SA-210C鋼高溫單軸蠕變Norton方程參數研究

鄭相鋒，李文彬，范 輝，楊保榮，王志國

(1.河北省電力建設調整試驗所，石家莊 050021；2.國網河北省電力公司電力科學研究院，石家莊 050021；3.河北興泰發電有限責任公司，河北 邢臺 054000；4.河北衡豐發電有限責任公司，河北 衡水 053000)

SA-210C鋼高溫單軸蠕變Norton方程參數研究

鄭相鋒1，李文彬1，范 輝2，楊保榮3，王志國4

(1.河北省電力建設調整試驗所，石家莊 050021；2.國網河北省電力公司電力科學研究院，石家莊 050021；3.河北興泰發電有限責任公司，河北 邢臺 054000；4.河北衡豐發電有限責任公司，河北 衡水 053000)

針對SA-210C鋼缺乏高溫蠕變數據的情況，結合SA-210C鋼的蠕變損傷和本構方程，通過對SA-210C鋼進行高溫單軸蠕變拉伸試驗和數值擬合，得到其高溫蠕變Norton方程參數，為評估SA-210C鋼的蠕變壽命提供依據。

SA-210C鋼；蠕變；本構方程；壽命評估

鍋爐水冷壁、省煤器、低溫再熱器等部件通常采用20G高壓鍋爐管，但隨著電站鍋爐工作參數的不斷提高，特別是亞臨界、超臨界鍋爐的出現，使鍋爐管的壁厚不斷增加。SA-210C是一種強度高于20G，工藝性能良好的鋼種，常用來代替20G制造亞臨界、超亞臨界鍋爐的受熱面。

SA-210C鋼與GB 5310-2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》中的25MnG性能相當，但該產品的塑性要求高于25MnG。該鋼種一般應用于鍋爐低溫過熱器，該受熱面的服役溫度較高，長期運行有可能發生蠕變損傷，但國內外相關高溫蠕變數據很少。因此對其高溫蠕變性能的研究，有助于對在役SA-210C鋼進行壽命評估，預防鍋爐爆管的發生。

1 蠕變損傷與本構方程

1.1 蠕變損傷

高溫材料蠕變的研究主要包括兩方面的內容，一是從微觀角度研究蠕變機理及冶金因素對蠕變特性的影響，為高溫耐熱材料的成分設計和生產提供理論依據；另一方面從宏觀的角度著手，在宏觀試驗的基礎上，分析蠕變試驗數據，建立描述蠕變規律的理論，進而為高溫結構的設計與壽命預測提供理論基礎。

損傷研究的目的是為了研究受損結構的承載能力，一般是研究裂紋起裂前的壽命。結構損傷研究的關鍵在于確定損傷耦合的本構方程，其參數的確定一般需要在不同載荷水平下進行高溫蠕變試驗，進而得到一組蠕變曲線，然后對數據進行分析研究，得到材料的高溫蠕變參數。

1.2 本構方程

蠕變特性可以分為單軸和多軸2種情形，在實驗室里單軸加載的試樣，其特性可用單軸本構關系描述，材料的單軸本構方程提供了材料的最基本信息，可以用來評價材料的優劣，目前已提出了許多相對簡單的單軸本構關系來描述標準的蠕變曲線，其中較為常用的有Norton的冪律方程，其適用于大多數金屬材料[1]。

在構造一個本構方程時，首先應分離應變的彈性部分和非彈性部分，對于高溫環境下的單軸拉伸試樣，總應變可表達為：

ε=εe+εp+εc

(1)

式中：εe為瞬時彈性(或彈塑性)應變；εp為塑性應變；εc為蠕變應變。

彈性應變由胡克定理給出，塑性應變由流動準則給出，而蠕變應變則可以通過試驗并回歸成關于應力σ、溫度T以及時間t的一個函數：

εc=f(σ，t，T)

(2)

對于典型單軸蠕變試驗，當試驗溫度一定(不考慮溫度的影響)時，可以給出一個簡單的經驗公式：

εc=Btmσn

(3)

式中：B、m和n均為材料常數。

在恒應力條件下的試驗結果表明，蠕變應變率在蠕變第2階段是一定值，則上式可簡化成Norton的冪律方程：

(4)

由單軸拉伸蠕變試驗得到相應的B和n值，再采用有限元分析就可以預測出蠕變損傷壽命。

2 單軸蠕變拉伸試驗

2.1 拉伸試樣制取

試驗材料采用規格為φ60 mm×7 mm，材質為SA-210C鋼的受熱面管，其金相組織為典型的珠光體+鐵素體組織，見圖1。化學成分符合ASME鍋爐及壓力容器規范材料卷中SA-210C鋼的要求，見表1。

圖1 試驗材料SA-210C鋼金相組織

表1 試驗材料SA-210C鋼化學成分 %

單軸蠕變試樣的設計和機加工參考GB/T 2039-2012《金屬材料 單軸拉伸蠕變試驗方法》，標準中推薦了2種橫截面類型的蠕變試樣：圓形橫截面和矩形橫截面。由于試樣尺寸無法取出符合要求的圓形橫截面標準蠕變試樣，因此試驗采用矩形橫截面的試樣形式，試樣如圖2所示。

圖2 試驗中采用的蠕變試樣

2.2 試驗結果

單軸蠕變試驗采用CSS-3910型電子高溫持久蠕變試驗機，試驗溫度為723 K(450 ℃)，試驗載荷為220 MPa、200 MPa、180 MPa。

根據蠕變試驗機中數據記錄系統，提取出單軸蠕變試驗中變形和時間的數據，得出試樣在不同應力水平下的應變-時間曲線，如圖3所示。單軸蠕變試驗結果見表2。

圖3 SA-210C鋼在450 ℃時的應變-時間曲線

材料的最小蠕變速率和應力滿足Norton指數關系：

(5)

式中：B，n均為材料的常數。

將表2數據帶入式(5)，通過取對數后線性化的方法，利用最小二乘數法進行擬合可以計算得到B=5.349E-24,n=8.848 8。擬合決定系數為0.967 7，表面擬合的材料高溫蠕變常數是可信的。

3 結論

a. 對電站鍋爐低溫過熱器材料的SA-210C鋼進行高溫蠕變試驗，采用最小二乘法進行了擬合，得到了SA-210C鋼的Norton蠕變本構方程的材料常數，其值為B=5.349E-24、n=8.848 8。

b. 利用試驗結果，基于高溫蠕變損傷原理，開發受熱面管的有限元高溫損傷程序，進而可以評估SA-210C鋼的蠕變壽命，對其蠕變爆管預測具有重要意義。

[1] Hyde TH,Sun W,Williams JA. Prediction of creep failure life of internally pressurized thick walled CrMoV pipes[J].International Journal of Pressure Vessels and Piping,1999(76):925-933.

本文責任編輯：齊勝濤

Research on High Temperature Single Axex Creep Norton Equation Parameters of SA-210C Steel

Aiming at the lack of SA-210C steel high-temperature creep data,the paper describes SA-210C steel creep damage and constitutive equations.After high temperature tensile creep test of SA-210C steel and numerical value fitting,gets the high-temperature creep Norton equation parameter,and considers that this parameter can evaluate SA-210C steel creep life.

SA-210C steel；creep；constitutive equation；life evaluation

2013-08-16

鄭相鋒(1980-)，男，高級工程師，主要從事電廠金屬材料焊接和壽命評估工作。

TK223.3

A

1001-9898(2014)01-0005-02