CN116050228A - 一种用于p92主蒸汽管道焊接接头的蠕变寿命预测方法 - Google Patents

一种用于p92主蒸汽管道焊接接头的蠕变寿命预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于P92主蒸汽管道焊接接头的蠕变寿命预测方法，包括以下步骤：基于微创取样技术、微观组织表征设备，获得服役后P92钢焊接接头微观组织；通过对焊接接头微观组织进行分级处理确定P92钢焊接接头中劣化最显著的区域；通过有限元技术和P92钢焊接构件的实际服役压力，获得结构件的最大主应力；通过最大主应力和分级后的微观组织，基于与温度相关的Larson‑Miller蠕变寿命预测方法，确定该条件下焊接接头的蠕变寿命。本发明将微观组织劣化导致的蠕变寿命降低纳入P92钢焊接接头寿命评估中，可以解决传统法无法直接预测焊接构件蠕变寿命的局限性，进一步确保P92钢焊接结构在高温条件下安全服役。

Description

一种用于P92主蒸汽管道焊接接头的蠕变寿命预测方法
技术领域
本发明涉及电力行业常用马氏体耐热钢P92钢焊接接头的蠕变寿命预测技术领域，尤其涉及一种用于P92主蒸汽管道焊接接头的蠕变寿命预测方法。
背景技术
P92钢是一种应用于550℃-630℃超（超）临界机组中的9Cr马氏体耐热钢。因其良好的持久强度、蠕变强度和抗氧化性以及优异的经济性，P92钢已经被广泛应用于超（超）临界机组的主蒸汽管道、再热器和箱体等重要部件。由于P92钢构件常常服役在高温条件下，在蠕变载荷的长期作用过程中会出现析出相粗化、蠕变孔洞以及微裂纹等情况，降低材料的蠕变强度。同时，这些结构件在使用过程中不可避免的采用焊接工艺进行连接，而焊接接头中焊缝区域和热影响区的组织和性能与母材相比，往往存在较大差异，进而导致结构件在焊接接头处发生蠕变断裂失效。特别的，以9Cr马氏体钢为例，其焊接接头热影响区往往出现IV型裂纹，显著降低材料的蠕变强度，最终导致断裂失效的发生。此外，现有蠕变寿命预测方法，如Larson-Miller外推法，Monkman-Grant外推法，θ投影法，有限元损伤计算法，一般是利用长时蠕变数据对母材在实际工况下的蠕变寿命进行外推预测。针对焊接接头，美国ASME NH标准和法国RCC MRx标准推荐采用衰减系数作为P92钢焊接接头与母材的蠕变强度联系的桥梁。但是，当P92结构件的显微硬度低于某一标准值时，其剩余蠕变寿命会迅速降低。这意味着当P92钢材料劣化至某一时刻，其蠕变强度会发生显著变化。而传统蠕变寿命预测方法忽视了材料劣化导致的蠕变强度迅速降低的现象。因此，考虑蠕变过程中微观组织和蠕变孔洞的演化，开发基于分级微观组织技术的P92主蒸汽管道焊接接头蠕变寿命预测方法对于准确评估P92钢结构件在高温蠕变条件下的剩余使用寿命具有重要意义。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于针对材料劣化条件下蠕变寿命精准预测的发展需求，提出了基于分级微观组织技术的P92主蒸汽管道焊接接头蠕变寿命预测方法，该方法可有效地解决现有预测方法在蠕变过程中微观组织考虑不全面等问题，为服役在复杂工况下P92钢焊接构件的蠕变性能评估提供一种新的方法。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种用于P92主蒸汽管道焊接接头的蠕变寿命预测方法，包括以下步骤：
采集服役后的P92钢焊接接头的微观组织，通过对微观组织进行分级处理，确定P92钢焊接接头中劣化最显著的区域；
基于P92钢焊接接头的实际服役压力，依据有限元技术，获取P92钢焊接接头的最大主应力；
在考虑服役环境温度的前提下，根据分级后的微观组织和最大主应力，构建蠕变寿命预测模型，用于预测P92钢焊接接头在服役条件下的的蠕变寿命，其中，蠕变寿命预测模型表示为：
式中， P LM 为Larson-Miller系数， T为服役环境温度， C、 a 0、 a 1、 a 2为材料常数， t r 为蠕变断裂时间， σ为最大主应力。
优选地，在采集服役后的P92钢焊接接头的微观组织的过程中，通过对P92钢焊接接头的热影响区、焊缝区和母材区进行取样，获取微观组织。
