P92钢焊缝蠕变—疲劳损伤的安全评定方法研究

刘天佐+++张传清++陈冠兴++魏玉忠

摘 要：本文以P92钢为研究对象，在610℃下进行应力控制的蠕变—疲劳损伤裂纹扩展试验，从而获得了蠕变-疲劳裂纹扩展速率，同时，结合P92钢焊缝蠕变与拉伸试验，构建了P92钢焊缝与TDFAD失效评定曲线，通过这些实验最终得出P92蠕变-疲劳损伤下裂纹扩展試验断裂机制是由蠕变控制的，且扩展速率与高温断裂参量C*的关联曲线具有一定关系，希望通过本文的研究能够为P92钢在工业当中的安全运用提供参考依据。

关键词：P92钢焊缝；蠕变—疲劳损伤；裂纹扩展；高温断裂参量

中图分类号：TG407 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）07-0061-02

在当前能源与环境的双重压力下，发展高效、节能、大容量、洁净环保、可靠性高的火力发电技术，不仅能够满足国民经济快速发展对电力的迫切需要，而且能够应对来自环境保护方面的日益严峻的要求和挑战。并且随着大型装置的服役温度和压力的提高，对设备装置运行时的安全可靠性提出了更高的要求。在高温下，金属结构蠕变和疲劳断裂成为主要的失效形式，因此研究裂纹尖端应力场的断裂参量，能够准确控制断裂时间，避免生产事故的发生。

1 蠕变-疲劳损伤裂纹扩展试验

1.1 初始裂纹长度a0修正

根据GB/T 21143-2007《金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法》，测量初始裂纹长度时，应该测量到疲劳裂纹的尖端，修正后的裂纹初始长度如下表1所示，其中ΔK表示应力强度因子：

1.2 裂纹长度测量与裂纹扩展速率确定

用直流电位法测量蠕变裂纹扩展量，得到裂纹扩展量与时间的关系曲线，其无量纲表达式为：

（1）

式中：a是裂纹长度；a0是初始裂纹长度；U0是所对应a0时刻所测量的电位势；y是试样中心线上两侧点之间距离的一半长；W是试样宽度一半的长度。经过简单的计算之后，裂纹的扩展。裂纹扩展的计算是在a-N曲线上，按公式

计算可得平均裂纹长度。

1.3 裂纹扩展试验结果

由图1和图2可知，当ΔK=16 MPa.m1/2时，同样以裂纹扩展0.2mm作为P92钢焊缝的蠕变-疲劳损伤裂纹起裂，15h后进入裂纹稳定扩展阶段，65h以后进入蠕变裂纹快速扩展阶段，直至试样断裂。当ΔK=14MPa.m1/2时，以裂纹扩展0.2mm作为P92钢焊缝的蠕变-疲劳损伤裂纹起裂，40h后进入裂纹稳定扩展阶段，270h后进入裂纹快速扩展阶段，直至试样断裂。

2 蠕变-疲劳裂纹扩展速率与高温断裂参量

笔者通过相关文献得知，通过对试样断口进行SEM观测，对试样断口进行分析，可以判断试样在蠕变-疲劳损伤下的损伤与断裂机制。由相关数据研究得知，蠕变-疲劳损伤下裂纹扩展为蠕变控制为主的断裂行为。故可以采用高温断裂力学参量C*进行表征。

（2）

其中：n是材料的蠕变系数，是加载位移速率的蠕变分量。根据以上裂纹扩展速率和高温断裂参量C*的计算方法，可以获得蠕变-疲劳损伤下裂纹扩展速率与高温断裂参量的关联曲线，如下图3、图4。

3 P92钢焊缝蠕变条件下TDFAD的构建

目前与时间相关失效评定图（TDFAD）方法主要是用于蠕变主控条件下的裂纹起裂评定，本试验中的失效评定曲线去下图5所示，随着时间的增加，失效评定曲线有下降的趋势，并且曲线形状也发生变化。由此表明，P92高温蠕变现象对结构安全评定有明显的影响。因此，对含裂纹P92结构进行安全评定时，选择考虑蠕变影响的TDFAD才能得到更安全的结果。

4 结语

（1）采用直流电位法对P92钢焊缝610℃高温下进行蠕变-疲劳损伤下裂纹扩展测试，蠕变裂纹扩展主要特征可划分为二个阶段：孕育阶段：在此阶段内裂纹几乎不扩展或扩展甚小；扩展阶段：此时随时间增长裂纹逐渐扩展，继续增加时间，则裂纹快速增长直至试样完全断裂。

（2）通过对试样断口分析，断口处并未发现疲劳辉纹，也未见由于疲劳作用导致蠕变孔洞相连形成的二次裂纹迹象，均为典型的蠕变韧窝状断口，该蠕变-疲劳裂纹扩展试验均是以蠕变控制为主的断裂行为。

（3）采用高温断裂力学参量C*对P92钢焊缝在610℃高温下的断裂行为进行表征。所有的da/dt与C*的关系曲线中均出现了一个反向“勾”状阶段，该阶段对应着蠕变裂纹扩展的孕育期，此时裂纹扩展速率的值均小于稳定蠕变扩展阶段的。

（4）采用修正R6中Option2的方法，构建了P92钢焊缝高温下的TDFAD失效评定图，P92高温蠕变现象对结构安全评定有明显的影响。对含裂纹P92结构进行安全评定时，选择考虑蠕变影响的TDFAD才能得到更安全的结果。