P92鋼及其焊接接頭的蠕變-疲勞壽命預(yù)測(cè)

宋宇軒，余 婷，秦富饒，高增梁，2

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 化工機(jī)械設(shè)計(jì)研究所,杭州 310014;2.過程裝備及其再制造教育部工程研究中心,杭州 310014)

0 引言

超超臨界發(fā)電機(jī)組主蒸汽管道等高溫部件長(zhǎng)期服役于連續(xù)調(diào)峰和頻繁開停車的工況，承受著高溫疲勞、蠕變與蠕變-疲勞交互作用的損傷[1]。高溫高壓等嚴(yán)苛的服役環(huán)境造成許多未預(yù)期的過早失效，特別是焊接接頭結(jié)構(gòu)，其熱影響區(qū)在服役過程中的過早開裂導(dǎo)致壓力容器損壞的案例時(shí)有發(fā)生[2-3]。高溫蠕變-疲勞損傷歷程中，焊接接頭微觀組織結(jié)構(gòu)不連續(xù)性所造成的復(fù)雜斷裂機(jī)制，嚴(yán)重制約壓力容器結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估的發(fā)展。目前，國(guó)內(nèi)高校和科研院所，如華東理工大學(xué)[4]、天津大學(xué)[5]、南京工業(yè)大學(xué)[6]、浙江工業(yè)大學(xué)[7]、合肥通用機(jī)械研究院有限公司[8]等也相繼開展相關(guān)高溫服役材料與焊接接頭的壽命評(píng)估與結(jié)構(gòu)完整性研究。

P92鋼是目前世界各國(guó)大力發(fā)展的一種適用于超超臨界發(fā)電機(jī)組主蒸汽管道的新型馬氏體鋼，該鋼憑借其優(yōu)異的高溫力學(xué)性能還廣泛應(yīng)用于其他高溫管道和設(shè)備。P92 鋼主要組織為回火馬氏體，具有較高的位錯(cuò)密度[9-10]，還受到固溶強(qiáng)化[10]、晶界強(qiáng)化與析出物強(qiáng)化[10-14]等強(qiáng)化機(jī)制的影響，具備優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、抗蠕變性能、抗腐蝕性和抗氧化能力。P92鋼的微觀組織結(jié)構(gòu)由原奧氏體晶粒、馬氏體塊、馬氏體束、馬氏體板條、位錯(cuò)以及細(xì)小的碳化物(M6C23)組成的多尺度結(jié)構(gòu)[15-17]。目前，國(guó)內(nèi)外已有許多學(xué)者研究了高溫下Cr-Mo鋼的蠕變-疲勞壽命預(yù)測(cè)模型。紀(jì)冬梅等[18]對(duì)P91鋼的蠕變-疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)修正的延性耗竭模型較為適用于P91鋼的蠕變-疲勞壽命預(yù)測(cè)，而現(xiàn)有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中ASME Ⅲ-NH卷采用的時(shí)間分?jǐn)?shù)法和RCC-MR規(guī)范采用的延性耗竭法雖然都屬于典型的線性損傷累積法，但對(duì)于P91鋼，利用ASME規(guī)范預(yù)測(cè)的壽命偏保守，利用RCC-MR規(guī)范預(yù)測(cè)的壽命則高于試驗(yàn)值。WANG等[19-20]對(duì)應(yīng)變能密度模型進(jìn)行修正，獲得更適合P92鋼蠕變-疲勞壽命預(yù)測(cè)的修正模型，其預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度要高于傳統(tǒng)的蠕變-疲勞壽命預(yù)測(cè)模型，然而，修正的應(yīng)變能密度模型還未在Cr-Mo鋼焊接接頭的蠕變-疲勞壽命預(yù)測(cè)研究中應(yīng)用，并且在應(yīng)變能密度壽命預(yù)測(cè)模型中采用不同的應(yīng)力松弛擬合方程，會(huì)對(duì)預(yù)測(cè)精度產(chǎn)生重要影響。目前使用較多的應(yīng)力松弛擬合方法有Gittus應(yīng)力松弛模型[21]、Feltham應(yīng)力松弛模型[22]以及Jeong應(yīng)力松弛模型[23]。這些研究主要集中在P91鋼和P92鋼母材上，對(duì)焊接接頭的研究相對(duì)較少。

