楊家兵

(中韓(武漢)石油化工有限公司,湖北 武漢 430082)

耐熱鋼是指在高溫環(huán)境下具有較高的強(qiáng)度和良好的化學(xué)穩(wěn)定性的合金鋼。工程上按照其正火組織將耐熱鋼分為奧氏體耐熱鋼、馬氏體耐熱鋼、鐵素體耐熱鋼和珠光體耐熱鋼等【1】。耐熱鋼因其優(yōu)越的性能被廣泛應(yīng)用在石油化工、航空航天、能源電力等領(lǐng)域。然而,在實(shí)際工程中卻時(shí)常發(fā)現(xiàn)耐熱鋼設(shè)備在遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)壽命的情況下出現(xiàn)蠕變斷裂失效,這與耐熱鋼所處服役環(huán)境有著密切的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)【2】,高溫環(huán)境下耐熱鋼的力學(xué)性能與常溫(較低溫)時(shí)有著顯著的差別,即使應(yīng)力遠(yuǎn)低于常溫屈服強(qiáng)度,鋼材也會發(fā)生蠕變斷裂。

考慮到蠕變斷裂的危害性,國內(nèi)外研究者對不同金屬材料的蠕變斷裂機(jī)制作了大量的研究。劉源等【3】在600 ℃、100 MPa應(yīng)力條件下進(jìn)行了P91鐵素體耐熱鋼的蠕變試驗(yàn),通過掃描電鏡及EBSD(電子背散射衍射技術(shù))對蠕變過程中不同區(qū)域的微觀組織進(jìn)行了觀察,發(fā)現(xiàn)經(jīng)過 2 000 h蠕變試驗(yàn),P91鐵素體耐熱鋼微觀組織中形成了大量的蠕變孔洞,這或?qū)⑹荘91鐵素體耐熱鋼發(fā)生蠕變斷裂的一個(gè)積極因素。Yu等【4】對G115馬氏體耐熱鋼在923 K溫度下進(jìn)行了一系列不同加載應(yīng)力(130～200 MPa)的蠕變試驗(yàn),其研究結(jié)果表明, 應(yīng)力升高可以有效地促進(jìn)空洞的形核和生長, 進(jìn)而加速G115馬氏體耐熱鋼蠕變斷裂進(jìn)程。

然而,目前國內(nèi)外關(guān)于P12耐熱鋼的高溫蠕變性能方面的研究極少。P12耐熱鋼是美國ASTM A335/A335M“高溫服役用鐵素體無縫合金鋼管標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范”中的低合金鋼,屬于珠光體耐熱鋼【5-7】。在某石化企業(yè)中有大量P12耐熱鋼高溫蒸汽管道服役,服役溫度在500 ℃以上。這些管道更換成本高,發(fā)生蠕變斷裂失效或?qū)⒁l(fā)嚴(yán)重的后果。因此研究其蠕變斷裂機(jī)理并準(zhǔn)確、合理地預(yù)測管道的服役壽命有著重要的意義。

為此,本文將從微觀組織演化角度研究P12耐熱鋼蠕變斷裂機(jī)理,并通過系列高溫持久試驗(yàn)確定P12耐熱鋼Manson-Haferd參數(shù)PMH(σ),以便進(jìn)行P12耐熱鋼蒸汽管道的壽命預(yù)測。

1 試驗(yàn)方法與過程

1.1 P12耐熱鋼蠕變試驗(yàn)

金屬材料的微觀組織結(jié)構(gòu)是決定其宏觀力學(xué)性能的重要因素,為此通過研究P12耐熱鋼蠕變過程中微觀組織演化情況揭示其蠕變斷裂機(jī)理。為獲得不同蠕變時(shí)間下的P12耐熱鋼試樣,對P12耐熱鋼在630 ℃、70 MPa應(yīng)力條件下進(jìn)行了一系列不同加載時(shí)間(0～360 h,步長為30 h)的蠕變試驗(yàn),試樣編號為0～12號,其中0號為原始材料試樣,不參與蠕變試驗(yàn)。所有蠕變試驗(yàn)均在如圖1所示的RDJ系列機(jī)械式蠕變持久試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。最終,蠕變試驗(yàn)后的1～12號試樣如圖2 所示。

圖1 RDJ系列機(jī)械式蠕變持久試驗(yàn)機(jī)

