锅炉管道和集箱用12CrIMoV钢蠕变裂纹开裂和扩展研究_周顺深

锅妒管道和集箱用 1 2C r lM o V钢蠕 变裂纹开裂和扩展研究 上海发电设备成套设计研 究所周 顺深 内容摘要 本文研究了用于管 道和集 箱IZClrMo V钢 蠕变 裂纹开 裂和裂纹扩 展速度的高温 断裂 特 性 文内试验研 究了热处理工艺和工作温度对这些高温断裂特性的影 响 主肠 词 锅炉管道集箱材料蟠变 前 言 1 2Cl rM o v 钢在我国高温高压锅炉管子 管道和集箱等部件中是使用最广泛的低合金 耐热钢 在以前的研究中 对该钢的持久强 度和蠕变性能已进行了许多研究 并积累了 大量的试验数据 从锅炉过热器管子爆管 管道弯头的破裂 集箱损坏以及管系中焊接 接头处破裂等事故表明 其破坏是由原先缺 陷 或裂纹 存在处开始 或者在运行过程中 由于蠕变损伤积累导致宏观裂纹形成 例如 管道弯头 然后裂纹 继续扩展 直至最终 断裂 现有的高温性能数据已不能满足实际 工程中破裂事故防止的需要 必须指出 我 们除了应该了解常规的持久 强度 和蠕变性能 以外 还必须掌握新的高温断裂特性 如蠕 变裂纹开裂和扩展特性 蠕变一疲劳交互作 用下断裂性能等 近20年来 高温断裂力学 研究有了很大 发展 1 1 l 其研究主要 目的是预 示含 裂纹 分的燃料也可稳定燃烧 锅炉负荷调节范围 大 在3 0 额定负荷下可以稳定运行 燃烧 后的灰渣已被水泥厂用作掺合料 参考 文献 的高温零部件的断裂寿命 前阶段的 研 究 任务是探求蠕变裂纹扩展速度与力学参量间 关系 到现在为止 已建立 了蠕变裂纹扩展速 d a 一 度嚣与K e r卜 气和C之间的经验公式 近年来 已开始逐渐将高温断裂力学 应用于 工程实际 高温断裂力学的研究成 功为高温 零部件断裂寿命定量计算奠定了基础 因之 以这 些新的高温断裂特性来评价现有材料抗 断裂的能力是很有必要的 众所周知 锅炉设备高温零部件的损坏 主要取决于工作应力 和工作温 度 根据我们 试验和计算结果 在一定应力情况下 工作 温度对管道 集箱等部件的使用寿命的影响 是很大的 以锅炉管道弯头 为例 温度仅仅 低1 0 OC 则其破裂寿命约可 延 长 2一3万小 时 由此可知 在锅炉设备高温零部件的寿 命预示 中 研 究 温度对破裂寿命影响是 非常 重 要 的 我们 从高温断裂力学新的特性 出 发 来研究温度对蠕变裂纹开裂和扩展速度 为 能源工业 发 展的 一项重要政策 中国能源 1989 N o 3 2 田子平 沸腾燃烧的理论 与实践 煤炭工业 出版社 1985年 31苗长信 李仲秋 3众 h 循环床锅炉的运 行 实践 l 张继武 要把煤歼石发电并 实行热电联 产作 的影响 热处理是改善钢和合金 显微组织和性能 的重要措施之一 通过对合理热处理手艺选 择 可使钢和合金达到良好的塑性和韧性以 及高的强度 过去对热处理工芦咚 多害并是 以提高钢和合金室温 和高温强度为依据 以 前人们认为只有高的高温强度性能 才熊保 证高温零部件的安全使用 其实 这种观点 是偏面的 事实上 在工程中许戴高绿零部 件损坏实例证明 高的高温强度并不一定能 保证某些高温部件的安全运行 有的却却相 反 其持久强度愈高 高温持久缺口敏感性 也愈大 从而降低了缺口蠕变断裂寿命 促 使高温部件的蠕变脆性断裂 所以 我们必 须以保证钢和合金具有良好的高温持久强韧 性新的观点出发 来选择最合理的热处理工 艺 为此目的 我们研究了热处理对1 2c rl M O V钢蠕变裂纹开裂和扩展的影响 蠕变裂纹开裂和扩展试验是在RD Z一3 型蠕变机上进行 用高温直流 电位法装置来 决测 定蠕孪裂零开裂和扩展 并用自动记 录仪 