宋宇轩，余 婷，秦富饶，高增梁，2

(1.浙江工业大学 化工机械设计研究所,杭州 310014;2.过程装备及其再制造教育部工程研究中心,杭州 310014)

0 引言

超超临界发电机组主蒸汽管道等高温部件长期服役于连续调峰和频繁开停车的工况，承受着高温疲劳、蠕变与蠕变-疲劳交互作用的损伤[1]。高温高压等严苛的服役环境造成许多未预期的过早失效，特别是焊接接头结构，其热影响区在服役过程中的过早开裂导致压力容器损坏的案例时有发生[2-3]。高温蠕变-疲劳损伤历程中，焊接接头微观组织结构不连续性所造成的复杂断裂机制，严重制约压力容器结构完整性评估的发展。目前，国内高校和科研院所，如华东理工大学[4]、天津大学[5]、南京工业大学[6]、浙江工业大学[7]、合肥通用机械研究院有限公司[8]等也相继开展相关高温服役材料与焊接接头的寿命评估与结构完整性研究。

P92钢是目前世界各国大力发展的一种适用于超超临界发电机组主蒸汽管道的新型马氏体钢，该钢凭借其优异的高温力学性能还广泛应用于其他高温管道和设备。P92 钢主要组织为回火马氏体，具有较高的位错密度[9-10]，还受到固溶强化[10]、晶界强化与析出物强化[10-14]等强化机制的影响，具备优异的高温强度、抗蠕变性能、抗腐蚀性和抗氧化能力。P92钢的微观组织结构由原奥氏体晶粒、马氏体块、马氏体束、马氏体板条、位错以及细小的碳化物(M6C23)组成的多尺度结构[15-17]。目前，国内外已有许多学者研究了高温下Cr-Mo钢的蠕变-疲劳寿命预测模型。纪冬梅等[18]对P91钢的蠕变-疲劳寿命进行预测，发现修正的延性耗竭模型较为适用于P91钢的蠕变-疲劳寿命预测，而现有国际标准中ASME Ⅲ-NH卷采用的时间分数法和RCC-MR规范采用的延性耗竭法虽然都属于典型的线性损伤累积法，但对于P91钢，利用ASME规范预测的寿命偏保守，利用RCC-MR规范预测的寿命则高于试验值。WANG等[19-20]对应变能密度模型进行修正，获得更适合P92钢蠕变-疲劳寿命预测的修正模型，其预测结果的准确度要高于传统的蠕变-疲劳寿命预测模型，然而，修正的应变能密度模型还未在Cr-Mo钢焊接接头的蠕变-疲劳寿命预测研究中应用，并且在应变能密度寿命预测模型中采用不同的应力松弛拟合方程，会对预测精度产生重要影响。目前使用较多的应力松弛拟合方法有Gittus应力松弛模型[21]、Feltham应力松弛模型[22]以及Jeong应力松弛模型[23]。这些研究主要集中在P91钢和P92钢母材上，对焊接接头的研究相对较少。

本文针对P92钢及其焊接接头，开展650 ℃下不同保载时间的蠕变-疲劳试验，通过3种应力松弛拟合模型(Gittus，Feltham，Jeong模型)对特征蠕变-疲劳中的应力松弛进行拟合，并基于不同的拟合结果，分别采用两种修正的应变能密度寿命预测模型进行预测，分析比较其对P92钢及其焊接接头寿命预测精度，研究结果对高温压力容器焊接接头的蠕变-疲劳寿命评估与结构完整性研究具有借鉴意义。

1 材料及试验方案

1.1 材料与焊接工艺

试验所用的P92钢与焊接接头试样均取自直径、厚度和长度分别为840，80，600 mm的国产商用P92钢管(带有环焊缝)。钢管的焊接方式为埋弧自动焊(SAW)与钨极惰性气体保护焊(GTAW)。焊后在760 ℃下热处理2 h，并在空气中自然冷却，随后进行无损检测，确保焊接接头能满足相应的工业要求。P92钢和焊材的化学成分如表1所示，焊接接头母材区(BM)、焊缝区(WM)和热影响区中的粗晶区(CGHAZ)与细晶区(FGHAZ)的微观组织形貌如图1所示。

表1 P92钢和焊材的化学成分

图1 P92钢焊接接头各微区的微观形貌

1.2 试样与试验参数

焊接接头试样的取样位置与结构尺寸如图2所示。蠕变-疲劳试验在RPL100型电子蠕变-疲劳试验机进行，如图3所示。应变幅0.2%，应变速率0.001 s-1，试样变形监测采用的引伸计为3448型高温动态引伸计，标距段为25 mm。试验温度650 ℃，试验实时温度由绑在试样上、中、下部的S形热电偶测量。P92钢与焊接接头试样均采用峰值拉伸保载，保载时间为30，120，300，600，900 s。

