CP1071_FC硬度对P91钢蠕变断裂性能的影响.doc

硬度对P91钢蠕变断裂性能的影响于在松，侯淑芳，周荣灿，刘树涛西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710032Influence of hardness on the creep rupture properties of P91 steelYu Zai-song, Hou Shu-fang, Zhou Rong-can, Liu Shu-tao Xian Thermal Power Research Institute Co.， Ltd. ， Xian ，China- 5 -ABSTRACT: The creep rupture properties of P91 steels with two different hardness of 172HB and 203HB were tested. The 100000h creep rupture strength was extrapolated by the isothermal curve method, M-G method and Larson-Miller method. The Influence Mechnism of hardness on the creep rupture properties of P91 steel was also studied with metallographic analysis.KEY WORD: P91; hardness; creep rupture strength摘要：对硬度分别为172HB和203HB的P91进行蠕变断裂试验，采用等温线法、M-G法和Larson-Miller参数法等方法对其进行持久强度分析。并结合金相组织分析硬度影响P91钢蠕变持久性能的原因。关键词：P91钢；硬度 ；持久强度 1 引言P91钢作为一种新型回火马氏体钢，因其优异的抗氧化性能、抗蠕变性能和高温持久强度，在火电厂中得到广泛的应用，我国新建的300MW或600MW等级超临界机组，其主蒸汽管道均采用P91钢。近年来，在P91钢电站高温高压管件的质量检验过程中经常发现有硬度偏低的现象1-3。一般认为，硬度与强度有着一定的对应关系，硬度偏低会造成拉伸强度偏低，并影响材料的蠕变持久性能，从而影响其运行安全和使用寿命。因此，P91钢的硬度问题对蠕变持久性能的影响越来越受到业内的关注。本文对硬度为172HB的P91和硬度为203HB的P91进行蠕变断裂试验研究，评估硬度对P91钢蠕变断裂性能的影响，以期为P91管道的质量监督和运行的安全性评估提供技术依据。2材料与试验方法研究材料取自国产P91钢，化学成分见表1，供货态硬度为203HB，标记为NH试样。将供货态P91进行图1所示热处理后，其硬度降低到172HB，标记为LH试样。表1 P91钢化学成分分析结果（wt%）Tab1 Chemical composition of P91 type steel（wt%）元素CSi Mn PSCrMoNi P910.0880.310.370.00870.00328.340.90.17元素AltolNbTi V NOHP910.00560.10.0050.190.0540.00220.00004t / hrT /图1 LH试样制备工艺Fig1 Precessing technique of sample LH蠕变断裂试样在管道壁厚的中部沿轴向制取，试样为直径10mm的标准圆棒持久试样，持久试验按照GB/T2039-1997在CFF-3905高温蠕变试验机上进行，试验温度为566。试验方案如表2所示。表2 P91蠕变断裂试验方案/566Tab2 Creep and stress rupture test scheme of P91 steels试样试验应力12345LH170MPa127MPa120MPa108MPa100MPaNH228MPa203MPa188MPa178MPa160MPa3 结果与分析3.1 金相分析图2所示为两种硬度的P91钢的金相组织照片。图2（b、c）显示NH试样为回火板条马氏体组织。而LH试样组织中部分区域已经没有回火板条马氏体的典型特征（如图2a所示），最低硬度区域仅有153HV0.05。（a）LH试样201HV1207HV1（b）NH试样（c）NH试样 图2 两种硬度P91金相组织对比 Fig2 Metallographs of P91 with different hardness 3.2 蠕变曲线分析图3所示为LH试样的蠕变曲线。图4和图5所示为LH试样和NH试样的蠕变曲线对比，从图4中可以看到，相同温度和应力下，LH试样的蠕变断裂时间仅为NH试样的1/1000。图5也显示，在蠕变断裂时间相近时，LH试样比NH试样所需要的试验应力小的多，而且蠕变变形量也大很多。图3 LH试样蠕变曲线Fig 3 Creep curves of the sample LH 图4 LH和NH试样蠕变曲线对比（蠕变应力170MPa）Fig4 Creep curves of sample LH and NH(170MPa)图5 LH和NH试样蠕变曲线对比(1000hr) Fig5 Creep curves of sample LH and NH(1000hr)3.3 M-G法分析图6所示为最小蠕变速率与应力在双对数坐标中的关系曲线，在试验范围之内，和呈线性关系。