CN107843510B - 基于室温布氏硬度预测超临界机组t/p91耐热钢剩余持久寿命评估方法 - Google Patents
基于室温布氏硬度预测超临界机组t/p91耐热钢剩余持久寿命评估方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及钢铁材料剩余持久寿命评估领域，尤其涉及一种基于室温布氏硬度预测超临界机组T/P91耐热钢剩余持久寿命评估方法。本发明通过以材料高温抗拉强度为桥梁，对持久断裂寿命和不同老化状态下室温布氏硬度HB建立对应关系，从而建立P91钢在给定温度和应力条件下室温布氏硬度与持久断裂时间之间关系的数学解析式。本发明通过简单便捷、无损的硬度测试即可快速、准确的预测当前材料在特定蒸汽参数下的剩余持久寿命，可直接免去因停机或管道切割等带来的经济损失，因其方便快捷的特点可以及时的评估材料剩余寿命可有效预防因材料老化失效导致的事故发生。
Description
技术领域
本发明涉及钢铁材料剩余持久寿命评估领域，尤其涉及一种基于室温布氏硬度预测超临界机组T/P91耐热钢剩余持久寿命评估方法。
背景技术
基于安全和经济性考虑，高温蠕变寿命的评估一直是耐热钢研发的重要课题。运行在实际条件下的金属材料往往受力很小，温度也较低，用这样的条件做实验，虽然可以直接得到在服役条件下的使用寿命，但要耗掉大量的时间，有时是几年，甚至十几年。为了缩短时间，必须提高实验应力或温度，即采用加速实验法，然后用外推的方法确定使用条件下的剩余寿命。所得结果是否可靠，除了与实验技术有关外，很大程度上取决于外推方法。目前应用较为广泛的方法有：等温线外推法，时间-温度参数法(Larson-Miller参数法)和最少约束法。
(1)等温线法外推持久强度
这种方法是指在同一实验温度下，用较高的不同应力进行短期试验的数据，建立应力和断裂时间的关系，来外推在该试验温度下长期的持久强度值。对大量实验数据进行分析发现，在某一恒定温度下对材料进行持久强度试验时，试样的断裂时间与应力之间存在一定的关系。广泛应用的有下列两种经验关系式：
τ＝Aσ-B
τ＝Ce-Dσ
上式表明断裂时间τ的对数值与应力σ的对数值之间呈线性关系，或断裂时间τ的对数值与应力σ之间呈线性关系，两者中以前者(双对数坐标关系)应用较普遍。但必须指出，持久强度直线外推法，无论是用双对数坐标关系或半对数坐标关系，都是近似的。在常用的双对数坐标中，试验点并不真正符合线性关系，实际上是一条具有二次转折的曲线，只是曲线的某些区域比较接近于直线，才近似地用线性方法处理。对于不同材料和不同温度，转折的位置和形状是各不相同的。在高温下的长期试验表明：具有较高组织稳定性的钢，转折不明显，或在更长时间的试验以后才出现。对于某些组织较不稳定的钢，转折就非常明显，因此直线外推的方法比较粗略。但由于等温线外推法简单易行，在一定条件下，尚能获得比较接近实际的外推值，因而仍得到较广泛的应用。但应限制其外推时间不得超过试验时间的10倍，以保证外推值的相对准确性。
(2)时间-温度参数法
这种方法是五十年代发展起来的一种外推持久强度的方法，它指出温度和时间的相互关系，可找到某一参数P的数学表达式来表示。它是这一过程联系温度和时间的函数，参数P本身又是应力的函数，即只要金属材料所承受的应力σ不变，对于温度T的时间τ的各种组合，参数P始终保持不变，即P＝P(σ)＝II。参数式可以写成如下的一般形式：
P＝P(σ)＝f(T，τ)
具体的参数关系式很多，L-M参数法是一种应用最广泛的外推法，它是1952年由Larson-Miller提出的，基本思想认为温度T(K)与断裂时间有补偿关系，即对一定的断裂应力，温度与时间是等效的于也就是说，对于一定断裂应力，只对应一个P。这个关系可以用L-M参数PL-M来表示。利用加速实验条件下的蠕变断裂数据进行应力外推，获得使用条件下的PL-M，然后计算出断裂时间。
lgσ＝f(PL-M)＝f[10-3T(C+lgτ)].
