火电承压关键金属部件的蠕变及寿命预测研究论文

 

　　关键词：12Cr1MoV,高温持久强度,持久强度外推曲线,疲劳寿命研究

 

 

　　火电承压关键金属部件是火电设备中的重要组成部分，它们在高温、高压和腐蚀性环境中工作，因此需要具有优异的耐腐蚀性、耐热性和耐疲劳性。常见的火电承压关键金属部件主要有：①汽轮机叶片。汽轮机叶片是汽轮机中的关键部件，用于将蒸汽的热能转化为机械能。它们通常由高强度铝合金或不锈钢制成，具有优异的耐腐蚀性和耐热性。②锅炉受热面管。锅炉受热面管是锅炉中的关键部件，用于将燃料燃烧产生的热量传递给水，从而产生蒸汽。它们通常由耐热钢或不锈钢制成，具有优异的耐热性和耐腐蚀性。③汽缸和汽阀。汽缸和汽阀是汽轮机中的关键部件，用于控制蒸汽的流动和压力。它们通常由铸铁或铸钢制成，具有优异的耐腐蚀性和耐热性。④管道和阀门。管道和阀门是火电设备中的关键部件，用于输送流体和控制流体的流动。它们通常由碳钢或不锈钢制成，具有优异的耐腐蚀性和耐热性。⑤凝汽器管。凝汽器管是火电设备中的关键部件，用于将蒸汽冷凝成水。它们通常由不锈钢或铜合金制成，具有优异的耐腐蚀性和耐热性。

 

　　这些金属部件在火电设备中发挥着重要的作用，因此需要严格的质量控制和定期的维护和检查。同时，随着技术的不断进步，新的材料和制造工艺也在不断涌现，为火电设备的性能提升和安全性提供了更多的可能性。在众多金属材料中，火电承压关键金属部件材料P92具有较高的强度和耐腐蚀性，能够在高温高压环境下保持较好的性能，在火电设备中广泛应用于制造汽轮机叶片、锅炉受热面管、汽缸等关键部件。由于其优异的耐热性和耐腐性，能够有效地抵抗高温和腐蚀环境对设备的影响，确保火电设备的稳定运行和安全性。

 

　　P92是一种高温合金钢，含有约9%的铬和2%的钼，同时含有适量的钛和铌等元素进行微合金化。这种合金具有优良的高温持久强度、抗氧化性和抗蠕变性能，在高温高压环境下能够稳定工作。该材料可以通过锻造、铸造、焊接等方式进行加工和成形。其中，锻造是最常用的加工方法，通过高温塑性变形可以获得具有优良力学性能的锻件。铸造则适用于制造大型部件，但需要注意控制冷却速度以防止裂纹等缺陷的产生。焊接性能良好，可以进行氩弧焊、电渣焊等工艺。

 

　　通常P92材料需要进行热处理来获得最佳的力学性能。通常采用高温固溶处理和时效处理。固溶处理是将材料加热至奥氏体化温度并保持一段时间，然后快速冷却至室温，以获得良好的强度和塑性。时效处理则是在较低的温度下保持一段时间，以析出强化相并提高材料的硬度。

 

　　P92材料是火电行业关键承压部件的首选，应用广泛，包括锅炉管道、过热器管和再热器管等。其卓越的高温性能和抗蠕变性能确保了在高温高压环境下的可靠性和安全性。相较于P91钢，P92钢在高温蠕变条件下表现出卓越的断裂强度，适用于制造蒸汽管道和高温集箱等高参数电站锅炉的厚壁部件。

 

 

　　通过整合ECCC提供的P92钢蠕变断裂试验数据，并采用多种方法，针对不同试验数据外推法对P92钢蠕变断裂寿命的影响进行了综合评定。

 

　　在P92钢625℃下高温持久试验中，温度维持在625℃,加载应力范围为110MPa～180MPa。选用的材料经过电炉真空冶炼轧制成管材，并最终热压成52°弯头。钢管的热处理工艺包括1070℃/4h，随后进行正火+760℃/5h，最后回火。化学成分符合ASME A335对P92钢的规定（质量分数，%）：C0.12，Cr8.88，Mo0.40，W1.66，V0.17，Nb0.057。成型弯头在工艺处理上采用了1060℃空冷+760℃空冷的双步温度热处理工艺。遵循GB2039标准，在成型弯头的背弧位置取得横向试样，随后利用RC-1150型高温蠕变及持久试验机进行高温蠕变试验。这一处理方式旨在优化材料性能，确保其在高温环境下表现出良好的持久性和蠕变行为。

 