器加以记录 油此获电位 V 时间 t 曲 下 犷 肇 那 循峰记 寻的 v一 曲线转换成裂纹 长度 a 与时间 t 关系曲线 从而获得蠕变裂纹 d a 刃 几股交 狂 度 一万二 不 试 验结 果 1 温度对蠕变裂纹开裂和扩展影响 试验温度对才ZC月M亡V钢蠕变裂纹开裂 寿命t 影响如图示 由此表明 随着试验温 度由550 o c升高到630 oC时 蠕变裂纹开裂寿 命显著降低 而当温度由550 0 仁井宫到 加 时蠕变裂纹开裂寿命降倔很皓刻十 验温度继续升高 蠕变裂纹开裂寿命降低趋 势较小 试验表明 试验材料和试验方法 试验材料采用锅炉设备中常用的 1 2 C lr M o V钢 其化学成份列于表 1中 表 112Cl r M OV钢分析成分 明显的影响 温度对蠕变裂纹扩展速度有 图2表示 了温度对1 2C 1 rM OV C1Sil M n 钢蠕变裂纹扩展速度影响 随着温度升高 1 2 r Cl M V o 钢蠕变裂纹扩展速度提高 特别 是邮50 温度升高到58扩C时 蠕变裂纹扩 展速度显著增加 以后 温度升高 蠕变裂纹 护显 盖右磨想宫赫 卜 0 1引0 30引0 6 1 0 015 0 02 111 040 295 0 22 八3MPd 心 亩弓 艰一 娜 歌 创 窗 为了研究热处理对12C irM o V钢性能影 响 我们采用了若干组试样毛坯 在 96o 0 C 到1 0 2o 0C范围四种温度进行正火 然后固定 一个1000 o C温度下采用由6 50 o C到7 60 O C温度 范围的进行回火 这样 以此来求得正火温 度和回火温度的影响 所研究的试验温度对蠕变裂纹开裂和扩 展影响的试样是经 10 00 O C正火 700 OC 回火 3小时热处理 试验温度选择为 55 0 580 O C 60 0 o C和630 o C 试验用试样是断裂力 学标准紧凑拉伸试样 一12一 二 卜 二 凡拐 f I t 试脸漏嘴 L 一 一 协 图 1 试 验温度对瞥变裂纹开 裂影 响 蠕变裂纹扩展与参考应力关系可用下式 表示 形貌为韧窝断口 而苏80 oC时试样断口呈现 出晶界裂纹 随着温度升高到 6Oo 0C 时晶界 e s rLL卜矛 门 户r 盯 曰 任 是 勺 小 厂 仁 小仁J I 卜 F 卜卜卜亡 n 一 L 一 1 11 11 了 l 一 60 10 10 1 Ml a 图 2 温度 对蠕变裂 纹扩展影 响 贵 一A 川 再考虑温度对蠕变裂扩展速度的影响 我们在计算裂纹扩展激活能中 贵 与t 温 度 间有良好的线性关系 A r h rl u址 s 方程式 是 适用的 因之蠕变裂纹扩展速度可用下式 裂纹数量增加 630 时晶界裂纹数量 虽有 增加 而且还出现部分穿晶裂纹 从这些观 察结果表明 相温度由5 5 0 升高到铭 时 断裂由韧性转变沿晶界的脆性断裂 这 是一个质的转变 所以温度 由 550 升高到 绍o o C时蠕变裂纹扩展速度显著提高 以后升 高到60少c和6 3 o 0C时 这仅仅是晶界数量的 增加 无质的转变 此时蠕变裂纹扩展速度 虽有提高 但没有像前者那样大 2 热处理的影响 i 藻处 理对机械性能影响 正灵温度对室温机械性能虽有些影响 但其所起影响作用没有像回火温 度 那样显 著 本文主要探讨回火温度的影响 回火温 运 70 0 一一一 三 l 足卜 七 l 一 一 一 一什一 一 表示 1 而 SDO卜口 dt 补式 中 争 了 归试 一 鲁 2 一卜 匕 扣0 d a 一 一 一了丁端哭裂轶刃 股迷 厌 斌 人 r e 参考应力 A n 常数 Q 蠕变裂纹扩展激活能 T 温度 R 气体常数 我们计算获得1 2 ClrM oV 钢蠕变裂纹扩 