T/P 91钢持久强度评估方法分析

2021-07-20孙林根梅林波陆翌昕

热力透平 2021年2期

孙林根，梅林波，陆翌昕

(上海电气电站设备有限公司汽轮机厂，上海 200240)

T91小口径钢管和P91大口径钢管是美国20世纪70年代研制成功的火力发电厂锅炉蒸汽管道、集热箱、再热器、蒸汽导管等用热强钢[1]。T/P 91钢具有优异的高温力学性能和焊接工艺性，在国内外超超临界火力发电机组中具有广泛的应用[2]。

T/P 91钢在服役过程中的可靠性和使用寿命备受关注，探索温度、应力对其组织结构和性能的影响成为国内外制造商、研究机构关注的焦点[3]。持久强度是反映材料高温强度、抗氧化、组织稳定性等性能的综合性指标，是选材、设计以及剩余寿命评估的重要指标。国内外研究机构针对T/P 91钢的持久性能开展了大量的测试与研究工作[4-5]。

本文基于公开发表的国内外T/P 91钢持久试验实测数据进行持久强度评估方法的研究，针对不同方法的外推结果进行讨论，分析每种方法的优缺点。本文的研究结论具有普适性，可为一般金属材料持久强度处理及外推方法的选择和评估提供参考。

1 持久数据

本文使用的持久数据来自国内外研究机构公开发表的T/P 91钢管实测数据[6-8]，测试温度为450～700 ℃，共计1 681个数据点，具体温度和寿命的统计如表1所示，其中最长断裂时间超过了17万h。

表1 T/P 91钢数据量分布

2 持久强度评估

2.1 Larson-Miller参数法

时间-温度参数(Time-Temperature Parameter,TTP)法是金属材料持久强度处理和外推的常用方法，其中以Larson-Miller参数法应用最为广泛[9]。Larson-Miller参数P的表达式为：

P=T(lgtr+C)

(1)

式中：T为温度，K；tr为持久寿命，h；C为常数项。

目前，Larson-Miller参数法方程有2种形式：

P=a0+a1×lgσ+a2×lgσ2+…+

an×lgσn

(2)

lgσ=b0+b1×P+b2×P2+…+bn×Pn

(3)

式中：σ为应力，MPa。一般多项式次数不超过3次。

式(2)方程形式符合持久试验的物理过程，应力σ为自变量，而参数P中的寿命tr为因变量。实际工程应用过程中，需要根据材料服役温度下10万h、20万h乃至30万h的持久强度选材和产品设计，故式(3)方程形式在工程应用上更加便捷。

2.1.1 常数C的影响

在Larson-Miller参数法中，常数C对拟合结果影响很大，其与材料成分、加工工艺、方程形式都有关。

图1和图2为上述2种Larson-Miller参数法方程形式在不同常数C情况下的持久强度拟合曲线，均采用2次方拟合，计算得到600 ℃、10万h和20万h持久强度结果，如表2、表3所示。

图1 不同常数C的持久曲线(P=f(lgσ))

图2 不同常数C的持久曲线(lgσ=f(P))

表2 P=f(lgσ)下常数C对持久强度外推结果的影响

表3 lgσ=f(P)下常数C对持久强度外推结果的影响

从表2、表3可以看出，

1)随着常数C的提高，持久强度的计算结果也逐步升高；

2)2种Larson-Miller参数法方程形式的计算结果基本相当。

2.1.2最佳常数C的确定

基于最佳拟合优度的原则，分别确定了2种方程形式的最佳常数C值：

P=f(lgσ)方程的最佳C值为28.58；

lgσ=f(P)方程的最佳C值为32.49。

分别按照最佳常数C值进行T/P91钢持久强度数据的处理，结果如图3和图4所示。

图3 最佳常数C的持久曲线(P=f(lgσ))

图4 最佳常数C的持久曲线(lgσ=f(P))

基于上述拟合结果，计算得到T/P 91钢的持久强度见表4。

表4 基于最佳常数C的Larson-Miller参数法的持久强度

可见，Larson-Miller参数法方程形式对最佳常数C值有明显影响，进而对持久强度的计算结果产生一定的影响。

2.2 等温法

等温法基于单个温度的持久试验数据，按式(4)方程进行拟合，因其操作简单、结果直观，目前也具有广泛的工程应用。

lgσ=f(lgtr)

(4)

工程上一般使用双对数直线拟合，处理结果如图5所示。

图5 等温法持久曲线

基于上述拟合结果，计算得到的T/P 91钢持久强度如表5所示。

表5 等温双对数直线拟合法得到的持久强度

3 讨论

通过表4和表5对比可以看出，不管采用何种方程形式，Larson-Miller参数法的计算结果均略低于等温法。

图6至图8分别为Larson-Miller参数法和等温法持久强度计算结果的评估。

图6 持久强度计算结果评估(P=f(lgσ))

从图6至图8中可以看出：

1)不论哪种计算方法，在相对短的寿命区域内，计算误差分布均匀；但在长寿命区域，计算寿命都大于实际寿命，即3种计算方法都不同程度人为提高了T/P 91钢的长时持久强度。

2)P=f(lgσ)方程形式的Larson-Miller参数法的计算结果都在10倍寿命分散带中，如图6所示。

3)lgσ=f(P)方程形式的Larson-Miller参数法的计算结果大部分都在10倍寿命分散带中，少部分长时数据超过10倍分散带，但都在30倍分散带中，如图7所示。

图7 持久强度计算结果评估(lgσ=f(P))

4)等温法的计算结果有较多的长时数据溢出10倍分散带，最多达到了100倍的偏差，如图8所示。

图8 持久强度计算结果评估(等温法)

Larson-Miller参数法具有比等温法更合理的持久强度计算结果，并且Larson-Miller参数法也具有等温法不具备的灵活性，可以计算不同温度下的持久强度。但是需要注意的是，在Larson-Miller参数法的处理过程中，认为温度和时间在材料持久性能中的作用可以相互替代，这就要求材料在不同温度下都属于同一种蠕变机制。若材料蠕变机制发生改变，则Larson-Miller参数法将变成没有任何物理意义的纯数学计算。

国内外学者[7-8,10]分别从Al、Ni、N等元素以及长时组织演变方面入手，开展了T/P 91钢长时持久强度下降的原因分析，目前尚没有统一的结论。

针对T/P 91钢持久强度的计算方法，国内外学者也提出了删除短时(500 h或1 000 h以内)持久试验数据和分区拟合等方法，其目的都是提高长时持久试验数据在性能评估中的作用。