　　根据不同温度高温蠕变的试验结果，采用L-M参数法外推P92的持久强度曲线，得到P92钢在610℃、1万小时和3万小时的持久强度分别为136MPa和118MPa，与2005年欧洲蠕变委员会在相同试验条件下外推的持久强度基本相符。P92钢管高温持久试验及组织演变研究时，选用材料规格为Φ610×102mm的P92钢管，生产企业为扬州诚德钢管有限公司。该钢管经高温正火+高温回火热处理工艺。

 

　　遵循GB/T 2039—2012《金属材料单轴拉伸蠕变试验方法》选取P92钢管1/2壁厚处，大小为Φ10mm的标准式样，在RD2-3高温持久试验机上设置试验温度625℃,测试P92钢管试样在不同加载应力下的断裂时间。

 

　　在对试验数据仔细分析后，绘制P92钢管在625℃下的持久强度外推曲线，结果表明，应力与断裂时间呈现反比关系。通过拟合方程，得出P92钢管在625℃、10万小时的外推持久强度为103.8MPa。相比美国机械工程师协会发布的《ASME锅炉和压力容器规范》中规定计算得出的最大许用应力值87.4MPa，P92钢管在该温度下表现出更卓越的高温持久性能。

 

　　对于P92钢焊接接头的持久强度试验，选用Φ355×40mm的SA335P92钢管，供货状态为正火+回火。试验用焊接接头的制备采用了Φ2.5mm和Φ3.2mm的GHROMET92焊接材料，在6G（45°固定焊）的位置进行焊接。高温持久试验遵循国家标准GB/T 2039—1997《金属拉伸蠕变及持久试验方法》，试样为Φ5mm标准圆形横断面试样。在RD2-3型持久试验机上设定温度为600℃,试验应力水平分别为245MPa、210MPa、180MPa、170MPa、160MPa、140MPa、130MPa。通过试验结果，得出P92钢焊接接头的持久强度外推曲线。根据该曲线外推得到，在600℃下，累计时长达到10万小时的P92钢焊接接头持久强度达到了116MPa。在P92钢焊条熔敷金属的600℃持久测试中，按照AWS A5.5 39015-B92标准设计了焊条熔敷金属的成分，并将其命名为PP-R727。根据GB/T 2039—2012标准，在PP-R727焊条熔敷金属中加工Φ5mm标准圆形横断面试样，在GNCJ-30高温持久蠕变强度试验机上进行持久强度试验。在600℃条件下，通过等温线外推法推算得到PP-R727焊条熔敷金属10万小时持久强度为136MPa。与此同时，根据日本材料学会（NIMS）数据显示，T92钢与P92钢在相同条件下的高温持久强度分别为119MPa和114MPa。

 

　　通过等温线外推法和L-M参数法获得P92钢焊条熔敷金属在600℃下的10万小时持久强度分别为136MPa和128MPa。相较于NIMS和ECCC关于P92钢的持久强度测试值，研制的焊条熔敷金属在600℃展现出与P92钢相近的持久性能，足以满足其在长期600℃服役的要求。但试验数据存在波动，可能与焊接熔敷金属组织与晶粒的均匀性相关。因此在未来的研究中，可以进一步探讨焊接过程中可能导致组织不均匀性的因素，并提出相应的改进策略，以优化P92钢在高温环境下的应用性能。

 

　　超超临界机组P92钢薄壁主蒸汽管道运行寿命研究对P92钢进行了高温持久强度的研究。根据目前领域内的相关标准，给出了P92钢管在一般条件下，并且特别关注了600℃时的常规高温持久强度曲线以及下限高温持久强度曲线。

 

　　针对P92钢晶粒度对持久强度的影响，研究材料选用北方重工和德国生产的P92钢产品。产品规格分别是Φ1060mm×896mm×5200mm和Φ950mm×635mm。这两种钢除Ni、Nb和W三种合金元素外，其他元素含量基本相近。国产P92钢的Ni、Nb和W含量分别为0.31%、0.07%和1.85%，相较之下，德国P92钢中的相对含量为0.16%、0.05%和1.57%。增加的W含量可能导致laves相的析出，引起Mo和W等元素的迁移，导致基体中的溶质原子贫化，对固溶硬化的长期维持不利。同时，Nb和W是碳化物形成元素，有助于减缓P92钢的奥氏体化过程，进而细化晶粒；Ni作为奥氏体形成元素，有助于提高P92钢的韧性。

 

