藍(lán) 翔,徐 鴻,李夢(mèng)陽(yáng),倪永中

(華北電力大學(xué)電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室,北京 １０２２０６)

摘 要:采用內(nèi)壓和拉伸組合加載方法,在６５０ ℃下對(duì) P９２鋼管狀試樣進(jìn)行了不同多軸度的蠕變?cè)囼?yàn)并利用改進(jìn)的KachanovＧRobatnov蠕變模型對(duì)其蠕變行為進(jìn)行有限元模擬,觀察了斷口形貌和顯微組織,分析了多軸度對(duì) P９２鋼應(yīng)力分布和損傷發(fā)展的影響.結(jié)果表明:在內(nèi)壓和拉伸組合加載下,當(dāng)外壁等效應(yīng)力相同時(shí),多軸度越大,P９２鋼的蠕變壽命越短;多軸度對(duì) P９２鋼蠕變孔洞的生長(zhǎng)具有促進(jìn)作用;改進(jìn)的 KachanovＧRobatnov蠕變模型可以準(zhǔn)確地描述P９２鋼的蠕變行為;在蠕變過(guò)程中,多軸度影響應(yīng)力的分布,進(jìn)而影響損傷的分布,多軸度大的位置其損傷程度也大.

關(guān)鍵詞:P９２鋼;多軸度;蠕變行為;有限元模擬

中圖分類(lèi)號(hào):TG１１３．２５ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):１０００Ｇ３７３８(２０１８)０３Ｇ００７４Ｇ０６

０ 引 言

我國(guó)是世界上擁有超(超)臨界機(jī)組最多的國(guó)家,隨著蒸汽溫度和壓力參數(shù)的提高,在機(jī)組效率得到提高的同時(shí),也對(duì)電站關(guān)鍵部件材料的性能提出了更高要求,尤其是材料的高溫強(qiáng)度、抗高溫腐蝕和氧化能力等.P９２鐵素體耐熱鋼由于具有良好的高溫導(dǎo)熱性能、高強(qiáng)度和低熱膨脹系數(shù)等,被廣泛應(yīng)用在我國(guó) ６００/６２０ ℃ 等 級(jí) 超 超 臨 界 機(jī) 組 高 溫 部 件

中[１],如高溫主蒸汽管道、高溫再熱蒸汽管道及聯(lián)箱等.這些部件長(zhǎng)期處于高溫工作狀態(tài),其主要失效形式為蠕變失效,同時(shí)在復(fù)雜應(yīng)力和部件幾何尺寸的影響下,這些部件大多處于多軸應(yīng)力狀態(tài).通過(guò)研究多軸應(yīng)力狀態(tài)下 P９２鋼蠕變損傷規(guī)律和機(jī)理,可以準(zhǔn)確評(píng)估部件的剩余壽命,對(duì)超超臨界機(jī)組高溫關(guān)鍵部件的壽命管理具有重要意義.國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)多軸應(yīng)力狀態(tài)下蠕變的研究主要集中在多軸蠕變?cè)囼?yàn)方法[２],以及基于連續(xù)損傷理論并通過(guò)有限元方法模擬材料的力學(xué)特性和蠕變損傷特征等方面.一些學(xué)者采用缺口試樣進(jìn)行多軸蠕變?cè)囼?yàn),并研究了其蠕變損傷演變[３Ｇ６],這些研究的

試驗(yàn)裝置和試樣均比較簡(jiǎn)單,易于操作,但無(wú)法實(shí)現(xiàn)主應(yīng)力和靜水應(yīng)力的獨(dú)立變化,而研究表明利用管狀試樣可通過(guò)不同方式的組合加載來(lái)彌補(bǔ)該不足;WANG[７]等利用扭轉(zhuǎn)Ｇ壓縮Ｇ拉伸的加載方式,研究了多軸應(yīng)力狀態(tài)下 GH３３鎳基合金的蠕變疲勞交互作用;SELIGER[８]等在研究多軸度對(duì)電站管道所用１４MoV６Ｇ３、１０CrMo９Ｇ１０和 X１CrMoVNb９Ｇ１耐熱鋼蠕變行 為 的 影 響 時(shí),采 用 了 光 滑 薄 壁 管 和 環(huán)向缺口薄壁 管 兩 種 試 樣,通 過(guò) 控 制 軸 向 拉 伸 應(yīng) 力

