CN114279944A - 不锈钢焊材热老化-应力-腐蚀耦合作用的评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不锈钢焊材热老化‑应力‑腐蚀耦合作用的评价方法，其特征在于，所述评价方法包括如下步骤：对部件进行热老化试验，计算得到活化能；通过多个载荷的裂纹萌生试验获得裂纹萌生时间，通过拟合获得载荷加速系数；获得部件的实际服役载荷大小，并获得对应的实际服役温度；建立载荷和温度之间的关系式；基于所述载荷和温度之间的关系式，采用根据温度确定载荷的方法，先设定试验温度，再计算试验载荷；或，采用根据载荷确定温度的方法，先设定试验载荷，再计算试验温度；开展试验，并获得裂纹萌生时间；计算实际服役条件下的开裂时间，即得到部件的最终服役时间，完成评价。

Description

不锈钢焊材热老化-应力-腐蚀耦合作用的评价方法

技术领域

本发明涉及属于金属腐蚀与防护领域的技术领域，具体涉及一种不锈钢焊材热老化-应力-腐蚀耦合作用的评价方法。

背景技术

不锈钢焊材是核电厂压力容器内壁堆焊层、主管道焊接接头等重要部件用材。其含有铁素体相，长期在高温高压服役过程中，存在热老化问题。同时其面临高温高压水环境，存在腐蚀问题，在结构载荷等作用下承受拉应力。因此热老化-应力-腐蚀耦合作用是不锈钢焊材实际面临的服役条件。

针对含有铁素体相的不锈钢，传统服役行为评价方法是先热老化然后进行腐蚀和应力腐蚀试验，这只能评价某一瞬间老化状态的性能，无法反映长期服役下的持续同步变化过程。且有研究表明，应力作用下热老化行为与不存在应力作用下热老化行为不同，可能存在各向异性的热老化组织转变，因此传统的分隔进行热老化和应力腐蚀的方法，不能反映实际部件同时承受热老化-应力-腐蚀耦合作用下服役状态，无法准确评估其服役寿命，继续开发一种新型的不锈钢焊材热老化-应力-腐蚀耦合作用的评价方法。

发明内容

有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种不锈钢焊材热老化-应力-腐蚀耦合作用的评价方法，用于评价在热老化-应力-腐蚀耦合作用下部件的实际服役寿命。

为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：

一种不锈钢焊材热老化-应力-腐蚀耦合作用的评价方法，其特征在于，所述评价方法包括如下步骤：

对部件进行热老化试验，计算得到活化能；

通过多个载荷的裂纹萌生试验获得裂纹萌生时间，通过拟合获得载荷加速系数；

获得部件的实际服役载荷大小，并获得对应的实际服役温度；

建立载荷和温度之间的关系式；

基于所述载荷和温度之间的关系式，采用根据温度确定载荷的方法，先设定试验温度，再计算试验载荷；或，采用根据载荷确定温度的方法，先设定试验载荷，再计算试验温度；

开展试验，并获得裂纹萌生时间；

计算实际服役条件下的开裂时间，即得到部件的最终服役时间，完成评价。根据本发明的一些优选实施方面，部件的服役时间根据公式(1)计算得到：

t₂/t₁＝exp(Q/R(1/T₂-1/T₁)) (1)

式中，t₁为试验时间，t₂为服役时间，T₁为试验温度，T₂为服役温度，Q为活化能，R为气体常数。

根据本发明的一些优选实施方面，部件的服役时间根据公式(2)计算得到：

t₃/t₄＝σ₁ ^(-n)/σ₂ ^(-n)＝σ₂ ⁿ/σ₁ ⁿ (2)

式中，σ₁为实际服役载荷，σ₂为试验载荷，t₃为服役时间，t₄为试验开裂时间。

根据本发明的一些优选实施方面，载荷和温度之间的关系式的建立包括如下步骤：

令公式(1)等于公式(2)，t₂/t₁＝t₃/t₄；

即得到公式(3)：

exp(Q/R(1/T₂-1/T₁))＝σ₂ ⁿ/σ₁ ⁿ (3)

公式(3)即为载荷和温度之间的关系式。

根据本发明的一些优选实施方面，根据温度确定载荷的方法为：使载荷的加速程度与热老化的加速程度相一致，将公式(3)变化为如下公式(4)：

σ₂＝σ₁×(exp(Q/R(1/T₂-1/T₁)))^1/n (4)

根据公式(4)先设定试验温度，再计算试验载荷，进而开展试验。

根据本发明的一些优选实施方面，根据载荷确定温度的方法为：使热老化的加速程度与载荷的加速程度相一致，将公式(3)变化为如下公式(5)：

T₂＝(1/T₁+R/Q×Ln(σ₂ ⁿ/σ₁ ⁿ))^-1 (5)

