葉有俊，王一寧，姜 勇，陳 楊,張鵬鵬

(1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院,南京 210036；2.南京工業(yè)大學(xué)，南京 211816)

0 引言

超超臨界機(jī)組用P92鋼在高溫高壓環(huán)境中長(zhǎng)期服役會(huì)發(fā)生微觀組織的老化和由損傷累積導(dǎo)致的構(gòu)件性能退化，進(jìn)而造成構(gòu)件的失效，最終導(dǎo)致事故的發(fā)生，因此需要對(duì)高溫部件運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)，有效避免材料發(fā)生失效導(dǎo)致事故，減少損失。高溫條件下服役的構(gòu)件壽命預(yù)測(cè)方法最早主要以蠕變(持久)試驗(yàn)的外推法為主，包括等溫線外推法、TTP參數(shù)法等。隨著壽命預(yù)測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)外研究人員開(kāi)始利用短時(shí)蠕變?cè)囼?yàn)擬合參數(shù)，利用壽命預(yù)測(cè)模型來(lái)外推低應(yīng)力或者低溫度下的蠕變壽命。較為典型的方法包括θ投影法、Omega法、Graham-Walles法以及Φ法等[1-9]。上述方法的共同點(diǎn)在于需要從設(shè)備上進(jìn)行取樣，對(duì)設(shè)備造成一定的破壞，且試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，因而在使用方面具有一定的局限性，因此需要在工程應(yīng)用中建立一種快速無(wú)損的壽命預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)方法。

由于金屬材料中的碳化物在設(shè)備高溫運(yùn)行過(guò)程中會(huì)隨著服役時(shí)間的變化而發(fā)生變化，因此建立一種基于碳化物相結(jié)構(gòu)的壽命預(yù)測(cè)方法，通過(guò)碳化物的含量變化，就能推測(cè)出高溫構(gòu)件的剩余壽命，將大大縮短壽命預(yù)測(cè)的時(shí)間。另外，由于碳化物源自于材料本身，因此準(zhǔn)確性也有很大程度的提高。碳化物檢測(cè)作為高溫構(gòu)件檢修和壽命評(píng)價(jià)的重要依據(jù)，已被國(guó)內(nèi)多個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[10-11]所認(rèn)可。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了利用析出相含量對(duì)材料壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)的方法的研究工作。例如，李華瑞等[12]利用X射線衍射法測(cè)得12Cr2MoWVTiB鋼碳化物含量與運(yùn)行時(shí)間之間的變化關(guān)系；Hosoya等[13]利用X射線衍射法得到兩種碳化物衍射強(qiáng)度與L-M參數(shù)之間的關(guān)系，建立起碳化物含量與材料的壽命之間的聯(lián)系；Dzioba[14]提出了一種將碳化物含量與服役時(shí)間聯(lián)系起來(lái)的壽命評(píng)估方法。

本文在等溫時(shí)效試驗(yàn)、蠕變?cè)囼?yàn)以及X射線衍射技術(shù)的基礎(chǔ)上，得到不同服役階段碳化物含量的變化情況，建立各析出相含量與服役時(shí)間以及參數(shù)P之間的關(guān)系，并運(yùn)用所建立的關(guān)系對(duì)超超臨界機(jī)組典型用鋼P(yáng)92鋼進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 等溫時(shí)效試驗(yàn)

試驗(yàn)材料選用主蒸汽管用P92鋼構(gòu)件，其管件尺寸為?390 mm×70 mm，實(shí)際操作壓力和操作溫度分別為26 MPa和600 ℃，其化學(xué)成分如表1所示。

為模擬不同服役階段P92鋼中析出相組成，根據(jù)楊瑞成等[15]研究結(jié)果，對(duì)新材料進(jìn)行650 ℃下的等溫時(shí)效試驗(yàn)，時(shí)效時(shí)間分別為200，500，1 000，2 000，5 000，8 000，11 000 h。同時(shí)根據(jù)Hollomon等[16]在20世紀(jì)50年代提出經(jīng)驗(yàn)公式：

P(T)=T(C+lgtT)

(1)

式中T——回火溫度，K；

C——與材料相關(guān)的常數(shù)，取C=20；

tT——時(shí)效時(shí)間,h。

可以得出650 ℃試驗(yàn)溫度下不同時(shí)效時(shí)間，對(duì)應(yīng)600 ℃的等效服役時(shí)間之間的關(guān)系，如表2所示，時(shí)效試驗(yàn)在TXCS-Ⅱ陶瓷纖維馬弗爐中進(jìn)行。

表2 650 ℃時(shí)效試驗(yàn)時(shí)間與600 ℃服役時(shí)間關(guān)系

1.2 恒載荷蠕變?cè)囼?yàn)

