侧槽对9Cr1Mo钢蠕变裂纹扩展行为的影响

2021-01-18陈健飞蒋文春张玉财王振波张玉福苏厚德裴二阳

化工机械 2020年6期

陈健飞蒋文春张玉财王振波张玉福苏厚德裴二阳

（1.中国石油大学（华东）新能源学院；2.中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司技术检测中心；3.甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司；4.中国机械工业联合会）

我国以煤炭为主要发电能源，燃料消耗量大且利用率低，导致温室气体排放加剧。为达到减少温室气体排放量、提高能源转化率的目标，今后我国火力发电机组的运转工况将向着更高温度、更高压力的方向发展。而高温高压给超临界火电机组的发展带来的关键技术难题之一就是保证特种设备构件所用金属材料在极端恶劣条件下的服役寿命［1］。 9Cr1Mo钢作为马氏体耐热钢的代表性钢种，已广泛应用在大容积、高效率的新型火电设备中。由于在高温、高压操作工况下，设备部分区域往往存在热量积聚，9Cr1Mo钢在这些热量积聚区容易发生失效，所以在高温复杂载荷的情况下，蠕变及蠕变损伤导致的裂纹扩展是金属构件的主要失效形式之一［2］。因此，研究600℃以上9Cr1Mo钢的蠕变裂纹扩展行为对于提升电厂生产安全性，保障服役过程中超（超）临界火电机组的平稳可靠运转、操作人员的人身安全和改善温室效应，具有十分重要的意义。

笔者以三维CT试样为研究对象，分析比较侧槽对CT试样蠕变扩展行为的影响，并对不同侧槽深度和角度的蠕变裂纹扩展行为进行研究。

1 研究现状

裂尖拘束是影响材料断裂行为的重要因素［3～10］。目前，国内外学者已对影响蠕变裂纹扩展（CCG）行为的面内、面外拘束进行了大量研究分析，拘束的影响因素通常包括试样的几何尺寸、初始裂纹深度、试样厚度及加载方式等。这些拘束因素首先影响裂纹尖端前的应力应变场，进而影响材料的蠕变断裂行为。王国珍等选取Cr-Mo-V钢作为实验材料，通过实验研究发现在同一蠕变断裂参量C*下，试样厚度的增大或者裂纹深度的增大，都会使得CCG速率增大［11］。赵雷采用可作为超超临界火力发电机核心部件材料的P92钢，通过选取不同初始裂纹深度的CT试样进行蠕变裂纹扩展试验，结果表明：对于不同初始裂纹深度的CT试样，当裂纹长度与试样宽度的比值a0/W<0.7时，CCG速率随裂纹深度的增大而增大［12］。杨杰通过有限元模拟发现，面外拘束效应与面内拘束效应相关，二者存在交互作用，CT试样中的高面内拘束会使得面外拘束效应增强［13］。

Hyde T H等在对无槽口的CT试样进行试验时发现裂纹尖端区域出现了明显的隧道效应，通过在试样两侧开深度为10%的槽口，能明显减弱这种现象［14］。 He J Z等通过对有槽口的Cr-Mo-V钢进行有限元分析，发现随着槽口深度的增大，由于裂纹前缘等效应力和应力三轴度的增大，CCG速率增大［15］。 Zhang S和Takahashi Y选取不同厚度的CT试样进行槽口对裂纹尖端应力场分布的影响研究，结果显示：当试样厚度增大时，裂纹尖端的平均C*值减小；试样中槽口因素会减小厚度对试样厚度方向C*值分布的影响［16］。何滨通过有限元模拟发现P91钢CT试样有、无槽口均对裂纹尖端的轮廓形貌影响很大［17］：在有槽口的试样中，由于槽口区域应力集中加速裂纹扩展，故试样槽口区域裂纹扩展长度要大于试样厚度中心区域；而对于无槽口的试样，其厚度方向上的裂纹长度要大于试样表面区域。虽然拘束效应也包含试样侧槽影响，但至今缺乏关于9Cr1Mo钢蠕变裂纹扩展行为影响的系统性分析研究。

