T91/TP347H异种钢焊接接头蠕变行为分析及寿命预测
2021-08-23刘川槐潘卫国纪冬梅
曹 宇，刘川槐，潘卫国，纪冬梅
(1. 上海电力大学 能源与机械工程学院， 上海 200090； 2. 淮浙电力有限责任公司凤台发电分公司， 浙江凤台 232131)
抗蠕变和抗氧化性能高的马氏体和奥氏体耐热钢接头被广泛用于锅炉过热器和再热器管道等[1]。T91/TP347H异种钢焊接接头服役于高温高压环境，在长期服役过程中，蠕变破坏是接头失效的主要原因，因此进行接头蠕变行为的研究有重要意义[2-3]。
蠕变曲线可用来描述恒定应力和温度下蠕变应变随时间的变化情况。典型的蠕变曲线可分为3个阶段。第1阶段，蠕变速率随时间降低；第2阶段，蠕变速率基本保持不变；第3阶段，蠕变速率随时间急剧升高。蠕变模型包括Norton方程[4]、L-M外推法[5]、Monkman and Grant公式[6]、CDM模型[7]、θ投影模型[8]、R-K方程[9]和Dyson-Mclean[10]等，其中θ投影模型能较为准确地描述一般情况下蠕变曲线的形状，但针对的是恒应力工况，在处理某些特定高温材料的蠕变曲线以及实验条件为恒载荷时，可能出现预测精度不高的问题。因此，提出了多个基于θ投影模型的修正模型[11]，具体改进方法如下：改进传统θ模型的蠕变应变硬化项[12-14]；改进传统θ模型的整体形式[15]；改进传统θ模型的使用方法[10]。
笔者针对某电厂的T91/TP347H异种钢焊接接头设计非标准试样，在不同应力下开展高温蠕变实验。由于标准的蠕变实验周期过长，为加快实验进程，设置了较高的加载应力，但仍在定义的蠕变范围内，可以反映材料的蠕变性能。利用实验数据，结合修正的θ投影模型和蠕变断裂经验公式，推导出最小蠕变速率公式，提出T91/TP347H异种钢焊接接头的蠕变寿命预测模型，证明了建立该模型的可行性，为工程应用与推广提供依据。
1 材料与实验过程
图1为加工前T91/TP347H异种钢焊接接头管材示意图，管材直径为45 mm、壁厚为12 mm，采用全氩弧焊焊接，填充材料为ERNiCr-3。设计的蠕变试样见图2，加工后实验前后试样见图3，焊缝位于试样中部。各材料的化学成分分别见表1～表3。实验在带加热炉的GWT2504高温蠕变持久实验机上完成。3个测量试样温度的热电偶分别位于试样的顶部、中心和底部，测量段的温度波动范围控制在±3 K。实验中加载速率保持一致。
图1 加工前T91/TP347H异种钢焊接接头管材
图2 蠕变试样设计图Fig.2 Design drawing of the creep sample
图3 实验前后试样示意图Fig.3 Sample diagram before and after experiment
表1 T91钢的化学成分Tab.1 Chemical compositions of the T91 steel %
表2 TP347H钢的化学成分Tab.2 Chemical compositions of the TP347H steel %
表3 填充材料的化学成分Tab.3 Chemical compositions of the filling material %
2 实验结果分析
2.1 应力的影响
表4给出了T91/TP347H异种钢焊接接头的蠕变实验结果。由表4可知，初始应力相同时，蠕变寿命随应力的增大而缩短，符合纯金属材料蠕变行为的一般规律[16]。图4给出了不同应力下T91/TP347H异种钢焊接接头蠕变应变的变化。相比于应力从180 MPa减小至160 MPa，当应力从160 MPa减小至140 MPa时，蠕变寿命可延长40 h。随着应力的增大，延伸率和断面收缩率均有所提高，且应力越大，增幅越大。从图4可以看出，断裂几乎均发生在蠕变应变为8%左右，其中蠕变第2阶段占比很大，符合一般蠕变规律[16]。图5给出了在保载期间不同应力下T91/TP347H异种钢焊接接头蠕变速率的变化。对于该材料，不同应力对应的最低蠕变速率相差不大，应力越大，蠕变速率变化越快。
表4 T91/TP347H异种钢焊接接头的蠕变实验结果Tab.4 Creep test results of T91/TP347H dissimilar steel welded joints
图4 不同应力下T91/TP347H异种钢焊接接头的蠕变应变Fig.4 Creep strain of T91/TP347H dissimilar welded joints under different stresses
图5 不同应力下T91/TP347H异种钢焊接接头的蠕变速率Fig.5 Creep rates of T91/TP347H dissimilar steel welded joints under different stresses