优选地，在确定劣化最显著的区域的过程中，获取微观组织的蠕变孔洞数量、蠕变孔洞尺寸和Laves相尺寸，并通过二分法对微观组织进行分级处理，确定P92钢焊接接头中劣化最显著的区域。
优选地，在对微观组织进行分级处理的过程中，微观组织的分级标准为：
I级：P92钢焊接接头热影响区中临界区或细晶区开始出现蠕变空洞，蠕变空洞只是单独的出现个别晶粒的晶界中，每个晶粒上蠕变空洞数量不大于1，其中，蠕变空洞平均尺寸为4-5μm，Laves相平均长度小于0.85μm；
II级：P92钢焊接接头热影响区中临界区、细晶区蠕变空洞出现在一个晶粒的多个晶界中，每个晶粒的每个晶界上蠕变空洞数量不大于1，其中，蠕变空洞平均尺寸为5-7.5μm，Laves相平均长度为0.85-1μm；
III级：P92钢焊接接头热影响区中临界区、细晶区蠕变空洞出现在一个晶粒的多个晶界中，每个晶粒的每个晶界上蠕变空洞数量大于等于2，蠕变空洞未出现聚集，且相邻蠕变空洞距离大于蠕变空洞的直径，其中，蠕变空洞平均尺寸为7.5-10μm，Laves相平均长度为1-1.15μm；
IV级：P92钢焊接接头热影响区中临界区、细晶区蠕变空洞在多个晶粒的晶界上聚集或在晶界上出现微裂纹，其中，蠕变空洞平均尺寸为10-15μm，Laves相平均长度为1.15-1.3μm。
优选地，在获取P92钢焊接接头的最大主应力的过程中，获取具有P92钢焊接接头的主蒸汽管道尺寸以及实际服役压力和应力状态，依据ABAQUS软件，计算生成最大主应力。
优选地，在获取蠕变寿命的过程中，基于微观组织的分级标准，通过蠕变寿命预测模型进行寿命预测，获取依据分级标准生成的蠕变寿命。
优选地，在生成依据分级标准生成的蠕变寿命的过程中，微观组织I级下P92钢焊接接头寿命为蠕变寿命预测模型预测寿命的60%；
微观组织II级下P92钢焊接接头寿命为蠕变寿命预测模型预测寿命的45%；
微观组织III级下P92钢焊接接头寿命为蠕变寿命预测模型预测寿命的20%；
微观组织IV级下P92焊接接头寿命为蠕变寿命预测模型预测寿命的5%。
优选地，用于实现蠕变寿命预测方法的蠕变寿命预测系统，包括：
劣化识别模块，用于通过采集服役后的P92钢焊接接头的微观组织，并对微观组织进行分级处理，确定P92钢焊接接头中劣化最显著的区域；
主应力计算模块，用于根据劣化识别模块的识别结果，基于P92钢焊接接头的实际服役压力，依据有限元技术，获取P92钢焊接接头的最大主应力；
蠕变寿命预测模块，用于在考虑服役环境温度的前提下，根据分级后的微观组织和最大主应力，构建蠕变寿命预测模型，用于预测P92钢焊接接头在服役条件下的的蠕变寿命，其中，蠕变寿命预测模型表示为：
式中， P LM 为Larson-Miller系数， T为服役环境温度， C、 a 0、 a 1、 a 2为材料常数， t r 为蠕变断裂时间， σ为最大主应力。
优选地，劣化识别模块还用于对服役的P92钢焊接接头的微观组织，依据分级标准进行分级，根据分级结果，确定劣化最显著的区域。
优选地，蠕变寿命预测模块还用于通过蠕变寿命预测模型，对服役的P92钢焊接接头进行寿命预测，并依据分级结果，获取基于不同分级结果下的蠕变寿命。
本发明公开了以下技术效果：
本发明考虑了蠕变过程中微观组织劣化导致的蠕变寿命降低，并将其纳入P92钢焊接接头寿命评估，弥补了传统寿命预测方法在微观组织演化方面的不足；采用有限元方法计算P92钢焊接接头构件中易失效位置区域，解决了传统蠕变寿命预测方法无法直接应用于工程构件的局限性；提高剩余寿命预测精度，为服役在高温蠕变条件下机组的安全稳定运行提供保障，降低因管道维修更换带来的经济损失。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所述的基于分级微观组织技术的P92主蒸汽管道焊接接头蠕变寿命预测方法研究路线示意图；
图2是本发明实施例所述的便携式取样机取样示意图；
图3是本发明实施例所述的4000h蠕变条件下P92钢焊接接头细晶区蠕变孔洞；
图4是本发明实施例所述的4000h蠕变条件下P92钢焊接接头细晶区Laves相；
图5是本发明实施例所述的P92钢焊接接头构件有限元模型示意图；
图6是本发明实施例所述的P92钢焊接接头构件有限元计算结果示意图。
具体实施方式