随着应力的增加，最小蠕变速率逐渐增大，最小蠕变速率同应力呈比例关系，符合Norton方程:=An (1)式中A和n是给定温度下的常数。图7所示为最小蠕变速率与断裂时间在双对数坐标中的关系曲线，在试验的范围之内，和tr呈线性关系。符合M-G方程:=KMGtr-m (2)式中KMG、m为常数。对于给定应力下的最小蠕变速率可根据Norton方程求出，最小蠕变速率下的蠕变断裂时间则可通过M-G方程得出。LH试样和NH试样的外推十万小时持久强度结果如表3所示。图6 最小蠕变速率与应力关系曲线Fig6 Norton curve of sample LH and NH图7 最小蠕变速率与断裂时间关系曲线Fig7 M-G curves of sample LH and NH表3 稳态蠕变速率外推十万小时持久强度/566Tab 3 Extrapolation creep rupture strength of sample LH and NH at 105h from M-G材料P91M-G方程Norton方程MPaKMGmAnLH1.411.071.1610-43.1610-2812.1188.35NH0.491.003.0110-51.9710-3413.63138.383.4 L-M参数法分析图8所示为LH试样和NH试样的L-M曲线图。从图中看到硬度为172HB的P91，其持久强度已显著低于ASME给出的T/P91持久强度下限。图8 P91 L-M曲线Fig 8 Rupture stress vs L-M parameter of test steels3.5等温外推法分析图9所示为LH试样和NH试样在566下蠕变断裂时间tr与应力的关系。同一温度下的tr与的关系，可用下式来描述=Btrm式中：B、m为与温度有关的常数。图9中LH试样的B=2.37778；m=-0.08539，从而推出NH试样的B=2.5001；m=-0.07089，从而推出图9 P91持久强度等温外推曲线（566）Fig 9 Rupture stress vs rupture life at 5664 讨论表4列出了LH试样和NH试样的三种持久强度外推结果。由表4可知，硬度为172HB的P91外推十万小时持久强度都显著低于ASME给出的T/P91蠕变断裂强度下限。硬度为203HB的P91的外推十万小时持久强度满足ASME标准要求。表4 P91蠕变断裂强度外推结果Tab 4 Creep rupture strength of P91 steels at 104h & 105h试样P91等温外推法M-G法L-G法ASME172HB108.789.3108.388.4110.790.9142.8/114.2平均值/最低值203HB164.6139.8163.9138.4164.7139.9LH试样的蠕变断裂试验结果显示，与NH试样相比，硬度下降也会导致P91持久强度的显著下降。LH试样由于在Ac1Ac3温度区间（855）保温，部分没有发生奥氏体转变的马氏体会发生分解，生成过度回火马氏体；而另一部分马氏体发生奥氏体转变以后由于冷却缓慢（如图1所示），将有少量的珠光体（+C）组织生成。这两种组织的存在将会导致P91钢硬度下降，并最终对P91钢的蠕变断裂性能产生影响。鉴于硬度对P91钢蠕变断裂性能的影响，在工程应用中应该严格控制P91钢的硬度下限。然而，P91钢的硬度下限应该控制在多少却一直是业内争论的焦点。ASME A335/A335M-09a和ASTM A335/ A335M-10对P91硬度控制指标作了相应规定，要求190HB250。而DL/T4382009中关于P91钢则提出了180HB250的要求。Jeff Herry4的研究结果显示，当硬度低于195HV时（根据经验公式195HV约等于185.5HB），持久强度处于ASME给出的T/P91持久强度下限附近；当P91钢硬度为192HV时（根据经验公式192HV约等于182HB）时，其持久强度已显著低于ASME给出的T/P91持久强度下限。但是，目前我们尚不清楚Jeff Herry的试验数据的最长蠕变时间以及其试验材料状态。因此，为确立恰当的P91硬度下限，下一步有必要对硬度范围为180HB190HB的P91钢进行长时蠕变断裂性能研究。5 结论（1）持久强度外推结果显示：硬度为172HB的P91钢的约为89MPa，远低于ASME推荐最低值114.2MPa。硬度为203HB的P91的约为139MPa，满足ASME标准要求。（2）P91钢组织中过度回火马氏体和Ac1以上加热奥氏体转变以后缓慢冷却生成的铁素体是引起P91钢硬度下降，并最终导致P91钢蠕变持久强度显著下降的主要原因。（4）为确立恰当的P91硬度下限，下一步有必要对硬度范围为180HB190HB的P91钢进行长时蠕变持久性能研究。参 考 文 献1 李益民，史志刚，等. P91主蒸汽管道高硬度和低硬度焊缝性能研究J. 热力发电，2007 (5)：89-92.2 邬澍文，程志寅，等. P91弯头硬度偏低问题的分析和处理J. 电力设备，2008，9（11）: 74-76.3 李益民，史志刚，等. P91主蒸汽管道焊接接头的蠕变特性和寿命估算J. 热加工工艺，2007，36（15）：4-6.4 Jeff Herry. High