利用小冲杆试验技术评估P92钢拉伸性能

侍克献， 杨昌顺， 邵新中， 王苗苗， 田根起， 王延峰

(1. 上海发电设备成套设计研究院有限责任公司， 上海 200240;2. 江苏银环精密钢管有限公司， 江苏无锡 214207)

随着国内新建火电机组数量的逐年下降和电力需求的日益饱和，更加安全和经济地运行现役火电机组成为行业共识。服役在高温和高压环境下的主蒸汽管道是火电厂最重要的部件之一，其制造成本高、更换代价大，而且对运行安全性的要求也非常高，因此开展主蒸汽管道的安全评价和寿命评估是火电站的一项重要工作，这其中的关键是准确获取主蒸汽管道材料服役状态下的性能数据，而基于微损取样的小冲杆试验技术在在役部件材料性能评估方面具有很大的潜力。

小冲杆试验技术最早于20世纪80年代被用于评估核反应堆辐照损伤对材料性能的影响[1-2]，由于其试样尺寸远小于标准试样，降低了辐照不均对试验结果的影响及取样对在役部件造成的损伤，并且有效地降低了辐照费用。随后，各国研究者把这项技术应用到了在役部件及诸如焊缝和热影响区等难以获取标准试样的部位，评价材料强度、韧脆转变温度和断裂韧性等性能[3-5]。随着试验技术逐渐发展成熟，欧洲和中国分别发布了关于小冲杆试验方法的标准——CWA 15267—2007 《金属材料小冲杆试验方法》和GB/T 29459—2012 《在役承压设备金属材料小冲杆试验方法》。

P92钢是超超临界火电机组的关键材料之一，主要用于制造主蒸汽管道和锅炉集箱等部件。P92钢相比于其他铁素体钢，具有更高的高温强度和蠕变性能，以及良好的抗氧化和抗腐蚀性能。目前，国产P92钢厚壁管已实现了工程化应用，有效地打破了进口P92钢管在中国市场的垄断地位。笔者对国内某公司生产的P92钢主蒸汽管道用大口径厚壁管(简称P92厚壁管)进行取样，采用小冲杆试验技术对其拉伸性能开展试验研究。

1 试验材料

该公司采用热挤压工艺生产P92厚壁管，钢管的直径为457 mm、壁厚为90 mm。采用的热处理工艺为正火加回火，显微组织为回火马氏体(见图1)，晶粒度为6～7级，符合GB/T 5310—2017 《高压锅炉用无缝钢管》对P92钢成品钢管的要求。

图1 P92钢的显微组织

表1为P92钢的化学成分。由表1可见，该P92钢化学成分符合ASME SA-335M—2007 《高温用无缝铁素体合金钢管》和GB/T 5310—2017的要求，且有害元素总含量非常低。P92钢的拉伸性能见表2。由表2可见，该P92钢的室温拉伸性能符合ASME SA-335M和GB/T 5310—2017的要求。

表1 P92钢的化学成分 %

表1(续)

表2 国产P92钢的拉伸性能

2 试验方法

小冲杆试验是一种以微型圆片试样为试验对象的力学性能试验。图2是试验夹具的示意图，加载孔位于夹具的中心，加载孔的中心线与加载系统的加载线重合。

图2 夹具示意图

试样安装在下夹具的凹槽中，通过夹紧机构控制上下夹具贴合并给试样圆周施加一个恒定的夹紧力用于固定试样。试验时，加载系统以恒定的速率将尖端安装有半球形冲头的冲杆沿加载线向下挤压试样中心位置，位移传感器通过安装在加载孔中的陶瓷杆测量试样中心的变形量。系统自动记录从冲头接触试样直到试样断裂整个过程的加载载荷和试样中心位移，通过对数据进行分析确定材料的力学性能。

图3是典型的韧性材料小冲杆试验载荷-位移曲线，其中py为屈服载荷，pm为最大载荷，dm为最大载荷位移，dy为屈服载荷位移。根据材料的不同响应特征，可以把曲线划分为6个阶段，具体为[6-7]：区域Ⅰ为以弹性响应为主的弹性弯曲和微观屈服阶段；区域Ⅱ为从弹性阶段向塑性阶段过渡的塑性弯曲和塑性流动阶段；区域Ⅲ为以薄膜拉伸为主的塑性强化阶段；区域Ⅳ为裂纹萌生阶段；区域Ⅴ为裂纹扩展阶段；区域Ⅵ为最终失效阶段。