圖2 蠕變后的1～12號試樣

1.2 P12耐熱鋼微觀組織檢測試驗(yàn)

為探究P12耐熱鋼蠕變過程中微觀組織的演化情況,對上述0～12號試樣進(jìn)行金相顯微組織檢測。檢測流程為: 取試樣的截面樣、 鑲嵌、 磨制、 拋光、 腐蝕、 觀察組織, 其中截面樣選取在試樣正中央位置。所有試樣的檢測觀察倍數(shù)均分別為100×、200×、500×和1 000×。圖3所示為0號試樣的金相顯微組織圖像,白色區(qū)域?yàn)殍F素體組織,黑色區(qū)域?yàn)橹楣怏w組織,需要說明的是,白色區(qū)域中的黑色小點(diǎn)并非為珠光體組織,而是碳化物。

圖3 0號試樣的金相顯微組織圖像

圖4所示為1～12號試樣觀測倍數(shù)為1 000×的金相顯微組織圖像。由圖4可知,1～6號試樣金相組織成分為鐵素體、珠光體和極少量的碳化物,而7～12號試樣金相組織成分為鐵素體、珠光體和大量的碳化物,且蠕變時(shí)間越長,碳化物的分析量越多。

圖4 1～12號試樣的金相顯微組織圖像(1 000×)

為了進(jìn)一步研究P12耐熱鋼在高溫蠕變條件下微觀組織結(jié)構(gòu)的變化情況,尤其是其珠光體組織的演化情況,對P12耐熱鋼部分試樣(0、3、6、8～12號)進(jìn)行具有更高放大倍數(shù)的掃描電鏡分析。上述試樣的檢測觀察倍數(shù)為2 000×、5 000×、10 000×、15 000×和20 000×。圖5所示為0號試樣的掃描電鏡圖像,深色區(qū)域?yàn)殍F素體基體,淺色突出區(qū)域?yàn)闈B碳體組織,而深色區(qū)域中出現(xiàn)的淺色白點(diǎn)為碳化物。圖6所示為上述8個(gè)試樣觀測倍數(shù)為20 000×的掃描電鏡圖像。由圖6可知,隨著蠕變時(shí)間的延長,珠光體組織發(fā)生了明顯的球化現(xiàn)象,滲碳體組織的形狀由片狀逐漸變化為球狀或粒狀,其尺寸和數(shù)量也隨蠕變時(shí)間的累積而下降。

圖5 0號試樣的掃描電鏡圖像

2 P12耐熱鋼蠕變過程中微觀組織演化的定量研究

由圖4和圖6可知,隨著蠕變時(shí)間的延長,P12耐熱鋼微觀組織發(fā)生了明顯的變化,主要體現(xiàn)在珠光體球化和碳化物析出兩方面。為了定量分析其微觀組織演化情況,即定量確定碳化物析出情況以及珠光體球化情況,本文基于Python語言并結(jié)合計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)對各試樣的金相顯微組織圖像和掃描電鏡圖像進(jìn)行圖像處理。

2.1 碳化物析出程度隨蠕變時(shí)間的變化

為研究P12耐熱鋼蠕變過程中碳化物析出程度的變化情況,對0～12號試樣中觀測倍數(shù)為1 000×的金相顯微組織圖像進(jìn)行圖像處理,具體步驟包括:圖像二值化處理、填充孔洞、分水嶺分割、降噪處理、編號、統(tǒng)計(jì)分析。圖7所示為經(jīng)圖像處理后的12號試樣的金相顯微組織,圖像中將碳化物逐一進(jìn)行了編號,統(tǒng)計(jì)碳化物編號數(shù)即可得到其碳化物個(gè)數(shù),而對每個(gè)碳化物區(qū)域進(jìn)行像素點(diǎn)統(tǒng)計(jì)可以獲得每個(gè)碳化物區(qū)域的面積等數(shù)據(jù)。

表1所示為0～12號試樣中碳化物個(gè)數(shù)、 總面積、 平均面積和組織占比。很明顯, 隨著蠕變時(shí)間的不斷累加, 整體上P12耐熱鋼微觀組織中碳化物析出程度不斷上升。這種上升不僅體現(xiàn)在碳化物的數(shù)量上, 碳化物平均尺寸也隨之上升, 也就是說蠕變過程中P12耐熱鋼微觀組織中的碳化物組織在不斷“生長”。此外, 碳化物組織占比也隨著蠕變程度的加深而增大, 未服役P12耐熱鋼材料(0號試樣)中碳化物組織僅有0.010%,而在11號試樣中(即持久時(shí)間為330 h)碳化物組織占比卻高達(dá)3.459%。而碳化物的析出或?qū)⑷趸饘俨牧系暮暧^力學(xué)性能, 尤其是耐熱鋼的斷裂韌性(抵抗裂紋擴(kuò)展能力), 這意味著P12耐熱鋼發(fā)生蠕變斷裂或許在一定程度上是由碳化物大量析出導(dǎo)致其抵抗裂紋能力下降而造成的。