恒載荷蠕變?cè)囼?yàn)在CTM304-A1型機(jī)械式高溫蠕變持久試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行，綜合考慮實(shí)際操作溫度與實(shí)際操作壓力，試驗(yàn)選取的溫度和應(yīng)力條件如表3所示。

表3 蠕變?cè)囼?yàn)條件

1.3 碳化物電解萃取試驗(yàn)及X射線衍射分析

電解萃取試驗(yàn)按照DL/T 818—2002《低合金耐熱鋼碳化物相分析技術(shù)導(dǎo)則》[17]實(shí)施。對(duì)不同服役階段的材料進(jìn)行電解萃取試驗(yàn)，得到碳化物粉末，利用X射線衍射進(jìn)行相結(jié)構(gòu)分析，測(cè)試條件為Cu靶，工作電流和電壓分別為30 mA和40 kV，掃描范圍為30°～70°，掃描速度為0.02°/s。

1.4 碳化物與壽命關(guān)系方程

根據(jù)碳化物萃取試驗(yàn)、等溫時(shí)效試驗(yàn)以及恒載荷蠕變?cè)囼?yàn)外推結(jié)果，建立P92鋼材料中碳化物析出相與壽命百分比以及L-M參數(shù)P之間的方程，從而對(duì)壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 析出相總量的變化規(guī)律

為探究P92鋼在不用壽命階段析出相總含量隨時(shí)效時(shí)間的變化情況，分別對(duì)不同時(shí)效時(shí)間和650 ℃,90 MPa蠕變條件下間斷試驗(yàn)電解萃取前后的試樣以及萃取得到的析出相質(zhì)量進(jìn)行稱(chēng)量，其結(jié)果如表4，5所示。依據(jù)下式對(duì)析出相總含量進(jìn)行計(jì)算：

(2)

式中ω——P92鋼中各析出相總量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)；

mC——經(jīng)過(guò)電解烘干處理后析出相的總質(zhì)量，g；

mA——電解前試樣的質(zhì)量，g；

mB——電解后試樣的質(zhì)量，g。

表4 P92鋼時(shí)效階段析出相電解結(jié)果

表5 P92鋼蠕變階段析出相電解結(jié)果

圖1為P92鋼時(shí)效與蠕變過(guò)程中析出相總量隨時(shí)效時(shí)間的變化曲線。

圖1 P92鋼中析出相總含量隨時(shí)間的變化曲線

總體而言，時(shí)效條件與蠕變條件下析出相總量的變化規(guī)律相似，均呈現(xiàn)出先快速增加、后趨于穩(wěn)定的變化特征。時(shí)效初期，500 h以?xún)?nèi)，析出相總量的增加速度較快，其含量達(dá)到3.27%；當(dāng)時(shí)效時(shí)間達(dá)到3 000 h時(shí)，總含量已經(jīng)增加到5.56%，隨后的變化逐漸趨于平穩(wěn)。在蠕變間斷試驗(yàn)中，試驗(yàn)初期，析出相總含量同樣迅速增加，1 000 h左右，其含量約為5.23%，其后含量繼續(xù)增加，但增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯減緩，當(dāng)時(shí)效時(shí)間達(dá)到2 000 h以后，逐漸趨于穩(wěn)定，約為6.3%。蠕變條件與等溫時(shí)效試驗(yàn)相比，由于存在應(yīng)力的作用，加速了P92鋼中析出相的快速析出，同時(shí)使得析出相總量有所增加，由時(shí)效條件下穩(wěn)定的5.75%增加至蠕變條件下的6.35%。

2.2 各析出相含量的變化規(guī)律

為進(jìn)一步了解各種析出相含量隨時(shí)間的變化關(guān)系，在X射線衍射的基礎(chǔ)上，得到多相物質(zhì)中的各項(xiàng)含量，通過(guò)X射線衍射強(qiáng)度的大小求得混合物中某種析出相參與衍射的重量分?jǐn)?shù)或者體積分?jǐn)?shù)。

采用絕熱法對(duì)P92鋼3種析出相進(jìn)行定量計(jì)算，其公式為:

(3)

式中WX——混合物中X相的含量(%)；

IX——X相的積分強(qiáng)度；

1～3——MX，M23C6,Laves相3種碳化物。

3種碳化物在蠕變以及時(shí)效條件下含量隨時(shí)間的變化情況如圖2所示?？梢钥闯?，材料原始基體中主要析出相為M23C6相和MX相，其中以M23C6相為主，MX相含量?jī)H為0.28%，經(jīng)過(guò)時(shí)效處理和蠕變?cè)囼?yàn)后，Laves相逐漸析出。應(yīng)力對(duì)于析出相析出的加速作用在3種析出相的變化過(guò)程中均得以體現(xiàn)。由Laves相分析可知，時(shí)效條件下，其析出時(shí)間約為500 h，而在蠕變條件下Laves相開(kāi)始析出時(shí)間僅為200 h左右。在相同時(shí)間下，蠕變?cè)嚇又蠰aves相含量均高于時(shí)效試樣中的含量，兩者之間的差值在3 000 h以?xún)?nèi)隨時(shí)間的增加不斷增加，3 000 h以后由于蠕變?cè)嚇又械腖aves相逐漸趨于穩(wěn)定，因而兩者之間的差值逐漸趨于穩(wěn)定。

