蠕變對高溫管道的影響

孫希文++牛冠軍

摘 要：在壓力管道領(lǐng)域，具有優(yōu)良的耐熱、耐蝕和抗開裂性好的高溫管道材料已得到廣泛應(yīng)用，并獲得業(yè)界一致良好的評價。而這種粘彈性良好的高溫管道材料的承載性和伸展性都涉及到蠕變對其造成的影響，本文就蠕變對高溫管道材料的影響，如何測定高溫管道材料焊接接頭的蠕變程度，以及蠕變的結(jié)果作出了幾方面的分析與總結(jié)。

關(guān)鍵詞：耐熱；耐蝕和抗開裂性好；承載性和伸展性；分析與總結(jié)

新一代耐高溫管道材料已經(jīng)被大量應(yīng)用于大型發(fā)電站和燃油電站的建設(shè)，其主要被用于主蒸汽管道和電氣元件等結(jié)構(gòu)上，這些管道或元件在高熱量、低耐力的先行條件下長期運行， 焊接接頭很容易發(fā)生重度破壞?？紤]到在壓力管道領(lǐng)域，對高溫管道材料的焊接接頭受熱影響而發(fā)生蠕變裂紋擴展速率的研究還很少，有必要將蠕變對高溫管道材料的影響進行深入研究，從而為防止蠕變開裂及焊接接頭不夠到位起到預(yù)防的作用，并為蠕變裂紋擴展的綜合評價提供依據(jù)。

新一代耐高溫管道材料因具有優(yōu)良的熱強性和伸展性，已廣泛應(yīng)用于大型動力機的主蒸汽管道。由于主蒸汽管道的焊接接頭焊接后存在殘余應(yīng)力，不可避免地會對材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成不良影響，而通過焊后熱處理可改善組織并調(diào)整焊接殘余應(yīng)力狀況。對新一代耐高溫管道材料焊接接頭在殘余應(yīng)力影響下的蠕變狀況，可以從以下幾方面進行分析：

1 蠕變對耐高溫管道材料的影響

所謂蠕變，是指金屬材料在高溫和應(yīng)力同時作用下，應(yīng)力保持不變，其非彈性變形隨著時間的延長而緩慢增加的現(xiàn)象。管道的蠕變變形值是一個表示管道壽命的綜合性指標，它反映了管道在運行中發(fā)生的蠕變和組織性質(zhì)老化過程。如果壓力管道長期在高溫、高壓狀態(tài)下運行，易發(fā)生材質(zhì)軟化現(xiàn)象，而材質(zhì)軟化影響著材料的蠕變性能。我們對高溫管道材料建立了硬度與蠕變之間的解析關(guān)系式。研究結(jié)果表明，隨著高溫管道材料的軟化，硬度下降得越快，變化程度越劇烈，從而導(dǎo)致蠕變斷裂壽命降低，最小蠕變速率增大，應(yīng)力松馳加重。期間采用不同溫度對高溫管道材料固溶處理，壓力管道將具有不同的蠕變程度。高溫管道材料的受熱程度不同，蠕變結(jié)果也大不一樣。

高溫管道材料在應(yīng)力控制下不斷蠕變循環(huán)過程中，動態(tài)應(yīng)變時效表現(xiàn)為位移的突然階躍現(xiàn)象。動態(tài)應(yīng)變時效預(yù)變形處理能有效地減小材料的循環(huán)應(yīng)變幅度，提高材料的強度，推遲材料中出現(xiàn)位移階躍現(xiàn)象的循環(huán)周次，延長材料的疲勞蠕變壽命。在各種保載應(yīng)力水平下，當保載應(yīng)力高于屈服強度時，室溫蠕變變形更加明顯。同時發(fā)現(xiàn)當保載應(yīng)力高于屈服強度時，室溫蠕變后材料屈服點的流變應(yīng)力顯著提高。

2 焊接技術(shù)對耐高溫管道材料的作用

在耐高溫管道材料中，如蠕變效果顯著發(fā)揮作用時，焊接技術(shù)不能及時同步進行焊縫結(jié)合的話，焊縫處先行失效的可能性就會占有較大的比例，表明焊接對耐高溫管道材料結(jié)構(gòu)完整性的不利影響。當耐高溫管道材料產(chǎn)生化學(xué)作用時，焊接接頭很容易在使用過程中由于線膨脹系數(shù)差形成的熱應(yīng)力、碳遷移、接頭組織變化而產(chǎn)生過度扭曲變形等，因此應(yīng)該考慮焊接殘余應(yīng)力下的焊接接頭蠕變行為是否可行。