展激活能Q cg 为 在参考应力 e r 63 MP 之 间时 Q二 3 5 9 68 8千 卡 克分 子 一 为了查典本述募因 进行了州苗电镜观 察分析 在温度 55o 0C 参考应力 e r 一 6冬 MP a情况下断裂试 样断口观察表明 其断口 次3U 衬 25 一 一厂 75 7U 一 离 一 场 尸了尸 次 弓 回火沮凌 二 一 去 土 75 C 图3回火温度对强度和塑性影响 一 13 一 度对1 2 C r lM o V 钢室温强度和塑性影响如图 3示 由图表 明 随着回火 温 度升高 1 2 Clr M OV 钢拉伸强度和屈服强度降低 而断 面收缩和延伸率均略有增加 回火温度对1 2 c1 rM o v钢 冲击韧性影响如图4示 冲击韧 性随 回火温度改变而变 化 的规律较为特殊 最初时冲击韧性随回火温度升高而增加 而 在70o 0C左右时冲击韧性值为最高 以后随回 火温度升高而降低 由此表明 为 了改善1 2 变裂纹开裂寿命不利 正火温度对12C l rM o V钢蠕变裂纹扩 展 速度影响如图 6示 由此表明 随着正火温 度由9 6o 0 C升高到100o 0C时蠕变裂纹扩展 速 度降低 以后 再继续提高正火温度则蠕变裂 纹扩展 速度复又增加 蠕变裂纹扩展速度增 加表明了 1 2 C l r M O V钢的的裂纹扩展寿命g t 降低 已 U 0 01 l 00 0 0 0吕 言 0 007 日 0 0 06 周石 0 们0 4 5 80 自 C 口 63Mr 一 J 一 J 一 70 0 回火温度 C 9 709即l佣0 正 火 溉 度 C 图 4 回火温度 对 冲击韧性影 响 E 丫 一 图 6 正火温度对蠕变裂纹扩展影响 众所周知缺口蠕变断裂寿命t 是由蠕变 裂纹开裂寿命 t 和 蠕变裂纹扩展寿命峪二部 份所组成 由图 5和 图6试验结果表明 12 Cl r M o V 钢在1 0 0o 0C正火时能获得最佳的蠕 变裂纹开裂寿命t 和 扩展寿命枯 因而 其缺 口蠕变断裂寿命为最长 当正火温度 高 于 102 0 O C以后 对缺口蠕变断裂寿命产生不利 影响 1 4 0脚川 叭 气 趁七哪橄澎娜 崔 8010001此扮 正火通食 C 知知 之 窗 一 卜 民豁 比 灯 脚衣叮 图5正火温度对 蠕 变裂纹开裂影 响 cl r M o v 钢的韧性 以保证足够的强度与 韧 性配合 过高的温度进行回火是不适宜的 i i 正火温度对蠕变裂纹开裂和扩展影 响 正火温度对12C J IM OV 钢蠕变裂纹开裂 寿命影响如图 5示 随着正火温度升高 1 2 Cl r M o V钢58 0 时蠕变裂纹开裂寿命增加 当正火温度升高到1 0 2o 0C时蠕变裂纹开裂寿 命复又降低 这说明过高的正火温度将对蠕响 一一 六六 l l l 一 11 1 1 1 1 回火 温度 C 图 7 回火温度对蠕变裂纹开 裂影 响 讯 回火很度对轿变裂纹开裂和扩展形 一 1斗一 试验结果表明 回火温度对1 2CdM o V 钢蠕变裂纹开裂和扩展的影响比正火温度影 响要大 回火温度对12 Cr iM o V钢580 e 时 0 0 3 尸 一一 一 一 o nrZ卜 5 c 乏 霍 0 008 易 0 7 0 佣6 一 叭 元 7 207千117 吃1 回火桩度 C 图 8回火温度对蠕变裂 纹扩 叹影响 蠕变裂纹开裂影响如图 7示 当回火温度由 o o C升至7 00 oC时蠕变裂纹开裂寿命显著提 高 当回火温度由7 00 o C升到72 0和76 0 0 e时 蠕变裂纹开裂纹寿命又显著降低 图8表明了回火温度对1 2C l rM o V 钢在 58a 0C时蠕变裂纹扩展速度的影响 