图3 韧性材料的小冲杆试验载荷-位移曲线

屈服载荷、最大载荷和最大载荷位移等分别与材料的屈服强度、抗拉强度和断后伸长率存在线性关系[3-4,7]，根据小冲杆试验曲线上的特征值可以确定材料的拉伸性能。最大载荷和与其对应的最大载荷位移可以由载荷-位移曲线直接确定，而作为区域Ⅰ和区域Ⅱ的阶段分界点的屈服载荷，确定起来相对复杂，学者们分别提出了双线性法、偏移法、能量法等方法[4,8]，见图4，其中，py_GB为采用双线性法确定的屈服载荷，py_t/10为采用偏移法确定的屈服载荷。

图4 屈服载荷py的确定方法

双线性法通过对弹性阶段和塑性阶段曲线分别进行线性拟合，根据2条直线的交点确定特征值，GB/T 29459—2012和CWA 15627—2007都采用了该方法。偏移法类似于标准拉伸试验中确定屈服强度Rp0.2的方法，通过把载荷-位移曲线的弹性阶段曲线平行偏移t/10确定(t为试样厚度)。相比而言，偏移法比双线性法更容易操作。

材料的屈服强度Rp0.2、抗拉强度Rm和断后伸长率A与小冲杆试验结果中的屈服载荷py、最大载荷pm和最大载荷位移dm、试样厚度t之间存在以下关系[3-4,8]：

A=γdm

(5)

3 试验结果分析

3.1 试验的可重复性

图5是P92钢在室温条件下的重复试验结果，加载速率为0.2 mm/min，试样厚度为0.5 mm，10组试验的载荷-位移曲线比较接近。

图5 室温条件下的10组载荷-位移曲线

图6为室温条件下特征值的分布情况。由图6可以看出：最大载荷、最大载荷位移和屈服载荷的分布都具有较好的均匀性。考虑到材料本身的性能均匀性，试样的加工精度和表面粗糙度，以及试验设备的位移和载荷测量误差等可能带来的影响，可以认为所使用的试验设备和试验方法具有良好的可重复性。

图6 室温条件下的特征值均匀性

3.2 加载速率的影响

CWA 15627—2007推荐的加载速率为0.2～2.0 mm/min，GB/T 29459—2012推荐的加载速率为0.2～0.5 mm/min。图7分别比较了0.2 mm/min、0.5 mm/min和2.0 mm/min 3种加载速率条件下的的载荷-位移曲线。由图7可以看出：室温(25 ℃)和600 ℃条件下加载速率0.2 mm/min和0.5 mm/min的曲线相对比较接近，而加载速率2.0 mm/min的结果尤其是试验最大载荷明显高于前两者。为了进一步提高试验数据的可比性，采用0.2 mm/min的加载速率进行试验。

图7 加载速率的影响

3.3 试样厚度的影响

图8是室温条件下试样厚度分别为0.40 mm、0.45 mm、0.50 mm、0.55 mm和0.60 mm的载荷-位移曲线。由图8可以看出：最大载荷和屈服载荷与试样厚度具有很强的相关性，试样厚度越大，则最大载荷和屈服载荷越大，而最大载荷位移和试样厚度之间则没有明显的相关性。

图8 试样厚度的影响

图9比较了式(1)～式(4)中的变量与试样厚度之间的相关性，其中py_t/10/t2和py_GB/t2与厚度的相关性都比较小，比较而言，py_t/10/t2与厚度的相关性更低一些。由于试样厚度为0.40～0.60 mm，而最大载荷位移为1.3～1.5 mm，

因此t2、t和tdm依次变大，pm/t2、pm/t和pm/(tdm)逐渐变小。同样的，由于试样厚度小于1 mm，式(5)中的变量dm相较于式(6)中变量dm/t，与厚度的相关性明显更低(见图10)。图9和图10所描述的试验结果和文献[8]对CrMoV钢的数值模拟结果是一致的。

图9 py、pm相关参数和试样厚度的相关性

图10 dm相关参数和试样厚度的相关性

因此，在考虑不同试样厚度对估算结果影响的情况下，在式(1)中选择py_t/10/t2来关联P92钢的屈服强度，选择式(3)和式(5)来关联P92钢的抗拉强度和断后伸长率。根据表2中的标准拉伸试验得到的P92钢室温性能来确定各项关联式中的系数，得到以下经验公式：

A=16.72dm

(9)

