P92鋼焊縫蠕變—疲勞損傷的安全評定方法研究

劉天佐+++張傳清++陳冠興++魏玉忠

摘 要：本文以P92鋼為研究對象，在610℃下進行應力控制的蠕變—疲勞損傷裂紋擴展試驗，從而獲得了蠕變-疲勞裂紋擴展速率，同時，結合P92鋼焊縫蠕變與拉伸試驗，構建了P92鋼焊縫與TDFAD失效評定曲線，通過這些實驗最終得出P92蠕變-疲勞損傷下裂紋擴展試驗斷裂機制是由蠕變控制的，且擴展速率與高溫斷裂參量C*的關聯曲線具有一定關系，希望通過本文的研究能夠為P92鋼在工業當中的安全運用提供參考依據。

關鍵詞：P92鋼焊縫；蠕變—疲勞損傷；裂紋擴展；高溫斷裂參量

中圖分類號：TG407 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）07-0061-02

在當前能源與環境的雙重壓力下，發展高效、節能、大容量、潔凈環保、可靠性高的火力發電技術，不僅能夠滿足國民經濟快速發展對電力的迫切需要，而且能夠應對來自環境保護方面的日益嚴峻的要求和挑戰。并且隨著大型裝置的服役溫度和壓力的提高，對設備裝置運行時的安全可靠性提出了更高的要求。在高溫下，金屬結構蠕變和疲勞斷裂成為主要的失效形式，因此研究裂紋尖端應力場的斷裂參量，能夠準確控制斷裂時間，避免生產事故的發生。

1 蠕變-疲勞損傷裂紋擴展試驗

1.1 初始裂紋長度a0修正

根據GB/T 21143-2007《金屬材料準靜態斷裂韌度的統一試驗方法》，測量初始裂紋長度時，應該測量到疲勞裂紋的尖端，修正后的裂紋初始長度如下表1所示，其中ΔK表示應力強度因子：

1.2 裂紋長度測量與裂紋擴展速率確定

用直流電位法測量蠕變裂紋擴展量，得到裂紋擴展量與時間的關系曲線，其無量綱表達式為：

（1）

式中：a是裂紋長度；a0是初始裂紋長度；U0是所對應a0時刻所測量的電位勢；y是試樣中心線上兩側點之間距離的一半長；W是試樣寬度一半的長度。經過簡單的計算之后，裂紋的擴展。裂紋擴展的計算是在a-N曲線上，按公式

計算可得平均裂紋長度。

1.3 裂紋擴展試驗結果

由圖1和圖2可知，當ΔK=16 MPa.m1/2時，同樣以裂紋擴展0.2mm作為P92鋼焊縫的蠕變-疲勞損傷裂紋起裂，15h后進入裂紋穩定擴展階段，65h以后進入蠕變裂紋快速擴展階段，直至試樣斷裂。當ΔK=14MPa.m1/2時，以裂紋擴展0.2mm作為P92鋼焊縫的蠕變-疲勞損傷裂紋起裂，40h后進入裂紋穩定擴展階段，270h后進入裂紋快速擴展階段，直至試樣斷裂。

2 蠕變-疲勞裂紋擴展速率與高溫斷裂參量

筆者通過相關文獻得知，通過對試樣斷口進行SEM觀測，對試樣斷口進行分析，可以判斷試樣在蠕變-疲勞損傷下的損傷與斷裂機制。由相關數據研究得知，蠕變-疲勞損傷下裂紋擴展為蠕變控制為主的斷裂行為。故可以采用高溫斷裂力學參量C*進行表征。

（2）

其中：n是材料的蠕變系數，是加載位移速率的蠕變分量。根據以上裂紋擴展速率和高溫斷裂參量C*的計算方法，可以獲得蠕變-疲勞損傷下裂紋擴展速率與高溫斷裂參量的關聯曲線，如下圖3、圖4。

3 P92鋼焊縫蠕變條件下TDFAD的構建

目前與時間相關失效評定圖（TDFAD）方法主要是用于蠕變主控條件下的裂紋起裂評定，本試驗中的失效評定曲線去下圖5所示，隨著時間的增加，失效評定曲線有下降的趨勢，并且曲線形狀也發生變化。由此表明，P92高溫蠕變現象對結構安全評定有明顯的影響。因此，對含裂紋P92結構進行安全評定時，選擇考慮蠕變影響的TDFAD才能得到更安全的結果。

4 結語

（1）采用直流電位法對P92鋼焊縫610℃高溫下進行蠕變-疲勞損傷下裂紋擴展測試，蠕變裂紋擴展主要特征可劃分為二個階段：孕育階段：在此階段內裂紋幾乎不擴展或擴展甚?。粩U展階段：此時隨時間增長裂紋逐漸擴展，繼續增加時間，則裂紋快速增長直至試樣完全斷裂。

（2）通過對試樣斷口分析，斷口處并未發現疲勞輝紋，也未見由于疲勞作用導致蠕變孔洞相連形成的二次裂紋跡象，均為典型的蠕變韌窩狀斷口，該蠕變-疲勞裂紋擴展試驗均是以蠕變控制為主的斷裂行為。

（3）采用高溫斷裂力學參量C*對P92鋼焊縫在610℃高溫下的斷裂行為進行表征。所有的da/dt與C*的關系曲線中均出現了一個反向“勾”狀階段，該階段對應著蠕變裂紋擴展的孕育期，此時裂紋擴展速率的值均小于穩定蠕變擴展階段的。

（4）采用修正R6中Option2的方法，構建了P92鋼焊縫高溫下的TDFAD失效評定圖，P92高溫蠕變現象對結構安全評定有明顯的影響。對含裂紋P92結構進行安全評定時，選擇考慮蠕變影響的TDFAD才能得到更安全的結果。