和管道內(nèi)壓來(lái)調(diào)整多軸度;YAO 等[９]對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外有關(guān)蠕 變 行 為 的 研 究 進(jìn) 展 進(jìn) 行 了 綜 述,通 過(guò)引入多軸度 和 參 考 應(yīng) 力 來(lái) 描 述 多 軸 蠕 變,根 據(jù) 蠕變過(guò)程是由約束孔洞控制還是塑性控制來(lái)確定參考應(yīng)力 系 數(shù);HYDE[１０]等 使 用 KachanovＧRobatnov蠕變模型研 究 光 滑 試 樣 和 缺 口 試 樣 的 蠕 變 行 為,通過(guò)引入不 同 的 等 效 應(yīng) 力,獲 得 與 試 驗(yàn) 結(jié) 果 一 致的模擬結(jié)果,但 未 考 慮 蠕 變 第 一 階 段 特 性 和 應(yīng) 力的多軸性.為研究多軸度對(duì) P９２鋼蠕變行為的影響,作者

采用內(nèi)壓和拉伸組合加載的蠕變?cè)囼?yàn)方法,通過(guò)控制內(nèi)壓和拉伸載荷獲得不同的多軸度,然后在６５０℃下對(duì) P９２鋼管狀試樣進(jìn)行了３組不同多軸度的蠕變?cè)囼?yàn),觀察了斷口形貌和顯微組織,分析多軸應(yīng)力對(duì)P９２鋼蠕變行為的影響機(jī)制;利用能夠描述蠕變第一階段特性的改進(jìn)的 KachanovＧRobatnov蠕變模型對(duì)內(nèi)壓和拉伸組合加載下的 P９２鋼蠕變行為進(jìn)

行有限元模擬,并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,分析了多軸度對(duì)P９２鋼應(yīng)力分布和損傷發(fā)展的影響.

１ 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)原料為日本JFE 鋼鐵公司生產(chǎn)的 ASTMA３３５GRADEP９２鋼,熱處理工藝為１０５０ ℃保溫２０min正火,７８５ ℃保溫６０min回火,化學(xué)成分如表１所示.

多軸蠕變?cè)嚇拥男螤詈统叽缛鐖D１所示:該試樣由管上端及封頭、中部、下端及封頭、填充芯棒等４部分組成;上端與中部、下端與中部均通過(guò)焊接方式連接;下端有與內(nèi)壓加載系統(tǒng)連接的通氣孔以及與中部連接的導(dǎo)管,試樣上下端通過(guò)機(jī)械螺紋與蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)連接.

多軸蠕變?cè)囼?yàn)系統(tǒng)包括壓力加載系統(tǒng)和拉力加載系統(tǒng)兩個(gè)部分,如圖２所示.壓力加載系統(tǒng)通過(guò)增壓泵將氮?dú)饧訅旱街付▔毫笞⑷朐嚇觾?nèi)部,并保持試驗(yàn)過(guò)程中壓力波動(dòng)范圍不超過(guò)±１％.拉力加載系統(tǒng)由力學(xué)加載部分和加熱爐部分組成,試驗(yàn)過(guò)程中拉力波動(dòng)范圍不超過(guò)±１％,試樣中部的溫度變化范圍不超過(guò)±３ ℃.試驗(yàn)過(guò)程中采用引伸計(jì)測(cè)得試樣軸向方向的變形情況.材料的應(yīng)力狀態(tài)可以用多軸度來(lái)衡量,多軸度是一個(gè)無(wú)量綱量,一般定義為靜水應(yīng)力與等效應(yīng)力之比[１１].為研究多軸應(yīng)力對(duì) P９２鋼蠕變行為的影響,作者選取如表２所示的３組載荷組合,在６５０℃下進(jìn)行多軸蠕變?cè)囼?yàn).