图2 P92钢焊接接头试样的取样位置及结构尺寸

图3 RPL100蠕变-疲劳试验机

2 应力松弛拟合方法与寿命预测模型

2.1 应力松弛拟合方法

本研究主要采用的应力松弛拟合方法有Gittus 应力松弛模型[21]、Feltham应力松弛模型[22]以及Jeong应力松弛模型[23]。

(1)Gittus应力松弛公式[21]。

(1)

式中，σG为采用Gittus应力松弛模型拟合的应力；σ0为保持期开始时的应力；t为保载时间；Ω，θ为拟合Gittus应力松弛公式所需的参数。

保载期间的应力松弛速率为：

(2)

(2)FELTHAM[22]提出的应力松弛模型。

σF=σ0[1-Aln(Bt+1)]

(3)

式中，σF为采用Feltham应力松弛模型拟合的应力；A,B为蠕变变形常数，通过拟合得到。

保载期间的应力松弛速率计算如下：

(4)

(3)JEONG等[23]也提出了一种应力松弛拟合方法，该方法考虑塑性应变范围以及保载时间的影响，其松弛应力的计算公式如下：

σJ=σ0-(A′-lgΔεp+B′)lg(1+t)

(5)

式中，σJ为采用Jeong应力松弛模型拟合的应力；A′，B′为常数，由材料性能确定；Δεp为50%寿命的塑性应变范围。

(6)

2.2 蠕变-疲劳寿命预测模型

本文主要采用损伤线性累积法来预测P92钢及其焊接接头的蠕变-疲劳寿命，采用的模型主要为时间分数模型、延性耗竭模型以及两种应变能密度耗竭模型。

(1)时间分数模型。

(7)

式中，th为保载时间；tR为根据一定温度和应力确定的蠕变断裂时间。

(2)延性耗竭模型。

(8)

需要注意的是，本文没有明确区分塑性变形和蠕变变形，而是统一将它们视为非弹性应变。在该模型中，应力松弛行为也是通过Feltham应力松弛公式拟合得到。

(3)修正的应变能密度耗竭模型。

(9)

(10)

(11)

由于在蠕变-疲劳试验中引入保载时间会使断裂模式由穿晶型向混合型(跨+沿晶型)转变，因此在计算失效应变能密度和蠕变损伤时，应考虑孔洞的力学扩展。在修正的应变能密度耗竭模型中，考虑到临界极限应力以及平均应力效应，在给定瞬时非弹性应变能密度耗散速率与温度条件下，用于机械空腔生长的失效应变能密度与瞬时非弹性应变能耗散速率之间的幂律关系为：

(12)

式中，B1,n1为与温度无关的拟合常数；Q为激活能；R为通用气体常数。

(13)

所以在恒定温度下，根据修正应变能密度耗竭法的蠕变-疲劳预测寿命为：

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

3 试验结果分析与讨论

3.1 应力松弛拟合方法

P92钢及其焊接接头是一种循环软化材料，其循环软化过程主要分为3个阶段:快速软化阶段、稳态软化阶段和断裂阶段。由于断裂阶段的材料已经出现裂纹，实际已无法使用，因此为提高评估的保守性，将第二阶段峰值拉伸应力软化10%后的循环次数作为P92钢及其焊接接头的理论循环寿命。P92钢及其焊接接头的蠕变-疲劳理论循环寿命如表2所示。可以看出，P92钢母材的循环寿命随着保载时间的增加而缩短；而焊接接头的循环寿命则随着保载时间的增加先增长、再缩短，其转变点出现在保载时间为120 s的蠕变-疲劳试验中。

表2 采用延性耗竭模型的寿命预测结果

根据文献[19-20]，应变能密度模型需要拟合材料在50%循环寿命时的应力松弛行为。表3，4 分别列出P92钢母材和焊接接头基于不同应力松弛公式的拟合数据。图4,5分别示出不同保载时间下，P92钢母材和焊接接头基于不同应力松弛公式的拟合曲线，可以看出，拟合结果与试验数据吻合较好。由公式(1)(3)(5)可知，Gittus和Feltham应力松弛模型中的应力松弛行为与保载时间相关，而Jeong应力松弛模型认为，应力松弛行为与塑性应变范围和应变保持时间有关。从图4，5中可以看出，采用Jeong应力松弛模型得到的应力松弛量最大，采用Feltham应力松弛模型得到的应力松弛量最小。应力松弛量与蠕变损伤密切相关，应力松弛量高反映出材料的蠕变损伤程度高，从而导致材料的循环寿命缩短。因此，基于Jeong应力松弛拟合模型的预测结果可能最为保守；而采用Feltham应力松弛拟合方法的预测结果的保守性最小。