当回火 温度 由650 a C升到700 oC时 蠕变裂纹扩展速 度明显降低 然后由7 00 o C升高到72 0一760 a C 时 蠕变裂纹扩展速度大幅度地提高 其裂 纹扩展寿命大大地缩短 从回火温度对蠕变裂纹 开裂寿命t 和裂 纹扩展寿命坛影响的结果表明 12C lrM o V 钢对回火温度影响是很敏感的 而且在很狭 小回火温度范围内才能获得最佳缺口蠕变断 裂寿命 对1 2Ci rM O V钢归热处理工 艺评 价 我国Y B529一70技术条件中规定 1 2C r IM ov 钢热处理工艺为 980 1020 0 e正 火 7 2 0 7 60 OC 回火3小时 当时制定这个热处 理工艺 采用高的正火温度目的是为 了追求 高的持久强度 将何火温度提高到7 6 少C 其 目的是想获得高的韧性 其实 我们试验结 果已证明 12C 1 r M O V 钢对正火温度和回火 温度的改变是相当敏感的 其有效的正 火温 度范围和 回火温度范围是很狭窄的 从 我们 现在提出的 l月 高温持久 强韧性新观点出 发 这种旧的热处理工艺是有其很多缺 点 的 强度和韧性不能很好结合 具有差 的抗缺口蠕变裂纹开裂和扩展能力 现分析 如 下 从 上述试验结果表 明 在100了C正火温 度左右该钢具有比较好的抗蠕变裂纹开裂和 扩展能力 由此 随着正火温度降低和升高均 会有损于蠕变裂 纹开裂和扩 展寿命 12C1 rM O V钢回火温度范围 更狭 它大概在7O0 oC左 右回火才能获得良好的抗蠕变裂 纹开裂 和扩 展能 由此 随着回火温度升高或降低 一 也均会 有损于蠕变裂纹开 裂和妇 展寿命 特 别 是当 回火温度高于720时 蠕变裂 纹开裂寿命显 著降低 而蠕变裂纹扩展速 度大大加快 另 外 从图 4可知 在68扩C到720 o C回火温度 范围内具有高的冲击韧性 回火温度高于或 低于这个范围均使冲击韧性下降 与 图7和 图8相 比即可知 在680一7 2 C温度范围内 回火可使12C r i入1叭厂钢获得既可有高的抗蠕 变裂纹开裂和扩展能力又 可得到足够 高 的冲 击韧性值 由回火温度对持久 强度影响也可 知旧的热处理 工艺 中将回火温度 定 为7 2 0一 760 oC也是不合适 的 从现有手册数据 表 明 1000 0 C正火后 当回火温度7 20 O C升高到740 o e时 580 0 elo 小 时持久强度降低3公斤 毫米 2 其结果列于 表 2 几 乎回火温度每升 高1o 0 C 而10 小时的持久强度下降1 5公斤 毫米 2 12 C r lM o V钢 经7 60 0 C回火处理管 子持久强度是不能满足设计需 要 的 从回 火温度对1 2 CirM o V钢显微组 织影响来 分 析 也 可说明72o 0C一7 6o 0C温度范围回火不 合理性 众所周知 J 低合金 C r一MO V 钢中 碳化物弥散程度和积聚 碳化物分布状态以 及碳化物析出类型和形状 对钢的 强度和韧 性均有明显影响 试验表明 回火温度对C r 一M 一 钢碳化物析出有些显著的影 响 当 回火温度高于720 O C时碳化物已开始 积聚 74 0 7 6o 0 C回火时硫化物明显积聚 当回火 温度达7 80 O C时碳化物和珠光体组织基 本上 呈 网状沿晶界分布 此时持久强度已很低 由 此分析表明 对1 2 C1 r M OV 钢言 采用过高 的正火温度和回火温度往往会使寿命显著降 低 表 2 热处理对持久 强度影响 热处理 绍 alos fm m Z MPa 100 0 正火 7 20 回火3小时 9 85 正火 740 回火3小时 1000 正火 7 4 0 回火3小时 11 9 119 