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P91鋼高溫蠕變壽命預測方法綜述

  • 來源: 大唐西北電力試驗研究院
  • 作者: 劉劍秋
  • 發布時間: 2018-08-13

0 引言

由于環境污染與能源短缺等問題的日益凸顯,超(超)臨界火電機組已成為我國現代火力發電的必然要求。截止到2017年7月,我國已投產1000MW超(超)臨界機組達到101臺。目前超(超)臨界機組關鍵零部件常用材料為P91鋼(10Cr9Mo1VNb),它是一種以鉻、鉬、釩、鈮等高熔點金屬為主要成分的高強度合金鋼,其最高使用溫度為650℃。機組在服役過程中,核心構件往往處于高溫、高壓的苛刻環境中,極易發生蠕變、過熱氧化、熱疲勞、腐蝕等現象。一旦構件材料發生蠕變失效,將會導致嚴重事故,因此對于構件材料蠕變壽命的精準預測在工程實際中具有重大意義[1,2]

1  P91鋼主要性能指標

P91鋼是在原9Cr-1Mo鋼的基礎上添加釩、鈮、氮等元素形成的一種改進型回火馬氏體耐熱鋼,GB5310-2017標準中其主要化學成分見表1:

表1  P91鋼主要化學成分(質量分數%)

Tab.1 Chemical composition of P91 steel (mass%)

 

新添加的釩、鈮都是強碳化物形成元素,形成的碳化物會阻礙和釘扎位錯運動,并且具有很好的彌散強化作用,因此能夠提高材料抗蠕變性能。氮元素在P91鋼中含量雖然很少,但是有著極好的固溶強化和彌散強化作用,能夠進一步提高材料抗蠕變性能。P91鋼在9Cr-1Mo耐熱鋼的基礎上得到了改進,使得其良好的抗蠕變性能更加突出,因此被廣泛應用于超(超)臨界火電機組中各類高溫、高壓服役構件上[3]

P91鋼具有較好的韌性與強度,較強的抗氧化性和優越的焊接性,其在GB5310-2017標準中規定常溫下的力學性能見表2:

表2  P91鋼常溫下力學性能參數

Tab.2 Mechanical property of P91 steel at room-temperature

 

2  P91鋼高溫蠕變壽命預測方法

精確預測高溫服役構件的蠕變壽命可以有效提高資源利用率、合理地使用服役構件并能達到檢修和安全生產的目的。現有常用的蠕變壽命預測方法大致可以分為以下三類:基于持久試驗結果外推的時間-溫度-參數法(TTP法)、基于蠕變曲線的壽命外推法和基于CDM模型的損傷參量法。前兩種方法都是屬于基于參數唯象模型的解析法,兩者與CDM模型方法最大的不同點是參數唯象模型的方法不考慮蠕變損傷的實際物理過程和演化歷史,只關心蠕變試樣在不同溫度與應力作用下的蠕變斷裂時間[4-7]

2.1 時間-溫度-參數法(TTP法)

TTP參數法是通過加速蠕變試驗(即提高溫度或應力),得到短時區的斷裂時間與溫度、應力之間的關系,再推出長時區斷裂時間與溫度、應力之間的關系。該類方法常見的有LM參數法、OSD參數法等,不同方法的關系式也有所不同。

(1)LM參數法

LM參數法因其計算簡單、試驗數據容易獲取而在工程應用中備受青睞,其函數關系式是基于Monkman-Grant方程建立的:                 (1)

式中:CLM為拉森-米勒常數,σ為試驗應力,tr為蠕變斷裂時間,Cii=0,1,2,3)為常數,可通過曲線擬合的方式和最小二乘法回歸得到。

(2)OSD參數法

OSD參數法在本質上與LM法沒有太大區別,它是根據Arrhenius方程推導得到的。其函數關系式如式(2)所示:                           (2)

   式中:QC是蠕變激活能,T為溫度(K),R為氣體常數,bii=0,1,2)為常數。

2.2 基于蠕變曲線的壽命外推法

該類方法的特點是以完整的蠕變曲線為基礎建立起相應的蠕變參數唯象方程實現壽命預測,它與TTP參數法忽略大量的蠕變信息不同。基于蠕變曲線外推法需要依靠試驗獲取記錄大量蠕變信息的完整蠕變曲線。根據蠕變曲線提供的信息,建立起蠕變應變ε與蠕變時間t之間的模型關系,模型參數通過曲線擬合獲得后,便可確定模型參數與溫度T和應力σ的函數關系。常用的外推精度較高的該類方法有θ參數法、改進θ參數法等。

(1)θ參數法

θ參數法利用模型來描述蠕變變形量與時間、溫度和應力的關系,進而實現蠕變壽命預測。采用θ參數法描述P91鋼的蠕變曲線,蠕變應變ε可以表示為:

                          (3)

