保证安全进行寿命诊断，及时消除安全隐患，防止 突发事故的发生，无疑有着十分重大的意义。 所谓损伤是指冶炼、冷热工艺过程或在荷载、温度、环境等方面的作用下， 材料的微观结构发生变化，引起缺陷成胚、孕育、扩展和汇合，导致材料宏观力 学性能的恶化，最终形成宏观开裂或材料破坏。蠕变损伤实际上是一种材料内部 破断的过程。在高温和恒定载荷或缓慢变载的作用下，蠕变损伤从晶界微裂或空 洞处起始并逐渐增长。空穴成核的机理是通过晶界滑移，晶界滑移引起晶粒角和 沿晶不规则处应力集中，从而局部“脱粘”生成空穴，即使不存在晶界滑移，应 力在晶间沉淀相粒子处松弛，也使空穴聚集生核。蠕变裂纹一般为晶间裂纹。连 续损伤力学研究材料内部连续分布的空洞和微裂纹等损伤形式的演变规律，不仅 能够对材料的寿命进行预测，而且能够对材料的损伤状态作出评估。损伤度d 所 代表的是材料的失效面积分数，也就是在高温条件下由于材料内部的蠕变空洞、 蠕变裂纹和疲劳裂纹造成了材料内部结构的不连续，材料结构的不连续的实质是 材料的外表面或材料的内部产生了新的表面，分离的两个表面上的分子或原子间 的的距离远大于分子或原子之间的作用范围，从而使材料的宏观力学性能恶化 2 6 , 2 7 o 损伤与材料的变形往往是不可分割的。按材料的变形性质和状况，可将损伤 作下列分类【2 8 】： ( 1 ) 弹性损伤。弹性材料中由应力的作用而导致的损伤。材料发生损伤后， 没有明显的不可逆变形，所以又称为脆弹性损伤。如强度高韧性低的金属和合金、 高强度混凝土、陶瓷和岩石等材料中产生的损伤。 1 0 第一章绪论 ( 2 ) 弹塑性损伤。弹塑性材料中毒应力的俸耀丽弓| 起的损伤。材料损伤时， 同时产生残余变形。在室温或较高温度下。金属靼性大变形中的损伤就属于这类 损伤，故又称为延性塑性损伤。如强度较低但韧性很好的金属材料、中强度的混 凝土、复合材料、高分子材料等常用的工程材料中出现的损伤。 ( 3 ) 蠕变损伤。材料在蠕变过程中产生的损伤，有时也称为粘塑性损伤。 在给定的温度( 中温或高温) 下，这类损伤是时间的函数。如金属材料在高温或较 高温度下蠕变中产生的损伤。对于混凝土这类材料，即使在常温下，恒定的应力 也会弓| 起蠕变f 或称徐变) 嚣产生损伤。 ( 4 ) 疲劳损伤。这类损伤由应力的重复而引起，并为其循环次数的函数。 根据应力水平的不同，又可分为低周疲劳损伤和高周疲劳损伤。因为疲劳过程中 有不可逆的微塑性应变，故又称微观塑性损伤。 ( 5 ) 剥落损伤。巍冲击载荷或高速载荷产生的弹性损伤耩弹塑件损伤，又 称为动力损伤。 此外，还有由腐蚀引起的损伤，蠕变一疲劳损伤以及由中予线、核分裂的照 射丽弓| 起的损伤等等。 1 4 本文研究内容 如前所述，在火电技术发展过程中，提高蒸汽的温度与压力，是提高火电机 组热效率的有效途径，而要保证机组在较高温度与压力下稳定运行，材料是关键 因素之一。目前，国外已经开发并应用了用于超超临界电站( 蒸汽温度6 5 0 、 压力2 5 m p a ) 的薪型耐高温合金p 9 2 铁素体钢，它在6 0 0 以上的温度下具有很高 的蠕变持久强度和蒸汽抗氧化能力，国内也普遍采用p 9 2 钢建设超超临界发电机 组。 本文首先通过热处理的方法来模拟p 9 2 钢翡焊接热循环，获得热影响区豹各 微区的模拟组织，并制备出蠕变模拟试样，与母材和焊缝试祥一起做6 5 0 下的 蠕变试验。通过蠕变试验结果，建立起带损伤的蠕变本构方程。通过6 5 0 下的 高温持久试验，来研究经过高温蠕变后的试样组织。通过有限元分析计算，比较 焊接接头各区域蠕交疲变大小，从而比较它们的抗蠕交性能。通过金褶和透射电 镜分析，来验证有限元计算的正确性，并讨论蠕变损伤以及由它导致的蠕变裂纹 开裂的机理。 第二章试验材料和试验 2 1 试验材料 第二章试验材料和试验 试验所用的材料失国网蕊京电力建设研究院所提供酶霉本进e lp 9 2 钢，p 9 2 钢管的规格为：西2 8 8 x 4 5 m m ，钢管以正火和回火状态供货，其规范为：正火 1 0 4 0 4 h 、空冷，回火7 6 0 11 h 、空冷。p 9 2 钢具体成分和力学性能分别如表 2 1 和表2 2 中所示。焊接材料采用规格垂2 4 m m 的g t a w 焊丝和规格垂2 5 m m 、 垂3 。2 m m 的s m a w 焊条。采用g t a w 打底，然后采用s m a w 焊接，焊蘑热处 理温度为7 6 0 - - 7 7 0 ，保温时间2 小时。 表2 1p 9 2 钢化学成分( 叭) 4 l ( 纵向) 常温性能 6 2 0 4 4 0 2 0 盟5 0 2 7 ( 横离) 2 2 蠕变模拟试祥的制备 试样的设计和机加工参考中华人民共和国网家标准金属拉伸蠕变及持久试 验方法) ) 的g b t 2 0 3 9 1 9 9 7 标准删，标准中推荐了两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，标准试样 1 2 第二章试验材料和试验 如图2 i 所示 图2 1 圆形横截面标准蠕变试样 模拟试样制各试验采用真空热处理炉进行热处理。真空热处理炉为取室真空 淬火炉，型号rz c 2 - 6 5 ，最高加热温度为l3 0 0 c ，有自动控温系统，可设定加 热速度艘时间。试验用真空热处理炉如图2 - 2 所示。 第二章试验材料和试验 图2 - 2z c 2 6 5 真卒热处理炉 真空热处理炉的加热速度快，控温精度高，得到的热模拟温度曲线更接近实 际的焊接工况，同时还有可以减少试样的脱碳等方面的优点。焊接热模拟曲线如 图2 - 3 所示，三种峰值温度分别为1 1 0 8 k ( 8 3 5 ) 、1 2 2 3 k ( 9 5 0 ) 和1 4 7 3 k ( 1 2 0 0 ) ，分别模拟热影响医粗晶区、细晶区和临界区的组织。对每种温度下的标准 蠕变拉伸试样，同时还随炉进行了小试样的模