如果壓力管道長期在惡劣的高溫和高壓環(huán)境下運行，其微觀組織會隨著溫度和壓力的升高逐步發(fā)生不同的變化，如不同碳化物的析出、材料內(nèi)部同化合并、材質(zhì)細粒粗化以及徹底發(fā)生蠕變，使得耐高溫管道材料變脆和自身的伸展性能下降。

由于在壓力管道內(nèi)部，所有高溫構(gòu)件的生產(chǎn)制造過程中，必須加入焊接等技術(shù)的融入才能進行更進一步的鞏固和提升，焊接是一種必要手段。而焊接、鑄造、彎曲和熔脂等制造工藝，以及運行過程中的負載過量及溫度變化等，均會不可避免地導(dǎo)致高溫構(gòu)件產(chǎn)生殘余應(yīng)力，從而降低高溫構(gòu)件的承載能力及斷裂韌性，減弱了壓力管道的堅硬度和柔韌性。因此研究耐高溫管道材料在焊接技術(shù)影響后的殘余應(yīng)力的擴展情況，將對壓力管道的安全使用以及壽命評估提供依據(jù)。

3 蠕變對耐高溫管道材料的警示

耐高溫管道材料具有良好的耐高溫蠕變性能，對內(nèi)壓與熱處理后共同作用下的焊接接頭蠕變進行有限元分析，分別得到了焊接殘余應(yīng)力和焊后殘余應(yīng)力的分布規(guī)律。受到壓力管道的壁厚程度以及約束條件等影響，高溫管道經(jīng)過焊接后就產(chǎn)生了較大的焊接殘余應(yīng)力。而壓力管道可通過特殊熱處理，消除殘余應(yīng)力從而得到彎曲幅度較大、普遍性較好的彎曲晶界。彎曲晶界最重要的影響是它顯著提高耐高溫管道材料的持久塑性和蠕變裂紋生長抗力。因為彎曲晶界的特殊性質(zhì)，決定了耐高溫管道材料必須保持自身的穩(wěn)定性和伸展性。

耐高溫管道材料在焊接連軋過程中，可以發(fā)現(xiàn)一次碳化物通過阻礙位錯滑移制回復(fù)時，其分布影蠕變動態(tài)后的組織結(jié)構(gòu)如何進行變化。蠕變期間，耐高溫管道材料內(nèi)部的晶內(nèi)碳化物阻礙位錯運動，阻礙晶界滑動，由此提高耐高溫管道材料的蠕變抗力。而壓力管道為了確保反應(yīng)堆的安全運行，必須對承受長期高溫?zé)嵫h(huán)載荷的內(nèi)部環(huán)境進行高溫釋放和蠕變分析，采用蠕變分析理論對壓力管道的余熱排放系統(tǒng)的反應(yīng)堆群進行詳細的應(yīng)力分析與綜合評定，包括壓力管道強度計算，壓力管道變形分析，壓力管道支撐受力分析，以及在整個蠕變分析時段內(nèi)的總體應(yīng)變。

隨著我國對電力需求的日益增長以及壓力管道設(shè)備的復(fù)雜化和多樣化，開展壓力管道設(shè)備的失效與預(yù)測分析對提高企業(yè)的經(jīng)濟效益和技術(shù)水平具有十分重要的意義。由于耐高溫管道材料長期在高溫高壓的狀態(tài)下容易發(fā)生材質(zhì)老化和損傷積累。所以耐高溫管道材料必須通過焊接熱處理后不但可以有效地降低焊接殘余應(yīng)力，同時還由于熱處理殘余應(yīng)力的存在，會對壓力管道焊接接頭的蠕變產(chǎn)生較大影響，并且在焊縫與熱影響區(qū)的交界處存在著較大的蠕變過程，因此必須重視高溫蠕變對壓力管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)所帶來的影響和警示。

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作者簡介：孫希文（1981-），女，山東即墨人，大學(xué)，工程師（中級），專業(yè)主管，工程項目專業(yè)負責(zé)人，管道設(shè)計、管道機械。endprint