本文針對(duì)P92鋼及其焊接接頭，開展650 ℃下不同保載時(shí)間的蠕變-疲勞試驗(yàn)，通過3種應(yīng)力松弛擬合模型(Gittus，F(xiàn)eltham，Jeong模型)對(duì)特征蠕變-疲勞中的應(yīng)力松弛進(jìn)行擬合，并基于不同的擬合結(jié)果，分別采用兩種修正的應(yīng)變能密度壽命預(yù)測(cè)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，分析比較其對(duì)P92鋼及其焊接接頭壽命預(yù)測(cè)精度，研究結(jié)果對(duì)高溫壓力容器焊接接頭的蠕變-疲勞壽命評(píng)估與結(jié)構(gòu)完整性研究具有借鑒意義。

1 材料及試驗(yàn)方案

1.1 材料與焊接工藝

試驗(yàn)所用的P92鋼與焊接接頭試樣均取自直徑、厚度和長(zhǎng)度分別為840，80，600 mm的國(guó)產(chǎn)商用P92鋼管(帶有環(huán)焊縫)。鋼管的焊接方式為埋弧自動(dòng)焊(SAW)與鎢極惰性氣體保護(hù)焊(GTAW)。焊后在760 ℃下熱處理2 h，并在空氣中自然冷卻，隨后進(jìn)行無損檢測(cè)，確保焊接接頭能滿足相應(yīng)的工業(yè)要求。P92鋼和焊材的化學(xué)成分如表1所示，焊接接頭母材區(qū)(BM)、焊縫區(qū)(WM)和熱影響區(qū)中的粗晶區(qū)(CGHAZ)與細(xì)晶區(qū)(FGHAZ)的微觀組織形貌如圖1所示。

表1 P92鋼和焊材的化學(xué)成分

圖1 P92鋼焊接接頭各微區(qū)的微觀形貌

1.2 試樣與試驗(yàn)參數(shù)

焊接接頭試樣的取樣位置與結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示。蠕變-疲勞試驗(yàn)在RPL100型電子蠕變-疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，如圖3所示。應(yīng)變幅0.2%，應(yīng)變速率0.001 s-1，試樣變形監(jiān)測(cè)采用的引伸計(jì)為3448型高溫動(dòng)態(tài)引伸計(jì)，標(biāo)距段為25 mm。試驗(yàn)溫度650 ℃，試驗(yàn)實(shí)時(shí)溫度由綁在試樣上、中、下部的S形熱電偶測(cè)量。P92鋼與焊接接頭試樣均采用峰值拉伸保載，保載時(shí)間為30，120，300，600，900 s。

圖2 P92鋼焊接接頭試樣的取樣位置及結(jié)構(gòu)尺寸

圖3 RPL100蠕變-疲勞試驗(yàn)機(jī)

2 應(yīng)力松弛擬合方法與壽命預(yù)測(cè)模型

2.1 應(yīng)力松弛擬合方法

本研究主要采用的應(yīng)力松弛擬合方法有Gittus 應(yīng)力松弛模型[21]、Feltham應(yīng)力松弛模型[22]以及Jeong應(yīng)力松弛模型[23]。

(1)Gittus應(yīng)力松弛公式[21]。

(1)

式中，σG為采用Gittus應(yīng)力松弛模型擬合的應(yīng)力；σ0為保持期開始時(shí)的應(yīng)力；t為保載時(shí)間；Ω，θ為擬合Gittus應(yīng)力松弛公式所需的參數(shù)。

保載期間的應(yīng)力松弛速率為：

(2)

(2)FELTHAM[22]提出的應(yīng)力松弛模型。

σF=σ0[1-Aln(Bt+1)]

(3)

式中，σF為采用Feltham應(yīng)力松弛模型擬合的應(yīng)力；A,B為蠕變變形常數(shù)，通過擬合得到。

保載期間的應(yīng)力松弛速率計(jì)算如下：

(4)

(3)JEONG等[23]也提出了一種應(yīng)力松弛擬合方法，該方法考慮塑性應(yīng)變范圍以及保載時(shí)間的影響，其松弛應(yīng)力的計(jì)算公式如下：

σJ=σ0-(A′-lgΔεp+B′)lg(1+t)

(5)

式中，σJ為采用Jeong應(yīng)力松弛模型擬合的應(yīng)力；A′，B′為常數(shù)，由材料性能確定；Δεp為50%壽命的塑性應(yīng)變范圍。