这种外推法主要优点是使用方便、适用范围广、比较准确。不足之处在于：必须对构件进行破坏性实验，耗时费力；当构件出现明显的空洞及微裂纹之后，很难测得准确的实验数据；受化学成分、显微组织及运行中工况条件不均匀性的影响，实验数据分散度较大；对一种新材料需要做大量实验确定C值，且C值与应力有关。
发明内容
本发明的发明目的在于提供一种基于室温布氏硬度预测超临界机组T/P91耐热钢剩余持久寿命评估方法，通过简便捷、无损的硬度测试即可快速、准确的预测当前材料在特定蒸汽参数下的剩余持久寿命，可直接免去因停机或管道切割等带来的经济损失，因其方便快捷的特点可以及时的评估材料剩余寿命可有效预防因材料老化失效导致的事故发生。
为实现本发明目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于室温布氏硬度预测超临界机组T/P91耐热钢剩余持久寿命评估方法，具体包括如下步骤：
(1)热处理获得不同老化损伤的试件
对未服役过得T/P91耐热钢，实际工作的温度和时间，采用等效加速时效老化热处理后获得不同老化损伤级别的工件，将材料冷却到室温，取一部分制成若干个硬度测试试件；
(2)硬度测定
采用标准硬度仪测量材料在不同老化损伤下的硬度，对硬度测试试件按照国标GB/T 231.4-2009在实验室进行硬度测试，每组试件3～5个，每一种老化状态下试验至少3次，取平均值；
(3)高温抗拉强度测定
选取特征布氏硬度值试样5组进行材料在不同老化损伤下的高温抗拉强度测试，温度包括773K、823K、873K或923K，并建立对应数学关系模型，其关系式如下：
σR＝1.01*10-3*|HB-233.12|3.96+y0 (1)
式中，σR是材料在某温度：773K≤T≤923K时T/P91钢的抗拉强度，HB是材料任一组织状态下的室温布氏硬度，y0是与计算温度T有关系数；
通过线性拟合得：
y0＝1121.108-1.02749T (2)
将式(1)带入式(2)中即得：
σR＝1.01*10-3*|HB-233.12|3.96+1121.11-1.03T (3)
(4)持久强度实验
利用上述5组特征硬度值不同老化损伤状态试样进行高温持久实验并获得断裂时间参数，高温包括550℃、600℃、650℃，每组在3种不同实验温度至少进行2个不同应力条件下的持久实验；
(5)构建等温线外推法数学模型
等温线外推公式：
tr＝Aσ-B (4)
式中，A是与材料组织状态相关的参数，也称之为材料的“抗力”，即抵抗材料变形的能力参数，B是与温度相关的参数；
对式(4)取对数得：
lgtr＝lgA-Blgσ (5)
由于材料加速老化组织状态差异明显，由此A是随老化程度改变的参量；这就是说对于在同一老化参数和同一温度下利用多组应力及其对应持久断裂时间即求出在当前条件下参数A和B；
(6)建立材料高温抗拉强度与参数A，持久实验温度与参数B对应数学关系，得出如下关系式：
A＝0.28σR-45.1 (6)
B＝0.12T-90.54 (7)
(7)拟合硬度-剩余寿命等参数的函数式
结合式(3)、(5)、(6)、(7)即得在T/P91钢中任意温度和应力条件下室温布氏硬度预测和当前材料剩余寿命的数学关系解析式：
tr＝(2.83*10-4*|HB-233.12|3.96+268.81-0.29T)σ90.54-0.12T (8)
式中，tr为当前材料剩余寿命，HB为材料室温布氏硬度，T为预测寿命所用温度，σ为预测寿命所用应力。
所述的评估方法，该利用室温硬度预测剩余寿命的实验方法仅适用于预测T/P91钢使用在773K～923K之间内的剩余持久寿命。
所述的评估方法，该利用室温硬度预测剩余寿命的经验公式拥有自精确功能，在适用温度范围的任意T/P91耐热钢的硬度、持久数据进一步精确该经验方程。
本发明的设计思想是：
本发明通过以材料高温抗拉强度为桥梁，对持久断裂寿命和不同老化状态下室温布氏硬度HB建立对应关系，从而建立P91钢在给定温度和应力条件下室温布氏硬度与持久断裂时间之间关系的数学解析式。
本发明的优点及有益效果是：
本发明通过简单便捷、无损的硬度测试即可快速、准确的预测当前材料在特定蒸汽参数下的剩余持久寿命，可直接免去因停机或管道切割等带来的经济损失，因其方便快捷的特点可以及时的评估材料剩余寿命可有效预防因材料老化失效导致的事故发生。
附图说明
图1为P91耐热钢在不同时效时间下室温布氏硬度变化图。图中，横坐标aged time为老化时间(h)；纵坐标为布氏硬度HB。