試驗(yàn)結(jié)束后測(cè)量試樣斷口的尺寸.在試樣斷口上取厚度約１０mm 的圓環(huán),切割成１/４圓環(huán)試樣,對(duì)其軸向和環(huán)向截面進(jìn)行粗磨、細(xì)磨、拋光,用體積分 數(shù) ４％ 的 硝 酸 酒 精 溶 液 腐 蝕 后,利 用 JSMＧ６４９０LV 型掃描電鏡(SEM)觀察其斷口形貌和顯微組織.

２ 試驗(yàn)結(jié)果

多軸蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)束后,不同載荷組合下的試樣均在標(biāo)距間有效管段中間偏上或偏下位置斷裂.由圖３和表３可知,蠕變?cè)囼?yàn)后試樣斷口處的外徑減小,內(nèi)徑增大,管壁發(fā)生頸縮導(dǎo)致壁厚減薄,最終發(fā)生斷裂.由表３還可以看出:在相同等效應(yīng)力條件

下,內(nèi)壓越大試樣管壁的頸縮量越大,在相同內(nèi)壓條件下,等效應(yīng)力越大管壁的頸縮量越大.由圖４可知:試樣３的外壁等效應(yīng)力最大,最先發(fā)生斷裂;試樣１和試樣２的外壁等效應(yīng)力相同,試樣２先于試樣１斷裂,這說(shuō)明多軸度的增加會(huì)加速P９２鋼的斷裂.

由圖５可知:試樣１斷口中韌窩的尺寸最大、數(shù) 量最少;試樣３斷口中韌窩的數(shù)量最多、尺寸最小; 試樣２斷口中韌窩的數(shù)量和尺寸介于試樣１和試樣 ３之間. 

由圖６可以看出:在試樣１的軸向與環(huán)向截面中孔洞的數(shù)量和尺寸相當(dāng),孔洞基本分布于晶界和馬氏體板條邊界上;試樣２軸向截面中孔洞的數(shù)量比環(huán)向截面中的多,孔洞尺寸也更大,這說(shuō)明增加內(nèi)壓后,垂直于軸向的應(yīng)力增大,導(dǎo)致孔洞沿環(huán)向方向長(zhǎng)大,使具有較大多軸度的試樣２比試樣１更早發(fā)生斷裂.綜上可知,多軸度對(duì)蠕變孔洞的生長(zhǎng)具有促進(jìn)作用,從而影響 P９２鋼的蠕變壽命.

３ 有限元分析及討論

KachanovＧRobatnov(KＧR)蠕變模型[１２]常用于描述蠕變第二、第三階段特性,但未考慮蠕變第一階段特性和應(yīng)力的多軸性.在 KＧR 模型的基礎(chǔ)上,加入描述蠕變第一階段特性的方程,并考慮應(yīng)力的多軸性及局部損傷效應(yīng)[１３],改進(jìn)后的 KＧR 蠕變模型為

式中:εcij 為應(yīng)變張量;Sij 為偏應(yīng)力張量;σ１ 為第一主應(yīng)力;σe 為等效應(yīng)力;D 為損傷變量;α 為表征多軸斷裂準(zhǔn)則的材料常數(shù);A,B,m,n０,n,M 和ν均為材料常數(shù);φ 為損傷常數(shù);ρ 為考慮損傷非均勻性的材料常數(shù);t為蠕變時(shí)間.在６５０ ℃、內(nèi)壓和拉伸組合加載下 P９２鋼的蠕變模型參數(shù)如表４所示.考慮多軸蠕變?cè)嚇拥膶?duì)稱(chēng)性,選取其１/４結(jié)構(gòu)作為計(jì)算模型,采用 SOLID１８６平面單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,有限元模型及加載方向如圖７所示.