　　这些微量元素的差异可能对P92钢的长期性能产生影响。通过淬火+回火热处理工艺，对选用的国产P92钢进行处理，对德国P92钢进行晶粒细化后，同样采用相同的热处理工艺。根据GB/T 2039-1997《金属拉伸蠕变及持久试验方法》制备Φ10mm高温持久标准试样，在CTM504-A机械式蠕变持久试验机上进行持久强度试验。

 

　　根据试验数据，建立了国产和德国P92钢不同状态下的高温持久强度曲线。计算得到国产P92钢在600℃下10万小时使用态的持久强度为123.67MPa，热处理态的持久强度为128.17MPa；德国P92钢在相同条件下使用态的持久强度为131.07MPa，热处理态的持久强度为128.49MPa。

 

　　在600℃下10万小时条件下，德国P92钢使用态的持久强度较国产P92钢高7.4MPa。

 

 

　　在P92钢母材及焊缝金属的应变控制下进行高温持久试验，采用标准GB/T 26077-2010的应变控制模式，在630℃下使用RPL50动蠕变试验机进行试验。试验所使用的材料包括P92钢及其焊缝金属，试样来自Φ550×80mm管线。该管线钢经过1040℃正火4h+空冷+760℃回火11h+空冷的热处理工艺。焊接材料选择德国伯乐蒂森公司研制的MTS616系列焊接材料。

 

　　在单轴低周疲劳试验中，考虑了总应变幅值的弹性和塑性成分。通过Coffin-Manson与Basquin公式关联总应变幅值与低周疲劳寿命。通过对应变幅值与反转周次的双对数关系曲线分析，确定P92钢母材的过渡疲劳寿命为4380h。当低周疲劳寿命高于过渡寿命时，弹性应变主导寿命；反之，塑性应变成为主导因素。

 

　　在P92钢高温低周疲劳试验中，选用攀枝花钢铁股份有限公司的商用P92，符合ASTM和ASME对T/P92的标准，共析转变温度为800℃～845℃，全部转化为奥氏体的温度为900℃～920℃，回火温度为750℃～780℃。低周疲劳试验温度为600℃和650℃，采用总应变控制，对称三角波形，应变范围为±0.2%～±0.6%。使用MTS 810型电液伺服疲劳试验机，按照GB/T 15248—2008标准，在加载前进行1h保温，对比600℃和650℃下的疲劳寿命。

 

　　在国产P92钢低周疲劳性能与断裂特征研究中，选用国内某量产P92管材，试验材料从商用管材中截取，疲劳试样取样方向为管道纵向。低周疲劳试验按照GB/T 15248—2008标准进行，在MTS-809电液伺服疲劳试验机上实施，采用总应变控制方式，应变速率设定为0.004s^（-1），采用三角波形加载，应变比R=-1。试验在20℃和600℃两个温度下进行，通过对比600℃和650℃下的损伤与低周疲劳循环寿命关系曲线，发现在室温下P92钢的损伤较小，而在600℃下损伤缓慢增加，最终导致断裂失效。

 

 

　　国标GBT 30580-2014《电站锅炉主要承压部件寿命评估技术导则》中，对于蠕变寿命的计算主要采用L-M参数法。因此本次以L-M参数法为基础，对不同材质的L-M参数法蠕变寿命计算参数进行介绍。L-M参数是基于时间和温度相互影响的参数。通常在部件工作温度及其周围的3个温度点进行至少4个不同应力水平的持久断裂试验通过对试验数据进行多元线性回归处理，得出参数C的具体数值。这种方法能够更全面地考虑时间和温度对材料性能的综合影响。通过绘制的曲线，可通过线性拟合得到。由此可以求得，进而求得值。在原式的基础上叠加了Norton蠕变方程，通过这一改进，将Kachanov-Rabotnov损伤方程用以描述蠕变曲线的第三阶段，同时引入参考应力的概率。这一改进不仅丰富了模型的描述能力，还更全面地考虑了蠕变过程中的多重因素，为深入分析蠕变行为提供了更为细致的工具和方法。

 

 

　　P92钢作为火电承压关键金属部件的主要材料，在高参数电站锅炉的厚壁组件中广泛应用，尤其在主蒸汽管道和高温集箱等关键部位发挥着重要作用。由于这些部件长期运行在高温、高压的极端环境下，P92材料的高温持久强度、疲劳寿命和蠕变寿命显得至关重要。本研究从国家标准出发，专注于P92材料在高温、高压工况下的性能特点，着重探讨了其高温持久强度、疲劳寿命和蠕变寿命的变化趋势。通过系统的实验研究，为未来高参数电站锅炉的厚壁组件，特别是主蒸汽管道和高温集箱的剩余寿命预测提供了重要的理论基础。