下为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如图1-6所示，本发明提供了提供了基于分级微观组织技术的P92主蒸汽管道焊接接头蠕变寿命预测方法，包括以下步骤：
步骤1，基于便携式微创取样机（申请号：201610118068.9）对在役P92钢主蒸汽管道焊接接头的热影响区、焊缝区和母材区分别取样，制备微观组织观察样品以及显微硬度测试样品；
步骤2，基于步骤1中的观察样品，识别P92钢主蒸汽管道服役后的焊接接头热影响区、焊缝区和母材区的组织特征，主要包括蠕变孔洞数量及尺寸和Laves相尺寸；
步骤3，基于步骤2中P92钢主蒸汽管道服役后的组织特征，利用二分法对二十个视场下蠕变空洞的尺寸与数量和Laves相的尺寸进行统计，并对P92钢主蒸汽管道焊接接头进行分级。
具体的，微观组织分级标准如下：
I级：P92钢焊接接头热影响区中临界区或细晶区开始出现蠕变空洞，蠕变空洞只是单独的出现个别晶粒的晶界中，每个晶粒上蠕变空洞数量不大于1，蠕变空洞平均尺寸4-5μm；Laves相平均长度小于0.85μm。
II级：P92钢焊接接头热影响区中临界区、细晶区蠕变空洞出现在一个晶粒的多个晶界中，每个晶粒的每个晶界上蠕变空洞数量不大于1；蠕变空洞平均尺寸5-7.5μm；Laves相平均长度在0.85-1μm，。
III级：P92钢焊接接头热影响区中临界区、细晶区蠕变空洞出现在一个晶粒的多个晶界中，每个晶粒的每个晶界上蠕变空洞数量大于等于2，蠕变空洞未出现聚集；相邻蠕变空洞距离大于蠕变空洞的直径；蠕变空洞平均尺寸7.5-10μm；Laves相平均长度在1-1.15μm。
IV级：P92钢焊接接头热影响区中临界区、细晶区蠕变空洞在多个晶粒的晶界上聚集或在晶界上出现微裂纹；蠕变空洞平均尺寸10-15μm；Laves相平均长度在1.15-1.3μm。
步骤4，基于P92钢主蒸汽管道尺寸以及服役压力和应力状态，利用ABAQUS软件计算微创取样P92主蒸汽管道焊接接头的最大主应力水平，利用与温度相关的焊接接头的应力-蠕变破断寿命Larson-Miller关系，确定该应力水平下P92钢母材的蠕变寿命；
步骤5，基于步骤2观察的组织状态、步骤3的微观组织分级标准和步骤4的最大主应力水平下P92钢母材的蠕变寿命，计算P92钢焊接接头剩余蠕变寿命；
具体的，微观组织I级下P92钢焊接接头寿命为步骤4计算寿命的60%；微观组织II级下P92钢焊接接头寿命为步骤4计算寿命的45%；微观组织III级下P92钢焊接接头寿命为步骤4计算寿命的20%；微观组织IV级下焊接接头寿命为步骤4计算寿命的5%。
实施例1：请参阅图1所示，本发明提供的基于分级微观组织技术的P92主蒸汽管道焊接接头蠕变寿命预测方法，包括：基于微创取样技术、微观组织表征设备，获得服役后P92钢焊接接头微观组织；通过对焊接接头微观组织进行分级处理确定P92钢焊接接头中劣化最显著的区域；通过有限元技术和P92钢焊接构件的实际服役压力，获得结构件的最大主应力；通过最大主应力和分级后的微观组织（微观组织），基于与温度相关的Larson-Miller蠕变寿命预测方法,确定该条件下焊接接头的蠕变寿命。本发明做进一步说明，试验材料为P92马氏体耐热钢焊接接头。
步骤1，基于便携式微创取样机（申请号：201610118068.9）对在役P92钢主蒸汽管道焊接接头的热影响区、焊缝区和母材区分别取样，制备微观组织观察样品以及显微硬度测试样品，如图2所示。
步骤2，基于步骤1中的观察样品，识别P92钢主蒸汽管道服役后的焊接接头热影响区、焊缝区和母材区的组织特征，主要包括蠕变孔洞数量及尺寸和Laves相尺寸，如图3和图4所示。从图3和图4中可以发现，在蠕变时间为4000h时，材料内部出现明显的蠕变孔洞，Laves相呈现出粗大且形状不规则的情况。
步骤3，基于步骤2中P92钢主蒸汽管道服役后的组织特征，利用二分法对二十个视场下蠕变空洞的尺寸与数量和Laves相的尺寸进行统计，并对P92钢主蒸汽管道焊接接头进行分级。图3中P92钢细晶区的蠕变孔洞分布在一个晶粒的多个晶界上，且平均尺寸在5μm。图4中P92钢细晶区的Laves相平均尺寸在0.5μm。通过对照所提出的微观组织分级标准，可以得出在蠕变时间为4000h时，P92钢焊接接头的分级等级为I级。
