P92鋼焊縫蠕變—疲勞損傷的安全評(píng)定方法研究

劉天佐+++張傳清++陳冠興++魏玉忠

摘 要：本文以P92鋼為研究對(duì)象，在610℃下進(jìn)行應(yīng)力控制的蠕變—疲勞損傷裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，從而獲得了蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展速率，同時(shí)，結(jié)合P92鋼焊縫蠕變與拉伸試驗(yàn)，構(gòu)建了P92鋼焊縫與TDFAD失效評(píng)定曲線，通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)最終得出P92蠕變-疲勞損傷下裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)斷裂機(jī)制是由蠕變控制的，且擴(kuò)展速率與高溫?cái)嗔褏⒘緾*的關(guān)聯(lián)曲線具有一定關(guān)系，希望通過(guò)本文的研究能夠?yàn)镻92鋼在工業(yè)當(dāng)中的安全運(yùn)用提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：P92鋼焊縫；蠕變—疲勞損傷；裂紋擴(kuò)展；高溫?cái)嗔褏⒘?/p>

中圖分類號(hào)：TG407 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）07-0061-02

在當(dāng)前能源與環(huán)境的雙重壓力下，發(fā)展高效、節(jié)能、大容量、潔凈環(huán)保、可靠性高的火力發(fā)電技術(shù)，不僅能夠滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展對(duì)電力的迫切需要，而且能夠應(yīng)對(duì)來(lái)自環(huán)境保護(hù)方面的日益嚴(yán)峻的要求和挑戰(zhàn)。并且隨著大型裝置的服役溫度和壓力的提高，對(duì)設(shè)備裝置運(yùn)行時(shí)的安全可靠性提出了更高的要求。在高溫下，金屬結(jié)構(gòu)蠕變和疲勞斷裂成為主要的失效形式，因此研究裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的斷裂參量，能夠準(zhǔn)確控制斷裂時(shí)間，避免生產(chǎn)事故的發(fā)生。

1 蠕變-疲勞損傷裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)

1.1 初始裂紋長(zhǎng)度a0修正

根據(jù)GB/T 21143-2007《金屬材料準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗(yàn)方法》，測(cè)量初始裂紋長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)該測(cè)量到疲勞裂紋的尖端，修正后的裂紋初始長(zhǎng)度如下表1所示，其中ΔK表示應(yīng)力強(qiáng)度因子：

1.2 裂紋長(zhǎng)度測(cè)量與裂紋擴(kuò)展速率確定

用直流電位法測(cè)量蠕變裂紋擴(kuò)展量，得到裂紋擴(kuò)展量與時(shí)間的關(guān)系曲線，其無(wú)量綱表達(dá)式為：

（1）

式中：a是裂紋長(zhǎng)度；a0是初始裂紋長(zhǎng)度；U0是所對(duì)應(yīng)a0時(shí)刻所測(cè)量的電位勢(shì)；y是試樣中心線上兩側(cè)點(diǎn)之間距離的一半長(zhǎng)；W是試樣寬度一半的長(zhǎng)度。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算之后，裂紋的擴(kuò)展。裂紋擴(kuò)展的計(jì)算是在a-N曲線上，按公式

計(jì)算可得平均裂紋長(zhǎng)度。

1.3 裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)結(jié)果

由圖1和圖2可知，當(dāng)ΔK=16 MPa.m1/2時(shí)，同樣以裂紋擴(kuò)展0.2mm作為P92鋼焊縫的蠕變-疲勞損傷裂紋起裂，15h后進(jìn)入裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段，65h以后進(jìn)入蠕變裂紋快速擴(kuò)展階段，直至試樣斷裂。當(dāng)ΔK=14MPa.m1/2時(shí)，以裂紋擴(kuò)展0.2mm作為P92鋼焊縫的蠕變-疲勞損傷裂紋起裂，40h后進(jìn)入裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段，270h后進(jìn)入裂紋快速擴(kuò)展階段，直至試樣斷裂。

2 蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展速率與高溫?cái)嗔褏⒘?/p>

筆者通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)得知，通過(guò)對(duì)試樣斷口進(jìn)行SEM觀測(cè)，對(duì)試樣斷口進(jìn)行分析，可以判斷試樣在蠕變-疲勞損傷下的損傷與斷裂機(jī)制。由相關(guān)數(shù)據(jù)研究得知，蠕變-疲勞損傷下裂紋擴(kuò)展為蠕變控制為主的斷裂行為。故可以采用高溫?cái)嗔蚜W(xué)參量C*進(jìn)行表征。

（2）

其中：n是材料的蠕變系數(shù)，是加載位移速率的蠕變分量。根據(jù)以上裂紋擴(kuò)展速率和高溫?cái)嗔褏⒘緾*的計(jì)算方法，可以獲得蠕變-疲勞損傷下裂紋擴(kuò)展速率與高溫?cái)嗔褏⒘康年P(guān)聯(lián)曲線，如下圖3、圖4。

3 P92鋼焊縫蠕變條件下TDFAD的構(gòu)建

目前與時(shí)間相關(guān)失效評(píng)定圖（TDFAD）方法主要是用于蠕變主控條件下的裂紋起裂評(píng)定，本試驗(yàn)中的失效評(píng)定曲線去下圖5所示，隨著時(shí)間的增加，失效評(píng)定曲線有下降的趨勢(shì)，并且曲線形狀也發(fā)生變化。由此表明，P92高溫蠕變現(xiàn)象對(duì)結(jié)構(gòu)安全評(píng)定有明顯的影響。因此，對(duì)含裂紋P92結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全評(píng)定時(shí)，選擇考慮蠕變影響的TDFAD才能得到更安全的結(jié)果。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）采用直流電位法對(duì)P92鋼焊縫610℃高溫下進(jìn)行蠕變-疲勞損傷下裂紋擴(kuò)展測(cè)試，蠕變裂紋擴(kuò)展主要特征可劃分為二個(gè)階段：孕育階段：在此階段內(nèi)裂紋幾乎不擴(kuò)展或擴(kuò)展甚??；擴(kuò)展階段：此時(shí)隨時(shí)間增長(zhǎng)裂紋逐漸擴(kuò)展，繼續(xù)增加時(shí)間，則裂紋快速增長(zhǎng)直至試樣完全斷裂。

（2）通過(guò)對(duì)試樣斷口分析，斷口處并未發(fā)現(xiàn)疲勞輝紋，也未見(jiàn)由于疲勞作用導(dǎo)致蠕變孔洞相連形成的二次裂紋跡象，均為典型的蠕變韌窩狀斷口，該蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)均是以蠕變控制為主的斷裂行為。

（3）采用高溫?cái)嗔蚜W(xué)參量C*對(duì)P92鋼焊縫在610℃高溫下的斷裂行為進(jìn)行表征。所有的da/dt與C*的關(guān)系曲線中均出現(xiàn)了一個(gè)反向“勾”狀階段，該階段對(duì)應(yīng)著蠕變裂紋擴(kuò)展的孕育期，此時(shí)裂紋擴(kuò)展速率的值均小于穩(wěn)定蠕變擴(kuò)展階段的。

（4）采用修正R6中Option2的方法，構(gòu)建了P92鋼焊縫高溫下的TDFAD失效評(píng)定圖，P92高溫蠕變現(xiàn)象對(duì)結(jié)構(gòu)安全評(píng)定有明顯的影響。對(duì)含裂紋P92結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全評(píng)定時(shí)，選擇考慮蠕變影響的TDFAD才能得到更安全的結(jié)果。