图2为P91耐热钢在特征硬度值时不同时效时间下高温抗拉强度图。图中，横坐标aged time为老化时间(h)；纵坐标Tensile Strength为抗拉强度(MPa)。
图3为高温抗拉强度与室温硬度对应关系图。图中，横坐标为布氏硬度HB；纵坐标σR为抗拉强度(MPa)。
图4为参数y0与温度T对应关系图。图中，横坐标T为温度(K)；纵坐标参数y0代表与计算温度T有关的系数。
图5为lgσ-lgtr双对数坐标图。图中，横坐标lgσ代表预测寿命所用应力的对数；纵坐标参数lgtr代表当前材料剩余寿命的对数。
图6为高温抗拉强度与参数A对应关系图。图中，横坐标σR为抗拉强度(MPa)纵坐标A代表与材料组织状态相关的参数。
图7为持久实验温度与参数B对应关系图。图中，横坐标T为温度(K)；纵坐标参数B代表与温度相关的参数。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特以此材料为例作进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明的目的，而并非用于限定本发明的范围。
实施例
利用某电厂未服役P91耐热钢实现本发明所述的基于室温布氏硬度预测超临界机组T/P91耐热钢剩余持久寿命评估方法，具体的实现方式如下：
(1)热处理获得不同老化损伤的试件
对未服役过得T/P91耐热钢，实际工作的温度和时间，采用等效加速时效老化热处理后获得不同老化损伤级别的工件，将材料冷却到室温，取一部分制成若干个硬度测试试件；
本实施例中，等效加速时效老化热处理是指：选用AC1点以下10～30℃的温度下进行时效，时间为5～800h；老化完成再在620℃下时效，以保证快速析出Laves相，最终实现等效于实际工况不同时期下的老化组织。
(2)硬度测定
采用标准硬度仪测量材料在不同老化损伤下的硬度，对硬度测试试件按照国标GB/T 231.4-2009在实验室进行硬度测试，每组试件3～5个，每一种老化状态下试验至少3次，取平均值；
(3)高温抗拉强度测定
选取特征布氏硬度值试样5组进行材料在不同老化损伤下的高温(包括773K、823K、873K、923K)抗拉强度测试，并建立对应数学关系模型，其关系式如下：
σR＝1.01*10-3*|HB-233.12|3.96+y0 (1)
式中，σR是材料在某温度T(773K≤T≤923K)时T/P91钢的抗拉强度，HB是材料任一组织状态下的室温布氏硬度，y0是与计算温度T有关的系数。
通过线性拟合可得：
y0＝1121.108-1.02749T (2)
将式(1)带入式(2)中即可得：
σR＝1.01*10-3*|HB-233.12|3.96+y0 (3)
(4)持久强度实验
利用上述5组特征硬度值不同老化损伤状态试样进行高温(包括550℃、600℃、650℃)持久实验并获得断裂时间参数，每组在3种不同实验温度需至少进行2个不同应力条件下的持久实验，结果如表1所示。
表1P91不同老化级别持久性能
(5)构建等温线外推法数学模型
常用的等温线外推公式：
tr＝Aσ-B (4)
式中，A是与材料组织状态相关的参数，也可称之为材料的“抗力”，即抵抗材料变形的能力参数，B是与温度相关的参数。
对式(4)取对数得：
lgtr＝lgA-Blgσ (5)
由于材料加速老化组织状态差异明显，由此A是随老化程度改变的参量。这就是说对于在同一老化参数和同一温度下可以利用多组应力及其对应持久断裂时间即可求出在当前条件下参数A和B，结果如表2所示。
表2P91中材料参数A和温度参数B
(6)建立材料高温抗拉强度与参数A，持久实验温度与参数B对应数学关系，得出如下关系式：
A＝0.28σR-45.1 (6)
B＝0.12T-90.54 (7)
(7)拟合硬度-剩余寿命等参数的函数式
结合式(3)、(5)、(6)、(7)即可得在T/P91钢中任意温度和应力条件下室温布氏硬度预测和当前材料剩余寿命的数学关系解析式：
tr＝(2.83*10-4*|HB-233.12|3.96+268.81-0.29T)σ90.54-0.12T (8)
式中，tr为当前材料剩余寿命，HB为材料室温布氏硬度，T为预测寿命所用温度，σ为预测寿命所用应力。
实验选取P91耐热钢硬度为HB175的样品进行649℃/70MPa的持久实验，其持久断裂时间为5731.88h；利用公式(8)计算预测相应持久条件下该试样的剩余持久寿命为5574.63h，误差为2.7％，这一结果很好的证明了本发明的预测方法。