(6)

2.2 蠕變-疲勞壽命預(yù)測(cè)模型

本文主要采用損傷線性累積法來預(yù)測(cè)P92鋼及其焊接接頭的蠕變-疲勞壽命，采用的模型主要為時(shí)間分?jǐn)?shù)模型、延性耗竭模型以及兩種應(yīng)變能密度耗竭模型。

(1)時(shí)間分?jǐn)?shù)模型。

(7)

式中，th為保載時(shí)間；tR為根據(jù)一定溫度和應(yīng)力確定的蠕變斷裂時(shí)間。

(2)延性耗竭模型。

(8)

需要注意的是，本文沒有明確區(qū)分塑性變形和蠕變變形，而是統(tǒng)一將它們視為非彈性應(yīng)變。在該模型中，應(yīng)力松弛行為也是通過Feltham應(yīng)力松弛公式擬合得到。

(3)修正的應(yīng)變能密度耗竭模型。

(9)

(10)

(11)

由于在蠕變-疲勞試驗(yàn)中引入保載時(shí)間會(huì)使斷裂模式由穿晶型向混合型(跨+沿晶型)轉(zhuǎn)變，因此在計(jì)算失效應(yīng)變能密度和蠕變損傷時(shí)，應(yīng)考慮孔洞的力學(xué)擴(kuò)展。在修正的應(yīng)變能密度耗竭模型中，考慮到臨界極限應(yīng)力以及平均應(yīng)力效應(yīng)，在給定瞬時(shí)非彈性應(yīng)變能密度耗散速率與溫度條件下，用于機(jī)械空腔生長(zhǎng)的失效應(yīng)變能密度與瞬時(shí)非彈性應(yīng)變能耗散速率之間的冪律關(guān)系為：

(12)

式中，B1,n1為與溫度無關(guān)的擬合常數(shù)；Q為激活能；R為通用氣體常數(shù)。

(13)

所以在恒定溫度下，根據(jù)修正應(yīng)變能密度耗竭法的蠕變-疲勞預(yù)測(cè)壽命為：

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1 應(yīng)力松弛擬合方法

P92鋼及其焊接接頭是一種循環(huán)軟化材料，其循環(huán)軟化過程主要分為3個(gè)階段:快速軟化階段、穩(wěn)態(tài)軟化階段和斷裂階段。由于斷裂階段的材料已經(jīng)出現(xiàn)裂紋，實(shí)際已無法使用，因此為提高評(píng)估的保守性，將第二階段峰值拉伸應(yīng)力軟化10%后的循環(huán)次數(shù)作為P92鋼及其焊接接頭的理論循環(huán)壽命。P92鋼及其焊接接頭的蠕變-疲勞理論循環(huán)壽命如表2所示?？梢钥闯?，P92鋼母材的循環(huán)壽命隨著保載時(shí)間的增加而縮短；而焊接接頭的循環(huán)壽命則隨著保載時(shí)間的增加先增長(zhǎng)、再縮短，其轉(zhuǎn)變點(diǎn)出現(xiàn)在保載時(shí)間為120 s的蠕變-疲勞試驗(yàn)中。

表2 采用延性耗竭模型的壽命預(yù)測(cè)結(jié)果

根據(jù)文獻(xiàn)[19-20]，應(yīng)變能密度模型需要擬合材料在50%循環(huán)壽命時(shí)的應(yīng)力松弛行為。表3，4 分別列出P92鋼母材和焊接接頭基于不同應(yīng)力松弛公式的擬合數(shù)據(jù)。圖4,5分別示出不同保載時(shí)間下，P92鋼母材和焊接接頭基于不同應(yīng)力松弛公式的擬合曲線，可以看出，擬合結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。由公式(1)(3)(5)可知，Gittus和Feltham應(yīng)力松弛模型中的應(yīng)力松弛行為與保載時(shí)間相關(guān)，而Jeong應(yīng)力松弛模型認(rèn)為，應(yīng)力松弛行為與塑性應(yīng)變范圍和應(yīng)變保持時(shí)間有關(guān)。從圖4，5中可以看出，采用Jeong應(yīng)力松弛模型得到的應(yīng)力松弛量最大，采用Feltham應(yīng)力松弛模型得到的應(yīng)力松弛量最小。應(yīng)力松弛量與蠕變損傷密切相關(guān)，應(yīng)力松弛量高反映出材料的蠕變損傷程度高，從而導(dǎo)致材料的循環(huán)壽命縮短。因此，基于Jeong應(yīng)力松弛擬合模型的預(yù)測(cè)結(jié)果可能最為保守；而采用Feltham應(yīng)力松弛擬合方法的預(yù)測(cè)結(jié)果的保守性最小。