2.2 初始应力的影响
如表4和图4所示，当初始应力相同(700 N)时，在160 MPa应力下蠕变曲线第3阶段处于180 MPa与140 MPa应力下的蠕变曲线之间，且更接近高应力侧，根据上述规律，170 MPa应力对应的蠕变曲线处于180 MPa与160 MPa的蠕变曲线之间，且更接近180 MPa应力侧。
结合表4、图4和图5可知，初始应力为300 N时加载应力为170 MPa的蠕变曲线第1和第2阶段处于160 MPa应力对应的蠕变曲线下方，只有蠕变曲线第3阶段处于180 MPa与160 MPa应力对应的蠕变曲线之间，且其断裂应变最小。不同应力下蠕变速率的变化规律与蠕变曲线类似。由此可知，初始应力会影响材料的蠕变性能，尤其是蠕变曲线的第3阶段，笔者推测初始应力越大，材料蠕变寿命越短。
3 修正的θ投影模型
3.1 修正的θ投影模型的建立
T91/TP347H异种钢焊接接头作为一种特定材料，目前没有相应的蠕变寿命模型，其高温蠕变曲线具有明显的蠕变特征，因此建立修正的θ投影模型来预测其蠕变寿命。
θ投影模型中忽略了蠕变曲线的第2阶段，具体形式[17]如下：
ε=θ1[1-exp(-θ2t)]+θ3[exp(θ4t)-1]
(1)
lgθi=ai+biT+ciσ+diTσ
(2)
式中：ε为总应变；t为时间；θi为应力σ和温度T的函数，i=1,2,3,4；ai、bi、ci和di均为材料常数。
由图4可以看出，T91/TP347H异种钢焊接接头蠕变曲线的第1阶段较短，第2阶段蠕变速率平稳上升，第3阶段蠕变速率迅速上升，因此θ投影模型不能很好地模拟其蠕变过程。根据蠕变曲线，采用幂指函数描述蠕变曲线第1和第2阶段，采用θ投影模型描述蠕变曲线第3阶段。
ε=θ1tθ2+θ3[exp(θ4t)-1]
(3)
将式(3)进行求导可得到蠕变速率，进而将其与蠕变速率实验值进行对比验证。
3.2 结果与讨论
如图6所示，采用修正的θ投影模型得到的蠕变曲线拟合值与实验值非常符合。由图7可知，采用修正的θ投影模型得到的蠕变速率拟合值与实验值也很接近。因此，用幂指函数描述蠕变曲线第1和第2阶段是可行的，此修正的θ投影模型可以合理描述T91/TP347H异种钢焊接接头的蠕变行为。具体拟合参数见表5。
图6 采用修正的θ投影模型得到的蠕变应变拟合值与 实验值的对比
图7 采用修正的θ投影模型得到的蠕变速率拟合值与 实验值的对比
表5 修正的θ投影模型的拟合参数取值Tab.5 Fitting parameters obtained by modified θ projection model
由于实验时未考虑温度对蠕变行为的影响，因此修正的θ投影模型拟合参数θi仅与应力相关。
lgθi=ai+biσ
(4)
修正的θ投影模型的材料常数取值见表6。
表6 修正的θ投影模型的材料常数取值Tab.6 Values of material constant obtained by modified θ projection model
3.3 蠕变寿命的预测
(5)
式中：C为材料常数，取值为1.02。
通过修正的θ投影模型可得到最小蠕变速率和应力之间的关系，结合式(5)可直接建立应力与断裂时间的关系，从而达到预测蠕变寿命的目的。
蠕变速率随时间的变化为：
(6)
进一步对蠕变速率求导，可得：
(7)
θ1θ2(1-θ2)tθ2-2=θ3θ4exp(θ4t)
(8)
由θ1～θ4可知，式(8)两侧均为正，两端取对数，整理得：
(9)
(10)
由于修正的θ投影模型本身存在预测误差，因此需通过耦合系数K来提高模型的预测能力。建立的蠕变寿命预测模型如下：
(11)
耦合系数由材料性能决定，将180 MPa应力下实验所得最小蠕变速率与蠕变寿命预测模型得到的最小蠕变速率进行比较，得到K=7.529 8，并用160 MPa和140 MPa应力下的实验值验证K值的准确性，结果见图8。
图8 预测蠕变寿命与真实蠕变寿命的对比Fig.8 Comparison of creep life between predicted values and true values
由图8可知，采用带有耦合系数的蠕变寿命预测模型得到的160 MPa和140 MPa应力下预测蠕变寿命拟合值与实验值之间的误差分别为3.7%和4.36%，均处于可接受范围，因此验证了所提出的蠕变寿命预测模型的可靠性。
4 结 论
(1) 修正的θ投影模型可以很好地描述T91/TP347H异种钢焊接接头在不同应力下的蠕变行为。
(2) 推测初始应力越高，蠕变寿命越短，且初始应力对蠕变曲线第3阶段的影响较为明显。
(3) 提出了T91/TP347H异种钢焊接接头的蠕变寿命模型，验证了其可靠性，证明该蠕变寿命预测模型方法的可行性。