將改進(jìn)的 KＧR 蠕變模型嵌入到有限元分析軟件 ANSYS中,根據(jù)表４中的模型參數(shù)計(jì)算在內(nèi)壓和拉伸組合加載下試樣的蠕變曲線,并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.由圖８可知,蠕變曲線的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合.因此,該模型可用于模擬在內(nèi)壓

和拉伸組合加載下 P９２鋼的蠕變行為.從有限元模擬結(jié)果中提取試樣外壁等效應(yīng)力、第一主應(yīng)力和多軸度隨時(shí)間的變化曲線,并將時(shí)間做歸一化處理,如圖９所示,圖中tr 為斷裂時(shí)間.由圖９可知:所有試樣外壁等效應(yīng)力和第一主應(yīng)力均在加載初始時(shí)刻瞬間增加到一定值,之后隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸減小;試樣２的外壁多軸度始終大于試樣１和試樣３的,試樣３的外壁多軸度介于試樣１和試樣２的之間.

在軸向拉伸應(yīng)力１００ MPa、內(nèi)壓１５ MPa條件下 ,不同時(shí)刻的多軸度、等效應(yīng)力、第一主應(yīng)力和靜水應(yīng)力沿壁厚的變化曲線如圖１０所示,圖中 Ri 為內(nèi)徑,Ro 為外徑,r 為管壁不同厚度處的半徑.由圖１０可知:外壁多軸度大于內(nèi)壁的,在蠕變

第一階段和第二階段,多軸度基本不隨試樣壁厚的變化而變化,在蠕變第三階段,損傷累積導(dǎo)致應(yīng)力重新分布,多軸度也隨之變化;在蠕變初始階段,等效應(yīng)力、第一主應(yīng)力和靜水應(yīng)力沿壁厚分布不均勻,外壁的第一主應(yīng)力和靜水壓力均大于內(nèi)壁的,外壁的等效應(yīng)力小于內(nèi)壁的;在蠕變過(guò)程中,內(nèi)壁的這３種應(yīng)力均先減小,之后維持在一個(gè)穩(wěn)定范圍,并且在蠕變斷裂時(shí)刻突然增大;外壁的這３種應(yīng)力均先增大,之 后維持在一個(gè)穩(wěn)定范圍,并且在蠕變斷裂時(shí)刻突然減小,這說(shuō)明此時(shí)試樣外壁已經(jīng)變形失效.在蠕變過(guò)程中,試樣在半徑約為１１．２５mm 處的多軸度、等效應(yīng)力、第一主應(yīng)力和靜水應(yīng)力基本不隨時(shí)間而變化,即為該試驗(yàn)條件下試樣的骨點(diǎn)[１４Ｇ１５].

圖１１為試樣３有效管段損傷隨時(shí)間的分布,其中左側(cè)為試樣內(nèi)壁,右側(cè)為外壁.由圖１１可知:試樣有效管段的損傷沿壁厚分布不均勻,由于外壁的多軸度大于內(nèi)壁的,使得外壁損傷的增長(zhǎng)速率大于內(nèi)壁處的.隨著損傷的進(jìn)行,外壁產(chǎn)生裂紋,試樣的承載能力下降,應(yīng)力重新分布,內(nèi)壁的等效應(yīng)力和第一應(yīng)力增加,外壁的減小,最終導(dǎo)致試樣斷裂.綜上所述,多軸度影響應(yīng)力的分布,進(jìn)而影響損傷的分布,多軸度大的位置其損傷程度也大,從而導(dǎo)致試樣在該位置失效.

４ 結(jié) 論

(１)在內(nèi)壓和拉伸組合加載下,當(dāng)外壁等效應(yīng)力相同時(shí),多軸度越大,P９２鋼的蠕變壽命越短;多軸度對(duì) P９２鋼蠕變孔洞的生長(zhǎng)具有促進(jìn)作用.

(２)采用改進(jìn)的 KＧR 蠕變模型對(duì)６５０ ℃、內(nèi)壓和拉伸組合加載下 P９２鋼的蠕變行為進(jìn)行有限元模擬,模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合,該模型可以準(zhǔn)確描述 P９２鋼的蠕變行為.

(３)在蠕變過(guò)程中,多軸度影響應(yīng)力的分布,進(jìn)而影響損 傷 的 分 布,多 軸 度 大 的 位 置 其 損 傷 程度也大.

（文章來(lái)源：材料與測(cè)試網(wǎng)-機(jī)械工程材料 > 2018年 > 3期 > pp.74）