10 0 100 9 0 9 0 Il k g l 根据上述试验结果 为了确 保1 2 C l rM OV 钢具有良好的高温持久强韧性 的配合 和 足够高的抗蠕变裂纹开裂和扩展能力 延长 管道的使用寿命 9 90 10 10 O C正火 69 0 72o 0C回火3小时较为 合适 经这样热处理后 气 614N m m Z 气 490N mm Z 必二 7 5 5 占 二25 a K 362 5 em Z 而按 照旧热处理工艺处 理 气一54 6 N m m Z 几 382N m m么 价 76 2 占 29 3 ak 2 19 c m Z 由此表明 经新热处理工艺 处理后 1 2ClrM o V钢具有较好的综合机 械 性能 其拉伸强度和屈服极限以及冲击韧性 均比旧的热处理高 其原因 旧热处理工艺 中回火温度选得太高 新热处理工艺不仅具有 良好的综合机械 性能 而且还能显著提高锅炉管道的缺口蠕 变断裂寿命 它与 YB52 9一701 2C1 r M o V 钢 技术条件中所规定的旧热处理工艺相比 新 热处理工艺处理的管道缺口蠕变断裂寿命比 旧热处理时提高2倍 分析和讨论 随着试验温度升高 C卜M 一V 钢蠕变裂 纹扩展速度提高的原因经扫描电 镜 观察表 明 是与晶界裂纹数增加密切有关 根据现 有高温断裂理论 我们认为 晶界裂纹形成 是受热激活 和蠕变损伤机理所控制的 随着 试验温度升高 晶体中原子热运动增加 特 别是晶界扩散运动加剧 同时由蠕变变形而 引起晶界滑移和迁移 当晶界滑移受阻时则 形成晶界空洞和裂纹形成 在同一个温度下 晶界裂纹形成是由温度因素和蠕变的机械因 素二者共同作用所致 而这二个因素 所 起 作用又随蠕变裂纹扩展在交替地改变着 随 着蠕变裂纹扩展 裂纹尖端应力逐渐增加 我们试验和计算表明 此时蠕变裂纹扩展激 活能也随之增加 这意味着 由温度引起的 原子热运动或点缺陷扩散将逐渐变得困难 温度效应逐渐减弱 而随着裂纹扩展 裂纹 尖端应力增加 这表明应力促进晶界裂纹形 成所起作用增强 当温度很高时 如63o 0 C 温度的热激活作用不促使晶界裂纹形成 而 且在温度和蠕变应力联合作用下也 二引起晶内 滑移过程得到发展 因而出现部份 的穿晶裂 纹 热处理是提高低合金耐热钢热强性和组 织稳定性的一种重要工艺方法 随着热处理 参数奥氏体化温度 回火温度和 回火时间等 因素的改变 对低合金钢的组织和性能变化 会产生较大的影响 了解并正确控制这些影 响因素 对于 通过热处理以获得良好的综合 性能将起极重要 的作用 1 2 Cl r MV o钢管子的正火温度和 回火温 度的选择主要根据管子性能要求而决定的 正火目的是使钢中合金元素充分地溶解到 固溶体中 发挥合金元素在钢中有效作用 同时还可改变钢的晶粒度等组织因素 从而 使钢管的高温持久强度和蠕变抗 力获得 改 善 低合金耐热钢经正火后 在回火过程中 一16一 组织变化是比较复杂的问题 试验表明 回 火温度和回火时间对钢中碳化物析出类型改 变有明显的影响 随着回火温度提高钢 中 F e3C 含量减少 C r C 3型碳化物含量 增加 700 OC 回火在基体上还出现细小的VC碳化 物 随着回火继续提高则出现M C 型不稳定 碳化物 由于这种不稳定碳化物的积聚将使 钢的强度性能降低 由此可解释 为 什么在 70 0 OC 左右回火能获得良好性能以及更高 的 温度回火对性能不利的原因 关于12C r M6V钢热处理工艺的合理选 择考虑 除了必须保证足够的高温蠕变极限 和持久强度外 还需保证有高的蠕变断裂韧 性和抗蠕变裂纹开裂和扩展能力 这个新的 高温断裂特性指标 目前 设计人员尚未引 起足够的重视和 了解 从锅炉管道弯头破裂 