步骤4，基于P92钢主蒸汽管道尺寸以及服役压力和应力状态，利用ABAQUS软件计算微创取样P92主蒸汽管道焊接接头的最大主应力水平，利用与温度相关的焊接接头的应力-蠕变破断寿命Larson-Miller关系，确定该应力水平下P92钢母材的蠕变寿命。根据所提供的管道参数，建立基于ABAQUS软件的有限元模型，如图5所示。模型所使用参数如下：外径813mm，壁厚15mm，弯管半径1219mm，上侧直管段长度1450mm，右侧直管段长度950mm。根据焊接工艺及金相观察，在直管段两端绘制环焊缝区域，并根据实际焊接情况，设置一定宽度的热影响区。在开展有限元计算时，在右侧直管段端面施加固定约束，在上侧直管段端面根据实际境况施加力，力矩以及内压。模型所使用的载荷参数如下：力值（X方向：-28083N，Y方向：-4863N，Z方向：-10281N），力矩值（X方向：-88055N·M，Y方向：102593 N·M，Z方向：217625 N·M），内压1.5MPa。施加载荷后的P92钢焊接接头构件的应力分布云图如图6所示。从图中可以发现，在该条件下最大主应力水平为258 MPa。根据Fujio Abe（Abe F. Creeprupture ductility of Gr. 91 and Gr. 92 at 550℃to 700℃[J]. Materials at HighTemperatures, 2020, 37(4): 243-255.）提供的 P92钢在550 ℃条件下的蠕变强度，利用Larson-Miller方程，如下式所示，拟合蠕变寿命预测公式。
其中，PLM为Larson-Miller系数，T为服役环境温度，C、a0、a1、a2为材料常数，tr为蠕变断裂时间，σ为最大主应力。
Kimura和Takahashi给出了P92钢母材在蠕变条件下的Larson-Miller材料参数（Kimura, K,&Takahashi, Y. "Evaluation of Long-Term Creep Strength of ASMEGrades 91, 92, and 122 Type Steels." Proceedings of the ASME 2012 PressureVessels and Piping Conference. Volume 6: Materials and Fabrication, Parts Aand B. Toronto, Ontario, Canada. July 15–19, 2012. pp. 309-316. ASME.）。其中，C=24.9556，a0=28473.7，a1=3409.2，a2=-2191.8。通过计算得出，258MPa下P92钢母材的蠕变寿命为23948.1h。
步骤5，基于步骤2观察的组织状态、步骤3的微观组织分级标准和步骤4的最大主应力水平下P92钢母材的蠕变寿命，计算P92钢焊接接头剩余蠕变寿命。当蠕变时间为4000h时，微观组织I级下P92钢焊接接头寿命为步骤4计算寿命的60%，即剩余蠕变寿命为14368.9h。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

Claims (10)

1.一种用于P92主蒸汽管道焊接接头的蠕变寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
采集服役后的P92钢焊接接头的微观组织，通过对所述微观组织进行分级处理，确定所述P92钢焊接接头中劣化最显著的区域；
基于所述P92钢焊接接头的实际服役压力，依据有限元技术，获取所述P92钢焊接接头的最大主应力；
在考虑服役环境温度的前提下，根据分级后的所述微观组织和所述最大主应力，构建蠕变寿命预测模型，用于预测所述P92钢焊接接头在服役条件下的的蠕变寿命，其中，所述蠕变寿命预测模型表示为：
；式中，P LM 为Larson-Miller系数，T为服役环境温度，C、a 0、a 1、a 2为材料常数，t r 为蠕变断裂时间，σ为最大主应力。
2.根据权利要求1所述一种用于P92主蒸汽管道焊接接头的蠕变寿命预测方法，其特征在于：
在采集服役后的P92钢焊接接头的微观组织的过程中，通过对所述P92钢焊接接头的热影响区、焊缝区和母材区进行取样，获取所述微观组织。