表3 P92鋼基于不同應(yīng)力松弛公式的擬合數(shù)據(jù)

表4 焊接接頭基于不同應(yīng)力松弛公式的擬合數(shù)據(jù)

(a)保載時(shí)間30 s

(a)保載時(shí)間30 s

3.2 蠕變-疲勞壽命預(yù)測(cè)結(jié)果

P92鋼母材和焊接接頭在不同保載時(shí)間下，采用時(shí)間分?jǐn)?shù)模型與延性耗竭模型得到的預(yù)測(cè)結(jié)果如圖6所示。從圖6(a)可以看出，對(duì)于P92鋼母材，所有的數(shù)據(jù)點(diǎn)都位于±1.5倍的誤差帶范圍內(nèi)，說明壽命預(yù)測(cè)精度較好；而對(duì)于焊接接頭，80%的數(shù)據(jù)點(diǎn)都在±2倍的誤差帶范圍內(nèi)，只有保載900 s的數(shù)據(jù)點(diǎn)超出±2倍的誤差帶范圍。此外，可以觀察到時(shí)間分?jǐn)?shù)模型在短時(shí)保載下預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)都在中間黑色實(shí)線的上方，長(zhǎng)時(shí)保載的數(shù)據(jù)點(diǎn)在中間黑色實(shí)線的下方，表明時(shí)間分?jǐn)?shù)模型在短時(shí)保載的情況下會(huì)存在不保守性。

(a)時(shí)間分?jǐn)?shù)模型

從圖6(b)中可以看出，采用延性耗竭模型的全部預(yù)測(cè)點(diǎn)都位于±2倍的誤差帶內(nèi)，說明壽命預(yù)測(cè)精度較好。另外，P92鋼母材的壽命預(yù)測(cè)結(jié)果都在黑色實(shí)線的下方，說明延性耗竭模型對(duì)母材壽命預(yù)測(cè)的保守性較好，但是對(duì)焊接接頭的預(yù)測(cè)結(jié)果存在一定的不保守性。兩種傳統(tǒng)壽命預(yù)測(cè)方法存在不保守性的原因，可能是忽視了蠕變-疲勞交互作用，且焊接接頭因存在梯度性微觀組織結(jié)構(gòu)而使得蠕變-疲勞損傷分布不均勻所導(dǎo)致。

在循環(huán)加載期間，平均應(yīng)力的演變是表征循環(huán)變形行為的關(guān)鍵指標(biāo)，也是影響材料壽命的關(guān)鍵因素之一。WANG等[19]提出的修正應(yīng)變能密度耗竭模型考慮了反向加載的過程中產(chǎn)生的峰值壓縮應(yīng)力，其絕對(duì)值∣σmin∣會(huì)高于峰值拉伸應(yīng)力的絕對(duì)值∣σmax∣，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)負(fù)的壓縮平均應(yīng)力。P92鋼母材和焊接接頭在蠕變-疲勞試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的平均應(yīng)力如表5所示。

表5 蠕變-疲勞試驗(yàn)中不同保載時(shí)間下的平均應(yīng)力

ZHAO等[20]提出了一種修正應(yīng)變能密度耗竭模型，認(rèn)為當(dāng)應(yīng)力達(dá)到蠕變極限應(yīng)力時(shí)才會(huì)發(fā)生蠕變損傷。本文的蠕變-疲勞試驗(yàn)中，認(rèn)為當(dāng)應(yīng)力低于蠕變極限應(yīng)力時(shí)不會(huì)產(chǎn)生蠕變損傷，并且假設(shè)只有拉伸蠕變才會(huì)造成損傷。在本文中，蠕變極限應(yīng)力σth=σ650 ℃=60 MPa，當(dāng)拉伸應(yīng)力σ>σ650 ℃時(shí)將會(huì)造成蠕變損傷。應(yīng)變能密度耗竭模型中所需要的參數(shù)須來自純?nèi)渥冊(cè)囼?yàn)，如表6[20]所示。考慮壓力容器中的焊接接頭存在大量不同焊接方式與結(jié)構(gòu)，而針對(duì)各種焊接方式與結(jié)構(gòu)開展純?nèi)渥冊(cè)囼?yàn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。如果采用P92鋼母材的模型參數(shù)，能使P92鋼焊接接頭的預(yù)測(cè)結(jié)果具有較高的精度與保守性，可對(duì)模型的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值產(chǎn)生重要意義。因此，本文在焊接接頭的壽命預(yù)測(cè)中使用母材蠕變?cè)囼?yàn)所獲得的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