(a)Laves相

(b)MX相

(c)M23C6相

圖2(b)為MX相的變化情況，由于Nb和V等均為強(qiáng)碳化物形成元素且溶解度相對(duì)較低，因而MX相具有非常強(qiáng)的熱穩(wěn)定性，成為P92鋼中最為重要的沉淀強(qiáng)化相，其相對(duì)含量整體而言變化不大，蠕變條件下斷裂時(shí)其含量與原始基體中含量相比僅增加0.14%左右。

隨著時(shí)間的增加，M23C6相在界面能的驅(qū)動(dòng)下沿著原奧氏體晶界以及亞晶界不斷地聚集和粗化，其含量不斷增加，但總體而言增長(zhǎng)幅度有限，時(shí)效條件下11 000 h左右，其含量約為2.06%，而在蠕變條件下時(shí)間達(dá)到5 980 h時(shí)，其最終含量在2.25%左右。

2.3 析出相衍射強(qiáng)度與壽命之間的關(guān)系

結(jié)合之前進(jìn)行的650 ℃，90 MPa蠕變間斷試驗(yàn)結(jié)果，建立不同壽命階段下衍射強(qiáng)度與壽命百分比之間的關(guān)系，如圖3所示。

(a)Laves/MX

(b)Laves/M23C6

從圖3可以看出，Laves相與M23C6相衍射強(qiáng)度之比R和壽命百分比之間分布較為分散，為后續(xù)壽命預(yù)測(cè)帶來(lái)一定難度；而Laves相與MX相衍射強(qiáng)度之比R和壽命百分比之間有明顯的線性關(guān)系：

R=1.28425+0.0068X

(4)

Laves相與MX相衍射強(qiáng)度之比R隨著壽命的消耗，線性不斷增大，當(dāng)試樣斷裂時(shí)，達(dá)到最大值。但是該公式僅說(shuō)明在蠕變過(guò)程中，Laves相與MX相衍射強(qiáng)度之比R隨著斷裂時(shí)間的增加線性增加，并不能與壽命關(guān)聯(lián)，因此還需要將Laves相與MX相衍射強(qiáng)度之比R與應(yīng)力關(guān)聯(lián)起來(lái)。

日本學(xué)者Hosoya等[13]在2003年建立了兩種碳化物衍射強(qiáng)度之比與L-M參數(shù)之間的關(guān)系，將其與使用壽命聯(lián)系起來(lái)，取得了較好的效果。因此，嘗試運(yùn)用兩種析出相衍射強(qiáng)度之比R與L-M參數(shù)P之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，以期得到兩者之間的線性關(guān)系，從而對(duì)P92鋼的壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)與評(píng)估。

結(jié)合恒載荷蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果，選取650 ℃下90,100,115,135 MPa應(yīng)力，斷裂時(shí)間分別為5 980,2 650,1 200,518 h下的蠕變?cè)嚇舆M(jìn)行分析，建立析出相衍射強(qiáng)度比R與L-M參數(shù)P的關(guān)系，如圖4所示。

圖4 Laves相與MX相衍射強(qiáng)度之比R與L-M參數(shù)P之間的關(guān)系

由上述線性關(guān)系建立擬合方程(5)，其擬合精度為96.063%。

R=-15.75272+0.8121P

(5)

由式(5)，根據(jù)析出相分析結(jié)果獲得的Laves相與MX相衍射強(qiáng)度之比R與L-M參數(shù)P之間的關(guān)系，可以得到L-M參數(shù)P，進(jìn)而得到服役壽命。

3 結(jié)論

(1)P92鋼中有3種典型的析出相MX相、M23C6相以及Laves相。試驗(yàn)過(guò)程中，3種析出相均表現(xiàn)為先增加、再逐漸趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律。其中MX相含量變化不大，成為材料中最為重要的沉淀強(qiáng)化相；M23C6相含量變化量其次；而Laves相含量增加最為顯著，成為影響析出相總含量變化的主要因素。

(2)時(shí)效試驗(yàn)和蠕變間斷試驗(yàn)的對(duì)比表明，除了溫度，應(yīng)力對(duì)析出相也有促進(jìn)作用。

(3)Laves相與MX相衍射強(qiáng)度之比R與L-M參數(shù)P以及壽命消耗比例之間呈線性關(guān)系，可以利用此關(guān)系進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)。