2 建模

2.1 有限元模型

根据标准ASTM E1457，笔者选择CT试样进行仿真分析，其几何结构如图1所示。

图1 CT试样几何结构示意图

表1 CT试样的几何参数

在ABAQUS中依据试样的几何参数建立三维有限元模型并进行网格划分，如图2所示。由于几何模型具有对称性，因此只建立CT试样的1/4模型即可。该模型共有17 040个网格，单元长度为100μm。有限元分析中，在销钉孔中心设置参考点并与孔内表面设置运动耦合，载荷施加在该参考点位置以模拟实际销钉加载情况。底部对称面关于y轴对称，侧面韧带区域对称面关于z轴对称，在试样耦合参考点上施加x、z方向位移约束以获取CT试样力学响应，如图3所示。

2.2 蠕变损伤力学模型及材料参数

9Cr1Mo钢在有限元模拟中的总应变εt由3部分组成：

图2 9Cr1Mo钢CT试样三维有限元模型及网格划分

图3 9Cr1Mo钢CT试样三维模型边界条件

式中 A——与材料有关的蠕变参数；

n——蠕变指数；

S——偏应力张量；

σ1——最大主应力；

σeq——Mises应力；

β——与应力无关的材料参数；

ρ——微裂纹损伤参数；

对于式（5）中的多轴蠕变断裂应变，笔者运用修正后的损伤演化模型来分析600℃下9Cr1Mo钢的蠕变损伤，计算式如下：

其中，εf为单轴蠕变断裂应变，σm为材料内静水应力。经试验验证，式（6）能够较好地模拟材料在多轴应力状态下的蠕变裂纹扩展行为［20］。

600℃时9Cr1Mo钢的材料参数如下：

弹性模量E 160GPa

屈服强度σs300MPa

A 4.213×10-22MPa-n/h

n 8.55

单轴蠕变断裂应变εf24%

3 结果和讨论

3.1 9Cr1Mo钢蠕变裂纹扩展的演化规律

图4 CT1试样的蠕变裂纹扩展情况（有侧槽）

应力分析路径Path如图5所示，位于CT试样底部靠近侧槽处。图6为CT1试样蠕变裂纹扩展过程中，其最大主应力和Mises应力随时间沿路径Path的变化曲线。当t=0h时，即未加外部载荷时，路径上的应力均为0。当t=193h时，最大主应力增至190MPa。在裂纹扩展前，随着时间的推移，最大主应力的峰值降低，且出现的位置向前发展，这是由于材料出现了应力松弛现象。当t=2188h时，最大主应力在裂纹尖端处出现双峰值现象，可以理解为形成了新的裂纹尖端，即在初始裂纹尖端再次发生了裂纹扩展，但最大主应力的峰值位置依旧位于裂纹尖端前。当t=6688h时，裂纹的扩展使得裂纹尖端前的最大主应力和Mises应力较之前的应力有大幅提升。通过最大主应力的变化趋势可以得出，最大主应力的峰值始终位于裂纹尖端前面的某一区域内。

图5 应力分析路径Path

图6 CT1试样蠕变过程中应力随时间沿路径Path的变化曲线

3.2 侧槽深度对蠕变裂纹扩展的影响

为保证初始应力状态相同，d=0.5mm的情况下施加载荷为1 423N，d=0.8mm的情况下施加载荷为1 375N，d=1.0mm 的情况下施加载荷为1 342N，3种情况下蠕变裂纹长度随时间的变化曲线如图7所示。由图7可以看出，侧槽深度1.0mm时的裂纹起始时间最短、0.5mm次之、0.8mm最长。从3条曲线的斜率可以看出，侧槽深度0.8mm时的蠕变裂纹随时间的变化率最大、1.0mm 次之、0.5mm最小。由此可见，侧槽深度对9Cr1Mo钢的蠕变裂纹扩展速率有显著影响，但对路径Path上的应力分布影响不大。

3.3 侧槽角度对蠕变裂纹扩展的影响

图7 不同侧槽深度下蠕变裂纹长度随时间的变化曲线

由于不同侧槽角度α下的初始应力强度因子相同，故施加载荷均为1 342N，3种情况下蠕变裂纹长度随时间的变化曲线如图8所示。由图8可以看出，侧槽角度60°时的裂纹起始时间最短、40°次之、80°最长。从3条曲线的斜率可以看出，侧槽角度80°时的蠕变裂纹随时间的变化率最大、60°次之、40°最小。由此可见，侧槽角度对9Cr1Mo钢的蠕变裂纹扩展速率有一定影响，但对路径Path上的应力分布影响不大。