3.根据权利要求2所述一种用于P92主蒸汽管道焊接接头的蠕变寿命预测方法，其特征在于：
在确定劣化最显著的区域的过程中，获取所述微观组织的蠕变孔洞数量、蠕变孔洞尺寸和Laves相尺寸，并通过二分法对所述微观组织进行分级处理，确定所述P92钢焊接接头中劣化最显著的区域。
4.根据权利要求3所述一种用于P92主蒸汽管道焊接接头的蠕变寿命预测方法，其特征在于：
在对微观组织进行分级处理的过程中，所述微观组织的分级标准为：
I级：P92钢焊接接头热影响区中临界区或细晶区开始出现蠕变空洞，蠕变空洞只是单独的出现个别晶粒的晶界中，每个晶粒上蠕变空洞数量不大于1，其中，蠕变空洞平均尺寸为4-5μm，Laves相平均长度小于0.85μm；
II级：P92钢焊接接头热影响区中临界区、细晶区蠕变空洞出现在一个晶粒的多个晶界中，每个晶粒的每个晶界上蠕变空洞数量不大于1，其中，蠕变空洞平均尺寸为5-7.5μm，Laves相平均长度为0.85-1μm；
III级：P92钢焊接接头热影响区中临界区、细晶区蠕变空洞出现在一个晶粒的多个晶界中，每个晶粒的每个晶界上蠕变空洞数量大于等于2，蠕变空洞未出现聚集，且相邻蠕变空洞距离大于蠕变空洞的直径，其中，蠕变空洞平均尺寸为7.5-10μm，Laves相平均长度为1-1.15μm；
IV级：P92钢焊接接头热影响区中临界区、细晶区蠕变空洞在多个晶粒的晶界上聚集或在晶界上出现微裂纹，其中，蠕变空洞平均尺寸为10-15μm，Laves相平均长度为1.15-1.3μm。
5.根据权利要求4所述一种用于P92主蒸汽管道焊接接头的蠕变寿命预测方法，其特征在于：
在获取P92钢焊接接头的最大主应力的过程中，获取具有所述P92钢焊接接头的主蒸汽管道尺寸以及所述实际服役压力和应力状态，依据ABAQUS软件，计算生成所述最大主应力。
6.根据权利要求5所述一种用于P92主蒸汽管道焊接接头的蠕变寿命预测方法，其特征在于：
在获取蠕变寿命的过程中，基于所述微观组织的分级标准，通过所述蠕变寿命预测模型进行寿命预测，获取依据所述分级标准生成的所述蠕变寿命。
7.根据权利要求6所述一种用于P92主蒸汽管道焊接接头的蠕变寿命预测方法，其特征在于：
在生成依据分级标准生成的蠕变寿命的过程中，微观组织I级下P92钢焊接接头寿命为所述蠕变寿命预测模型预测寿命的60%；
微观组织II级下P92钢焊接接头寿命为所述蠕变寿命预测模型预测寿命的45%；
微观组织III级下P92钢焊接接头寿命为所述蠕变寿命预测模型预测寿命的20%；
微观组织IV级下P92焊接接头寿命为所述蠕变寿命预测模型预测寿命的5%。
8.根据权利要求7所述一种用于P92主蒸汽管道焊接接头的蠕变寿命预测方法，其特征在于：
用于实现蠕变寿命预测方法的蠕变寿命预测系统，包括：
劣化识别模块，用于通过采集服役后的P92钢焊接接头的微观组织，并对所述微观组织进行分级处理，确定所述P92钢焊接接头中劣化最显著的区域；
主应力计算模块，用于根据所述劣化识别模块的识别结果，基于所述P92钢焊接接头的实际服役压力，依据有限元技术，获取所述P92钢焊接接头的最大主应力；
蠕变寿命预测模块，用于在考虑服役环境温度的前提下，根据分级后的所述微观组织和所述最大主应力，构建蠕变寿命预测模型，用于预测所述P92钢焊接接头在服役条件下的的蠕变寿命，其中，所述蠕变寿命预测模型表示为：
；式中，P LM 为Larson-Miller系数，T为服役环境温度，C、a 0、a 1、a 2为材料常数，t r 为蠕变断裂时间，σ为最大主应力。
9.根据权利要求8所述一种用于P92主蒸汽管道焊接接头的蠕变寿命预测方法，其特征在于：
所述劣化识别模块还用于对服役的所述P92钢焊接接头的微观组织，依据所述分级标准进行分级，根据所述分级结果，确定劣化最显著的区域。
10.根据权利要求9所述一种用于P92主蒸汽管道焊接接头的蠕变寿命预测方法，其特征在于：
所述蠕变寿命预测模块还用于通过所述蠕变寿命预测模型，对服役的所述P92钢焊接接头进行寿命预测，并依据所述分级结果，获取基于不同分级结果下的所述蠕变寿命。
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