3.4 试验温度的影响

图11是采用GB/T 29459—2012推荐的0.50 mm试样厚度在不同温度下试验获得的小冲杆试验曲线。由图11可以看出，所有曲线都具有图3所示的韧性材料的载荷-位移曲线特征：随着试验温度的提高，载荷-位移曲线整体向下偏移，试验的最大载荷逐渐降低；最大载荷位移从室温到500 ℃表现出逐渐变小的趋势，从500 ℃到650 ℃又逐渐变大；最大载荷位移所表现出来的塑性，随温度变化趋势和表2中的断后伸长率随温度的变化趋势一致，该趋势和P92钢在不同温度下具有不同的变形机制有关。

图11 不同温度条件下的载荷-位移曲线

图12比较了P92钢25～650 ℃的屈服强度估算结果和实际屈服强度，采用式(7)获得室温下的屈服强度和小冲杆试验特征值的经验关联公式，可以对25～650 ℃的屈服强度进行较好的估算。由图12可以看出：对每个温度下的3个估算结果取平均值，可以提高估算结果的准确性。

图12 屈服强度估算结果比较

采用式(8)获得室温下的抗拉强度和小冲杆试验特征值的经验关联公式，得到的25～650 ℃的抗拉强度估算结果误差相对较大；采用式(9)对25～650 ℃下的断后伸长率估算结果误差更大。这可能是由于P92钢在不同温度下具有不同的变形机制，从而导致最大载荷位移变化规律比较复杂所导致的。在条件允许的情况下，通过试验获取每个温度条件下经验关联公式，可以改善估算结果的准确性。

经过比较发现，在试样厚度确定的情况下，采用pm/t2形式拟合，对不同温度下的抗拉强度进行估算，可以有效地降低估算误差，即

图13比较了P92钢在25～650 ℃的抗拉强度估算结果和实际抗拉强度，其中，采用式(8)得到估算值1，采用式(10)得到估算值2。由图13可以看出：对每个条件下的3个估算结果取平均值，可以提高估算结果的准确性。

图13 抗拉强度估算结果比较

采用式(7)和式(10)估算P92钢在25～650 ℃下的拉伸性能预测平均值，结果见表3。从表3中可以看出：选用合适的关联公式，小冲杆试验技术可以比较准确地对P92钢在25～650 ℃下的拉伸性能进行估算，在对3个估算结果取平均值后，与实际拉伸性能估算值的相对误差都在10%以下。因此，采用小冲杆试验技术对主蒸汽管道P92钢的拉伸性能进行评估是可行的。

表3 P92钢力学性能的预测值

4 结语

笔者采用基于微损取样的小冲杆试验技术，对国产主蒸汽管道P92钢开展拉伸性能评估的试验研究工作，得出以下结论：

(1) 10组重复性试验的载荷-位移曲线比较接近，最大载荷、最大载荷位移和屈服载荷分布具有较好的均匀性，证明了所使用的试验设备和试验方法具有良好的可重复性。

(2) 加载速率为0.2 mm/min和0.5 mm/min的试验结果比较接近，与加载速率为2.0 mm/min的结果差异比较大。在GB/T 29459—2012推荐的0.2～0.5 mm/min内，选择确定的加载速率，有利于提高试验数据的可比性。

(3) 测试了从0.40 mm、0.45 mm、0.50 mm、0.55 mm和0.60 mm不同厚度的试样，根据不同变量和试样厚度的相关性，在需要考虑各种不同试样厚度的情况下，优先选择变量py_t/10/t2、pm/(tdm)和dm/t来关联屈服强度、抗拉强度和断后伸长率。

(4) 通过试验获得了25 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃、600 ℃和650 ℃条件下的小冲杆试验载荷-位移曲线，采用室温下获得的py_t/10/t2和屈服强度的经验关联公式，可以对25～650 ℃的屈服强度进行较好的估算。采用室温下获得的pm/(tdm)的经验关联公式，对25～650 ℃下的抗拉强度估算结果误差相对较大，而采用pm/t2拟合的关联公式来进行估算，可以有效地降低估算误差。因此，在试样厚度相同的情况下，选择pm/t2来关联抗拉强度，有助于提高在不同温度条件下的估算准确性。

(5) 开展3次及以上的平行试验，并对估算结果取平均值，可以提高估算结果的准确性。在取样条件允许的情况下，通过大量试验分别建立各个温度条件下的关联公式，可以进一步提高评估精度。

(6) 试验研究表明，采用小冲杆试验技术这一试验方法对主蒸汽管道P92钢的拉伸性能进行评估是可行的。