2.2 珠光體球化程度隨蠕變時(shí)間的變化

珠光體球化是指當(dāng)溫度較高時(shí),原子活動力增強(qiáng),擴(kuò)散速度增加,片狀滲碳體便逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹闋? 再積聚成大球團(tuán), 從而使材料的屈服點(diǎn)、 抗拉強(qiáng)度、 沖擊韌性、 蠕變極限和持久極限產(chǎn)生下降的現(xiàn)象【8】。為定量分析蠕變過程中P12耐熱鋼微觀組織中珠光體球化的情況, 對圖6中的8個(gè)試樣觀測倍數(shù)為20 000×的掃描電鏡圖像進(jìn)行圖像處理, 以獲得其珠光體球化級別、 滲碳體數(shù)量、 滲碳體總面積和滲碳體平均面積等數(shù)據(jù), 如表2所示。

由表2可知,隨著蠕變時(shí)間的不斷延長,P12耐熱鋼中珠光體組織發(fā)生了明顯的球化現(xiàn)象,值得注意的是,12號試樣在630 ℃、70 MPa應(yīng)力條件下只進(jìn)行了360 h的蠕變試驗(yàn),試樣的球化等級已經(jīng)高達(dá)3級,可以預(yù)見,若蠕變時(shí)間繼續(xù)延長幾千或上萬小時(shí),其球化等級會更高或完全球化,甚至有可能斷裂,說明P12耐熱鋼在超溫狀況下材料性能將隨蠕變時(shí)間延長而進(jìn)一步劣化。而滲碳體數(shù)量隨著蠕變時(shí)間的累積而減少。此外,滲碳體的尺寸也發(fā)生了明顯的變化,0～12號試樣的平均面積由2.26×10-4μm2降低到1.51×10-4μm2。由此可見,珠光體球化在P12耐熱鋼的蠕變斷裂過程中起到重要的作用。

3 基于Manson-Haferd參數(shù)法的P12高溫蒸汽管道壽命預(yù)測分析

3.1 Manson-Haferd參數(shù)法

Manson和Haferd【9】對金屬材料的高溫持久試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí),發(fā)現(xiàn)應(yīng)力一定時(shí)溫度和斷裂時(shí)間的對數(shù)之間呈線性關(guān)系,如式(1)所示。

PMH(σ)=(lgtr-lgta)/(T-Ta)

(1)

式中:PMH(σ)——與應(yīng)力σ有關(guān)的Manson-Haferd參數(shù);

T——絕對溫度,K;

tr——斷裂時(shí)間,h;

lgta、Ta——為與金屬自身相關(guān)的材料常數(shù)。

由于目前缺乏P12耐熱鋼高溫持久試驗(yàn)數(shù)據(jù),并不能直接確定其材料常數(shù)lgta和Ta。但一直以來M-H常數(shù)(Ta、lgta)都被認(rèn)為是兩個(gè)相對獨(dú)立的數(shù)值,在數(shù)據(jù)處理過程中往往需要確定這兩個(gè)常數(shù)的值。前期工作【10】表明,許多耐熱鋼的M-H常數(shù)(Ta、lgta)之間存在良好的線性關(guān)系,如圖8所示。分析發(fā)現(xiàn),在直線上選取不同的M-H 常數(shù)對預(yù)測精度的影響較小,即M-H常數(shù)(Ta、lgta)可以在圖8所示直線上較寬的范圍內(nèi)取值,并且對預(yù)測精度的影響不大。這同時(shí)也提出了一種可能性:可以選取1組M-H常數(shù)來關(guān)聯(lián)部分鋼種的持久性能數(shù)據(jù),這樣不僅可使高溫性能數(shù)據(jù)的外推變得簡便,還能使之保持較高的預(yù)測精度。