根据公式(5)先设定试验载荷，再计算试验温度，进而开展试验。

根据本发明的一些优选实施方面，所述热老化试验的试验温度为350℃-365℃。

根据本发明的一些优选实施方面，部件的实际服役载荷大小为采用有限元分析或力学计算的方法获得。

根据本发明的一些优选实施方面，部件的实际服役温度为查阅对应部件的实际服役载荷的服役数据获得。

根据本发明的一些优选实施方面，裂纹的萌生时间与载荷的n次方的倒数呈正比，其中的n为载荷加速系数。

由于采用了以上的技术方案，相较于现有技术，本发明的有益之处在于：本发明的不锈钢焊材热老化-应力-腐蚀耦合作用的评价方法，基于热老化加速和载荷理论，通过设置试验温度和试验载荷，开展热老化-应力-腐蚀耦合作用试验，建立热老化-应力-腐蚀耦合作用评价方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明优选实施例中不锈钢焊材热老化-应力-腐蚀耦合作用的评价方法的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的目的是一种不锈钢焊材热老化-应力-腐蚀耦合作用评价方法，采用恒载荷方法进行试验，基于试验温度和试验载荷的设置，建立耦合作用评价方法。其理论基础如下：

(1)试验温度选择

通过选择适当高的试验温度，可以使试验样品长期受高温热的影响，材料内铁素体相发生显著变化，同时试验温度也不能过高，不能超过热老化机理转变温度和水状态改变温度，否则材料的热老化状态和腐蚀环境会发生显著变化，不能准确反应不锈钢焊材服役性能。

由于热老化试验温度位于280-400℃时，热老化组织转变机理相同，因此在这个温度范围内，可以通过阿雷尼乌斯公式计算温度的加速作用。

由于水温度高于374℃、22.1MPa时，进入超临界状态，因此为保持跟服役状态相同的高温水状态，进行评价试验时，本发明中的方法在350℃-365℃范围内进行试验。

(2)试验载荷选择

由于一般采用较长的热老化时间才能获得明显的热老化现象，因此试验载荷选择时需要将载荷选择在较低应力下，使试验时间适当延长。但当载荷过低时，开裂时间太长甚至不开裂，这将导致试验成本大大增加。因此需要将试验载荷限定在一定范围内。一般裂纹萌生时间与载荷的n次方的倒数呈正比，n为载荷加速系数，可以由此计算载荷的加速作用。

(3)温度或载荷设置

由于热老化温度加速和载荷加速规律不同，需要二者加速因子相同，实现同步加速。

具体的，温度加速指热老化程度加速，根据两个不同温度下进行不同热老化时间达到相同热老化状态的换算公式(1)进行计算，获得试验时间与服役时间的加速关系。

t₂/t₁＝exp(Q/R(1/T₂-1/T₁)) 公式(1)

其中，t为达到某一热时效程度的时间，T为温度；t₁、t₂分别为T₁、T₂温度下达到相同热时效程度所用的时间；t₁为试验时间，t₂为服役时间，T₁为试验温度，T₂为服役温度；Q为活化能；R为气体常数。

载荷加速指应力腐蚀裂纹萌生时间加速，裂纹萌生时间与载荷的n次方的倒数呈正比。实际服役载荷为σ₁，服役时间为t₃，试验载荷为σ₂，试验开裂时间为t₄，则载荷的加速关系为公式(2)。

t₃/t₄＝σ₁ ^(-n)/σ₂ ^(-n)＝σ₂ ⁿ/σ₁ ⁿ 公式(2)

令上述两种加速作用相同，t₂/t₁＝t₃/t₄；即可获得载荷与温度之间的对应关系式：

exp(Q/R(1/T₂-1/T₁))＝σ₂ ⁿ/σ₁ ⁿ 公式(3)

根据公式(3)，可以采用如下两种方法确定试验参数：

①根据温度确定载荷，使载荷加速程度与热老化加速程度相一致，将公式(3)变化，获得该方法的具体表达式如下：

σ₂＝σ₁×(exp(Q/R(1/T₂-1/T₁)))^1/n 公式(4)

②根据载荷确定温度，使热老化加速程度与载荷加速程度相一致，将公式(3)变化，获得该方法的具体表达式如下：

T₂＝(1/T₁+R/Q×Ln(σ₂ ⁿ/σ₁ ⁿ))^-1 公式(5)