表3 P92钢基于不同应力松弛公式的拟合数据

表4 焊接接头基于不同应力松弛公式的拟合数据

(a)保载时间30 s

(a)保载时间30 s

3.2 蠕变-疲劳寿命预测结果

P92钢母材和焊接接头在不同保载时间下，采用时间分数模型与延性耗竭模型得到的预测结果如图6所示。从图6(a)可以看出，对于P92钢母材，所有的数据点都位于±1.5倍的误差带范围内，说明寿命预测精度较好；而对于焊接接头，80%的数据点都在±2倍的误差带范围内，只有保载900 s的数据点超出±2倍的误差带范围。此外，可以观察到时间分数模型在短时保载下预测数据点都在中间黑色实线的上方，长时保载的数据点在中间黑色实线的下方，表明时间分数模型在短时保载的情况下会存在不保守性。

(a)时间分数模型

从图6(b)中可以看出，采用延性耗竭模型的全部预测点都位于±2倍的误差带内，说明寿命预测精度较好。另外，P92钢母材的寿命预测结果都在黑色实线的下方，说明延性耗竭模型对母材寿命预测的保守性较好，但是对焊接接头的预测结果存在一定的不保守性。两种传统寿命预测方法存在不保守性的原因，可能是忽视了蠕变-疲劳交互作用，且焊接接头因存在梯度性微观组织结构而使得蠕变-疲劳损伤分布不均匀所导致。

在循环加载期间，平均应力的演变是表征循环变形行为的关键指标，也是影响材料寿命的关键因素之一。WANG等[19]提出的修正应变能密度耗竭模型考虑了反向加载的过程中产生的峰值压缩应力，其绝对值∣σmin∣会高于峰值拉伸应力的绝对值∣σmax∣，此时会出现负的压缩平均应力。P92钢母材和焊接接头在蠕变-疲劳试验过程中产生的平均应力如表5所示。

表5 蠕变-疲劳试验中不同保载时间下的平均应力

ZHAO等[20]提出了一种修正应变能密度耗竭模型，认为当应力达到蠕变极限应力时才会发生蠕变损伤。本文的蠕变-疲劳试验中，认为当应力低于蠕变极限应力时不会产生蠕变损伤，并且假设只有拉伸蠕变才会造成损伤。在本文中，蠕变极限应力σth=σ650 ℃=60 MPa，当拉伸应力σ>σ650 ℃时将会造成蠕变损伤。应变能密度耗竭模型中所需要的参数须来自纯蠕变试验，如表6[20]所示。考虑压力容器中的焊接接头存在大量不同焊接方式与结构，而针对各种焊接方式与结构开展纯蠕变试验费时费力。如果采用P92钢母材的模型参数，能使P92钢焊接接头的预测结果具有较高的精度与保守性，可对模型的工业应用价值产生重要意义。因此，本文在焊接接头的寿命预测中使用母材蠕变试验所获得的相关参数进行计算。

表6 P92钢蠕变-疲劳寿命预测所需参数

图7为P92钢母材和焊接接头的预测结果，其中，W-G SEDE, W-F SEDE, W-J SEDE分别为基于Gittus，Feltham，Jeong应力松弛拟合方法，以及WANG等修正的应变能密度耗竭模型[19]的预测结果；Z-G SEDE,Z-F SEDE,Z-J SEDE分别为基于Gittus，Feltham，Jeong应力松弛拟合方法，以及ZHAO等修正的应变能密度耗竭模型[20]的预测结果。

(a)P92钢

从图7中可以看出，采用修正应变能密度耗竭模型得到的P92钢母材寿命预测结果都位于±2倍的误差带内并比时间分数法与延性耗竭法精度高；且但对于P92钢焊接接头预测结果，除保载30 s的试样在误差带外，其他预测结果都位于±2倍的误差带内并具有很大的离散性，且保守性较低。值得注意的是，焊接接头预测结果的离散性还是无法降低，这可能是由于具有微观组织结构不均匀性焊接接头中各微区损伤分布差异所导致。未来亟需结合焊接接头的蠕变试验，获取合适的材料参数，从而进一步提高蠕变-疲劳寿命预测精度。

4 结论

本文针对P92钢及其焊接接头，开展650 ℃下不同保载时间的蠕变-疲劳试验，通过3种应力松弛拟合模型对特征蠕变-疲劳中的应力松弛进行拟合，并基于不同的拟合结果，分别采用两种修正的应变能密度寿命预测模型进行预测，分析比较其对P92钢及其焊接接头寿命预测精度，得到如下结论。

(1)650 ℃下，P92钢母材的循环寿命随着保载时间的增加而缩短；而焊接接头的循环寿命则随着保载时间的增加先增长、再缩短，其转变点出现在保载时间为120 s的蠕变-疲劳试验中。

(2)根据3种拟合方法的拟合结果，发现采用Jeong应力松弛模型得到的应力松弛量最大，采用Feltham应力松弛模型得到的应力松弛量最小。因此，基于Jeong应力松弛拟合模型的预测结果可能最为保守；而采用Feltham应力松弛拟合方法的预测结果的保守性最小。

(3)对于P92钢母材，两种应变能密度模型相较于时间分数法与延性耗竭法寿命预测精度高；但对于焊接接头，4种模型的预测结果都存在较大的离散性，但保守性较低。