日本國立材料研究所NIMS中牌號為1Cr-0.5Mo鋼與P12耐熱鋼具有極為相近的成分與力學(xué)性能,所以本文暫時(shí)以1Cr-0.5Mo鋼的材料常數(shù)lgta和Ta作為P12耐熱鋼的材料常數(shù),即lgta取值為510,Ta取值為13.097 98,待積累一定的P12耐熱鋼高溫持久試驗(yàn)數(shù)據(jù)后再進(jìn)行修正。因此,對于P12耐熱鋼,式(1)可描述為式(2)。

PMH(σ)=(lgtr-510)/(T-13.097 98)

(2)

通過式(2)可以對一定溫度、應(yīng)力條件下的P12耐熱鋼設(shè)備進(jìn)行壽命預(yù)測。但其中PMH(σ)目前并不知曉,因此還需確定P12耐熱鋼的PMH(σ)參數(shù)。

3.2 P12耐熱鋼P(yáng)MH(σ)參數(shù)的確定

為獲取P12耐熱鋼P(yáng)MH(σ)參數(shù)與應(yīng)力σ之間的關(guān)系,對P12耐熱鋼進(jìn)行系列高溫持久試驗(yàn),結(jié)果如表3所示。

對表3中的持久試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合(如圖9所示),發(fā)現(xiàn)PMH(σ)與應(yīng)力σ之間的關(guān)系可以采用多項(xiàng)式進(jìn)行描述,如式(3)所示。

圖9 P12耐熱鋼高溫持久試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合

PMH(σ)=0.171 87-0.296 44lgσ+

0.150 38(lgσ)2-0.026 22(lgσ)3

(3)

由于項(xiàng)目科研經(jīng)費(fèi)有限,持久試驗(yàn)數(shù)據(jù)較少,持久試驗(yàn)的最長時(shí)間只有300 h,所以式(3)的精度有待大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正和驗(yàn)證,后續(xù)將持續(xù)開展持久試驗(yàn)工作。

3.3 P12耐熱鋼高溫蒸汽管道的壽命預(yù)測

P12耐熱鋼高溫蒸汽管道規(guī)格為DN350,即外徑355.6 mm,壁厚15.5 mm,管道的內(nèi)壓折算應(yīng)力σ為43.15 MPa,服役溫度條件為520 ℃。將上述條件參數(shù)帶入式(3)并聯(lián)立式(2)可得:

(4)

求解式(4)可算出內(nèi)壓折算應(yīng)力σ為43.15 MPa、服役溫度為520 ℃的P12耐熱鋼高溫蒸汽管道的服役壽命為19.98萬h。

4 結(jié)論

為探究P12耐熱鋼蠕變斷裂機(jī)理并預(yù)測P12耐熱鋼高溫蒸汽管道服役壽命,進(jìn)行了系列高溫蠕變試驗(yàn)、高溫持久試驗(yàn)、金相顯微組織檢測試驗(yàn)和掃描電鏡試驗(yàn),并基于Python語言以及結(jié)合計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)對P12耐熱鋼微觀組織圖像進(jìn)行圖像處理,得到了以下結(jié)論:

1) 蠕變時(shí)間的延長會加劇碳化物的析出程度,一方面碳化物的數(shù)量不斷上升,另一方面碳化物的尺寸也隨蠕變時(shí)間的累積而增大,這意味著碳化物組織在P12耐熱鋼蠕變過程中是不斷成長的,這或?qū)档蚉12耐熱鋼的力學(xué)性能。

2) 蠕變現(xiàn)象的發(fā)生同時(shí)會導(dǎo)致P12耐熱鋼微觀組織中的珠光體成分發(fā)生球化現(xiàn)象,當(dāng)蠕變時(shí)間達(dá)到360 h時(shí),P12耐熱鋼珠光體球化級別高達(dá)3級,且隨蠕變時(shí)間的持續(xù)延長,珠光體球化級別或?qū)⒏?。此?珠光體中的滲碳體尺寸、數(shù)量隨蠕變時(shí)間的增大而減小,這或?qū)⑹荘12耐熱鋼蠕變斷裂的重要機(jī)理之一。

3) 通過高溫持久試驗(yàn)可以歸納出P12耐熱鋼Manson-Haferd參數(shù)PMH(σ)與應(yīng)力σ之間的關(guān)系,由此可確定P12耐熱鋼溫度-應(yīng)力-時(shí)間三者之間的關(guān)系式,進(jìn)而可外推預(yù)測P12耐熱鋼高溫蒸汽管道的服役壽命。