事故分析表 明 有部份高温高压主蒸汽管道 弯头和导汽管弯头曾发生脆性爆破 这种脆 性是 由于 1 2 C dM o V 钢在高温长期应力作用 下 由于内部组织发生变化而引起 对于这种 脆性破裂我们应该引起足够重视 我们所研 究成功的蠕变断裂韧性指标是可用衡量这种 脆性特性 5 为了防止12Cl rM o V 钢管道 的脆性爆管 保证该钢具有足够的持久强韧 性 即有高的蠕变断裂韧性和缺口蠕变 断 裂 强度 是我们现在合理选择热处理的依据 众所周知 1 2C l rM o V钢在我 国高 温高 压锅炉管系中 管子 主蒸汽管道和集箱等 使用量最大的一种低合金耐热钢 它和58伊C 温度下不仅具有高的持久强度和新的高温断 裂特性 蠕变断裂韧性和缺口蠕变断裂性能 外 而且还有良好的焊接性能和加工工艺性 能 它是一种比较满意的材料 但随着由厂 中调峰机组的出现 由于多次频繁起停 而 导致高温高压锅炉管系中疲劳因素增加 锅 炉管道和集箱将承受蠕变一疲劳交互作用 因之还必需研究温度 工作应力和热处理因 素等对蠕变 疲劳交互作用下寿命的影响 这是个很重要的问题 结论 l 锅炉高温零部件的工作温度对蠕变 裂纹开裂和扩展速度有明显的影响 随着温 度升高 1 2Cl rM o V钢蠕变裂纹开裂寿命 降 低 而其蠕变裂纹扩展速度加快 2 当温度由550 o C 升高到 580 o C 时12 Cl r M o V钢蠕变裂纹开裂寿命显著降低 而蠕 变裂纹扩展速度大大加快 其原 因是由于 5 5 0 C时的韧窝型断裂转变为 5 8o 0C 时沿晶界裂 纹断裂 3 热处理正火温度和何火温 度 对1 2 C dM OV 钢蠕变裂纹开裂和扩展也有明 显影 响 最初随着正火温度升高 蠕变裂纹开裂 寿命增加 当100o 0C正火温度后复又降低 而蠕变裂纹扩履速度最初降低 而在1 00 0 正火后复又增加 由此表明 1 2Ci rM OV 钢 在100 0 温度左右正火可获得最佳的缺口蠕 变断裂寿命 4 回火温度由6 5o 0C升高到7 Oo 0C时蠕 变裂纹开裂寿命显著增加 而蠕变裂纹扩展 速度降低 当回火温度在 70o 0C以后继续升 高时蠕变裂纹开裂寿命显著降低 而蠕变裂 纹扩展速度复又显著增加 这充分表明 用 缺口蠕变断裂寿命衡量 12 Cl rM o v 钢高温特 性 其所能规定的回火温度范围是相当狭窄 的 大约在700 o C士10 o C左右 5 我 国Y B犯9一70技术条件中规定 1 2 C r lM o V钢热处理工艺为 980 1020 o C正火 720 76 0 o C回火3小时 从我们研究结果 知 其正火温度范围选择还可以 但回火温 度 76 0 O C太高 在这样高的温度下 回火将使 强度和韧性均变坏 我们建议 采用6 9o 0 C 7 3 o 0C回火3小时较为适宜 这样既可保证 12C r1M o V钢室温强韧性 而 且又可保证高温 持久韧性 参考文 献 1 周顺深 高温断裂力学研究和发展 一丈7一 使用1 2 M e V直线电子加速器的非反应堆中 子射线照相系统的发展 英国 B J R ate lie f f 一 R J l 舌 利用X射线检测 金属容器中的炸药 油 纸和塑料等含氢材料将会存在一定的困难 但是由于氢具有非常高的几乎比普通材料高 出10 0倍的热中子俘获截面 所以利用热中子 射线照相进行检测就非常容易 热中子在室 温Zo o e状态下 具有约为0 02弓 eV 的M a xwe ll 能量分布 且在中子射线照相中通常可采 用核反应堆产 生热中子 另外还可以采用钢 2 5 2 C f Z 中子源自发地发射快 中子 并进 行调制成为热中子 C仁 的半