表6 P92鋼蠕變-疲勞壽命預(yù)測(cè)所需參數(shù)

圖7為P92鋼母材和焊接接頭的預(yù)測(cè)結(jié)果，其中，W-G SEDE, W-F SEDE, W-J SEDE分別為基于Gittus，F(xiàn)eltham，Jeong應(yīng)力松弛擬合方法，以及WANG等修正的應(yīng)變能密度耗竭模型[19]的預(yù)測(cè)結(jié)果；Z-G SEDE,Z-F SEDE,Z-J SEDE分別為基于Gittus，F(xiàn)eltham，Jeong應(yīng)力松弛擬合方法，以及ZHAO等修正的應(yīng)變能密度耗竭模型[20]的預(yù)測(cè)結(jié)果。

(a)P92鋼

從圖7中可以看出，采用修正應(yīng)變能密度耗竭模型得到的P92鋼母材壽命預(yù)測(cè)結(jié)果都位于±2倍的誤差帶內(nèi)并比時(shí)間分?jǐn)?shù)法與延性耗竭法精度高；且但對(duì)于P92鋼焊接接頭預(yù)測(cè)結(jié)果，除保載30 s的試樣在誤差帶外，其他預(yù)測(cè)結(jié)果都位于±2倍的誤差帶內(nèi)并具有很大的離散性，且保守性較低。值得注意的是，焊接接頭預(yù)測(cè)結(jié)果的離散性還是無法降低，這可能是由于具有微觀組織結(jié)構(gòu)不均勻性焊接接頭中各微區(qū)損傷分布差異所導(dǎo)致。未來亟需結(jié)合焊接接頭的蠕變?cè)囼?yàn)，獲取合適的材料參數(shù)，從而進(jìn)一步提高蠕變-疲勞壽命預(yù)測(cè)精度。

4 結(jié)論

本文針對(duì)P92鋼及其焊接接頭，開展650 ℃下不同保載時(shí)間的蠕變-疲勞試驗(yàn)，通過3種應(yīng)力松弛擬合模型對(duì)特征蠕變-疲勞中的應(yīng)力松弛進(jìn)行擬合，并基于不同的擬合結(jié)果，分別采用兩種修正的應(yīng)變能密度壽命預(yù)測(cè)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，分析比較其對(duì)P92鋼及其焊接接頭壽命預(yù)測(cè)精度，得到如下結(jié)論。

(1)650 ℃下，P92鋼母材的循環(huán)壽命隨著保載時(shí)間的增加而縮短；而焊接接頭的循環(huán)壽命則隨著保載時(shí)間的增加先增長(zhǎng)、再縮短，其轉(zhuǎn)變點(diǎn)出現(xiàn)在保載時(shí)間為120 s的蠕變-疲勞試驗(yàn)中。

(2)根據(jù)3種擬合方法的擬合結(jié)果，發(fā)現(xiàn)采用Jeong應(yīng)力松弛模型得到的應(yīng)力松弛量最大，采用Feltham應(yīng)力松弛模型得到的應(yīng)力松弛量最小。因此，基于Jeong應(yīng)力松弛擬合模型的預(yù)測(cè)結(jié)果可能最為保守；而采用Feltham應(yīng)力松弛擬合方法的預(yù)測(cè)結(jié)果的保守性最小。

(3)對(duì)于P92鋼母材，兩種應(yīng)變能密度模型相較于時(shí)間分?jǐn)?shù)法與延性耗竭法壽命預(yù)測(cè)精度高；但對(duì)于焊接接頭，4種模型的預(yù)測(cè)結(jié)果都存在較大的離散性，但保守性較低。