基于上述理论基础，本发明的具体热老化-应力-腐蚀耦合作用评价方法如下：

(1)独立进行不同温度的热老化试验，通过阿雷尼乌斯公式计算热老化的活化能。

(2)通过多个载荷的裂纹萌生试验获得裂纹萌生时间，通过拟合获得载荷加速系数n。

(3)采用有限元分析或力学计算等方法，获得部件的实际服役载荷大小。查阅服役数据，获得对应实际服役载荷大小的实际服役温度。

(4)若采用根据温度确定载荷的方法，则先设定试验温度，然后根据公式(4)计算试验载荷；

若采用根据载荷确定温度的方法，则先设定试验载荷，然后根据公式(5)计算试验温度。试验温度和试验载荷选择要满足前述理论基础中的具体条件。

(5)正式开展试验，试验后获得裂纹萌生时间。

(6)由于令温度加速和载荷加速程度相同，因此可以根据上述公式(1)、或公式(2)计算实际服役条件下开裂时间，即得到部件的最终服役寿命。

实施例1

基于上述的理论基础和步骤，本实施例中的不锈钢焊材热老化-应力-腐蚀耦合作用的评价方法包括如下步骤：

(1)通过不同温度的热老化试验确定不锈钢焊材的热老化活化能，本实施例中的Q＝150000(J/mol)。

(2)通过多个载荷的裂纹萌生试验获得裂纹萌生时间，通过拟合获得载荷加速系数n＝4。

(3)采用有限元分析或力学计算等方法，获得部件的实际服役载荷为100MPa，实际服役温度T₂为310℃。

(4)建立载荷和温度之间的关系式。

exp(Q/R(1/T₂-1/T₁))＝σ₂ ⁴/σ₁ ⁴ 公式(3)

(5)采用根据温度确定载荷的方法。设定试验温度为T₁为360℃，代入公式(4)计算可得试验载荷为σ₂＝182MPa。

σ₂＝σ₁×(exp(Q/R(1/T₂-1/T₁)))^0.25 公式(4)

(6)开展恒载荷试验，获得裂纹萌生时间为1年。

(7)根据公式(1)或公式(2)计算获得最终服役寿命为11.5年。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种不锈钢焊材热老化-应力-腐蚀耦合作用的评价方法，其特征在于，所述评价方法包括如下步骤：

对部件进行热老化试验，计算得到活化能；

通过多个载荷的裂纹萌生试验获得裂纹萌生时间，通过拟合获得载荷加速系数；

获得部件的实际服役载荷大小，并获得对应的实际服役温度；

建立载荷和温度之间的关系式；

基于所述载荷和温度之间的关系式，采用根据温度确定载荷的方法，先设定试验温度，再计算试验载荷；或，采用根据载荷确定温度的方法，先设定试验载荷，再计算试验温度；

开展试验，并获得裂纹萌生时间；

计算实际服役条件下的开裂时间，即得到部件的最终服役时间，完成评价。

2.根据权利要求1所述的评价方法，其特征在于，部件的服役时间根据公式(1)计算得到：

t₂/t₁＝exp(Q/R(1/T₂-1/T₁)) (1)

式中，t₁为试验时间，t₂为服役时间，T₁为试验温度，T₂为服役温度，Q为活化能，R为气体常数。

3.根据权利要求1所述的评价方法，其特征在于，部件的服役时间根据公式(2)计算得到：

t₃/t₄＝σ₁ ^(-n)/σ₂ ^(-n)＝σ₂ ⁿ/σ₁ ⁿ (2)

式中，σ₁为实际服役载荷，σ₂为试验载荷，t₃为服役时间，t₄为试验开裂时间。

4.根据权利要求1所述的评价方法，其特征在于，载荷和温度之间的关系式的建立包括如下步骤：

令公式(1)等于公式(2)，t₂/t₁＝t₃/t₄；

即得到公式(3)：

exp(Q/R(1/T₂-1/T₁))＝σ₂ ⁿ/σ₁ ⁿ (3)

公式(3)即为载荷和温度之间的关系式。

5.根据权利要求4所述的评价方法，其特征在于，根据温度确定载荷的方法为：使载荷的加速程度与热老化的加速程度相一致，将公式(3)变化为如下公式(4)：

σ₂＝σ₁×(exp(Q/R(1/T₂-1/T₁)))^1/n (4)

根据公式(4)先设定试验温度，再计算试验载荷，进而开展试验。

6.根据权利要求4所述的评价方法，其特征在于，根据载荷确定温度的方法为：使热老化的加速程度与载荷的加速程度相一致，将公式(3)变化为如下公式(5)：

T₂＝(1/T₁+R/Q×Ln(σ₂ ⁿ/σ₁ ⁿ))^-1 (5)

根据公式(5)先设定试验载荷，再计算试验温度，进而开展试验。

7.根据权利要求1所述的评价方法，其特征在于，所述热老化试验的试验温度为350℃-365℃。

8.根据权利要求1所述的评价方法，其特征在于，部件的实际服役载荷大小为采用有限元分析或力学计算的方法获得。

9.根据权利要求8所述的评价方法，其特征在于，部件的实际服役温度为查阅对应部件的实际服役载荷的服役数据获得。

10.根据权利要求1所述的评价方法，其特征在于，裂纹的萌生时间与载荷的n次方的倒数呈正比，其中的n为载荷加速系数。

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