式中:ε為蠕變應變量,t為蠕變時間,θ1θ3分別表征量化第一、三階段的蠕變應變,θ2θ4分別為蠕變第一、三階段的曲線形狀速率參數。θii=1,2,3,4)與溫度、應力有關,其值可以利用蠕變曲線進行參數擬合得到。另外,由于θi(i=1,2,3,4)是與溫度和應力有關的多元函數,函數關系式如式(4)所示:

                         (4)

式中:ai、bi、ci、di是與溫度和應力無關的材料常數(i=1,2,3,4)。利用式(4)可以進行非線性回歸分析得到ai、bi、ci、di各參數值,最終便可外推其他工況下的構件蠕變壽命。

(2)改進θ參數法

由于加速蠕變試驗數據一般是在恒應力條件下獲得的,恒應力條件下的蠕變曲線第一階段很短,第二階段相對很長。因此,采用下述由蠕變第二、第三階段構成的改進θ模型,改進模型方程為:

                                    (5)

2.3 基于CDM模型的損傷參量法

連續介質損傷力學模型是近年來國內外研究學者重點研究的材料高溫蠕變壽命預測方法,它是一種建立在場連續假設的基礎上來研究材料內部蠕變損傷的全新理論。從數學建模方面來看,CDM模型實際上是提供了一個統一框架的常微分方程組,其中各個損傷參量都有具體的物理含義,因此該模型具有很大的普適性[8-10]。CDM模型主體部分為包含7個常微分方程和若干材料常數的方程組,如公式(6)所示:(6)

式中:Dd表征位錯損傷,Ds表征溶質原子貧化,H表征材料加工硬化,Dp表征第二相粒子粗化,DN表征孔洞形核與長大。σ是外部應力,σ0是位錯與第二相粒子交互作用相關的初始應力,ε.0是初始蠕變速率,n是應力指數,H*表示材料蠕變過程中加工硬化的極限, C為用于調節位錯密度演化行為的模型參數,h、kskpAB都為材料常數。

通過編程對上述CDM模型進行數值求解,便可得到蠕變應變隨蠕變時間的變化曲線。

3 結語

為了更好地選擇壽命預測手段,本文歸納分析了幾種常見蠕變壽命預測方法的特點。TTP參數法(LM法、OSD法等)在試驗過程中只需記錄蠕變試樣斷裂時間,不考慮蠕變形變過程,操作簡單,計算方便。但是由于沒有考慮蠕變損傷對材料的影響,在實際應用中進行長時外推時置信度會顯著下降。基于蠕變曲線外推法(θ法、改進θ法等)由于簡單考慮了蠕變過程,故而在外推長時數據時精度有所提高,但是該類方法求解過程較復雜,而且基于蠕變曲線外推法也只是對試驗數據進行經驗擬合,缺乏較嚴密的蠕變斷裂物理理論。而CDM模型法由于能夠從物理機制上揭示材料蠕變行為的本質,若能建立起蠕變過程中多種微觀組織演化相關參量與CDM模型中損傷程度的量化關系,便能實現模型方程的求解,因此該方法在實現金屬構件高溫蠕變壽命精準預測方向具有很大潛力。

 

參考文獻

[1]      凌祥, 涂善東. 高溫構件壽命評價技術研究現狀和進展[J]. 機械工程材料, 2002, 26(10): 4-6.

[2]      朱敏. 主蒸汽管道失效分析與壽命預測[D]. 武漢:武漢理工大學, 2002.

[3]      馬耀根. 改進型9Cr—1Mo鋼的蠕變性能[J]. 鍋爐技術, 1992(7): 10-21.

[4]      潘成飛. 基于不同方法的9Cr-1Mo鋼高溫蠕變壽命預測研究[D]. 西北大學, 2017.

[5]      趙彩麗, 劉新寶, 郝巧娥,等. 高溫金屬構件蠕變壽命預測的研究進展[J]. 材料導報, 2014, 28(23):55-59.

[6]      張斌, 胡正飛. 9Cr馬氏體耐熱鋼發展及其蠕變壽命預測[J]. 鋼鐵研究學報, 2010, 1(1):26-31.

[7]      劉春慧. 超(超)臨界用鋼高溫持久壽命外推方法的比較分析[D]. 大連理工大學, 2013.

[8]      陳云翔, 嚴偉, 胡平,等. T/P91鋼在高應力條件下蠕變行為的CDM模型模擬[J]. 金屬學報, 2011, 47(11):1372-1377.

[9]      潘成飛, 劉新寶, 朱麟, 等. CDM模型對P91鋼在600℃短時蠕變行為模擬的改進[J]. 西北大學學報(自然科學版), 2017, 47(1): 69-74.

[10]  Basirat M, Shrestha T, Potirniche G. P, et al. A study of the creep behavior of modified 9Cr–1Mo steel using continuum-damage modeling[J]. International Journal of Plasticity, 2012, 37(6):95-107.


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