如图1所示，从P91耐热钢在不同时效时间下室温布氏硬度变化图可以看出，布氏硬度HB随着时效时间的延长不断降低，且初始降低的比较快，然后逐渐趋于平缓，这一结果与材料组织老化演变过程能够很好的对应，这也就说明用硬度来表征材料当前的组织特征是合适的。此外，重复等效加速老化热处理试验验证了利用该热处理方法的准确性与可靠性。
如图2所示，从P91耐热钢在特征硬度值时不同时效时间下高温抗拉强度图可以看出，随着时效时间延长，材料的高温抗拉强度也发生了一定程度的降低且降低趋势与硬度变化相同。
如图3所示，从高温抗拉强度与室温硬度对应关系图可以看出，不同老化程度的硬度与高温抗拉强度得到了很好的对应关系，这就可以建立不同老化条件下硬度与高温抗拉强度的数学关系。
如图4所示，从参数y0与温度T对应关系图可以看出，参数y0是一个与温度相关的变量，通过建立两者数学关系就可以利用温度来准确表征参数y0。
如图5所示，从lgσ-lgtr双对数坐标图可以看出，在同一老化参数和同一温度下可以利用多组应力及其对应持久断裂时间即可求出在当前条件下参数A和B，其中A为关系曲线的截距，B则为关系曲线的斜率的绝对值。
如图6所示，从高温抗拉强度与参数A对应关系图可以看出，材料的高温抗拉强度与参数A建立了很好的对应关系，由于材料的高温抗拉强度可以表征材料不同老化特征下的组织状态，这也就是说参数A是等温线外推公式中材料的组织状态参数且可以用高温抗拉强度表征。
如图7所示，从持久实验温度与参数B对应关系图可以看出，参数B只与温度相关而不与材料的老化状态相关，该参数在不同老化状态也趋于某一特定值。
Claims (2)
1.一种基于室温布氏硬度预测超临界机组T/P91耐热钢剩余持久寿命评估方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
(1)热处理获得不同老化损伤的试件
对未服役过的T/P91耐热钢，采用等效加速时效老化热处理后获得不同老化损伤级别的试件，将试件冷却到室温，取一部分制成若干个硬度测试试件；
(2)硬度测定
采用标准硬度仪测量试件在不同老化损伤下的硬度，对硬度测试试件按照国标GB/T231.4-2009在实验室进行硬度测试，每组试件3～5个，每一种老化状态下试验至少3次，取平均值；
(3)高温抗拉强度测定
选取5组特征布氏硬度值试件，进行不同老化损伤下的高温抗拉强度测试，温度包括773K、823K、873K或923K，并建立对应数学关系模型，其关系式如下：
σR＝1.01*10-3*|HB-233.12|3.96+y0 (1)
式中，σR是试件在某温度：773K≤T≤923K时T/P91钢的抗拉强度，HB是试件任一组织状态下的室温布氏硬度，y0是与计算温度T有关系数；
通过线性拟合得：
y0＝1121.108-1.02749T (2)
将式(2)带入式(1)中即得：
σR＝1.01*10-3*|HB-233.12|3.96+1121.11-1.03T (3)
(4)持久强度实验
利用上述5组特征布氏硬度值不同老化损伤状态试件进行高温持久实验并获得断裂时间参数，温度包括550℃、600℃、650℃，每组在3种不同实验温度至少进行2个不同应力条件下的持久实验；
(5)构建等温线外推法数学模型
等温线外推公式：
tr＝Aσ-B (4)
式中，A是与试件组织状态相关的参数，也称之为试件的“抗力”，即抵抗试件变形的能力参数，B是与温度相关的参数；
对式(4)取对数得：
lgtr＝lgA-Blgσ (5)
由于试件加速老化组织状态差异明显，由此A是随老化程度改变的参量；这就是说对于在同一老化参数和同一温度下利用多组应力及其对应持久断裂时间即求出在当前条件下参数A和B；
(6)建立试件高温抗拉强度与参数A，持久实验温度与参数B对应数学关系，得出如下关系式：
A＝0.28σR-45.1 (6)
B＝0.12T-90.54 (7)
(7)拟合硬度-剩余寿命等参数的函数式
结合式(3)、(5)、(6)、(7)即得在T/P91钢中任意温度和应力条件下室温布氏硬度和当前试件剩余寿命的数学关系解析式：
tr＝(2.83*10-4*|HB-233.12|3.96+268.81-0.29T)σ90.54-0.12T (8)
式中，tr为当前试件剩余寿命，HB为试件室温布氏硬度，T为预测寿命所用温度，σ为预测寿命所用应力；
该评估方法仅适用于预测T/P91钢使用在773K～923K之间内的剩余持久寿命。
2.按照权利要求1所述的评估方法，其特征在于，该数学关系解析式拥有自精确功能，在适用温度范围的任意T/P91耐热钢的硬度、持久数据进一步精确该数学关系解析式。
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