SA-210C钢高温单轴蠕变Norton方程参数研究

郑相锋，李文彬，范 辉，杨保荣，王志国

(1.河北省电力建设调整试验所，石家庄 050021；2.国网河北省电力公司电力科学研究院，石家庄 050021；3.河北兴泰发电有限责任公司，河北 邢台 054000；4.河北衡丰发电有限责任公司，河北 衡水 053000)

SA-210C钢高温单轴蠕变Norton方程参数研究

郑相锋1，李文彬1，范 辉2，杨保荣3，王志国4

(1.河北省电力建设调整试验所，石家庄 050021；2.国网河北省电力公司电力科学研究院，石家庄 050021；3.河北兴泰发电有限责任公司，河北 邢台 054000；4.河北衡丰发电有限责任公司，河北 衡水 053000)

针对SA-210C钢缺乏高温蠕变数据的情况，结合SA-210C钢的蠕变损伤和本构方程，通过对SA-210C钢进行高温单轴蠕变拉伸试验和数值拟合，得到其高温蠕变Norton方程参数，为评估SA-210C钢的蠕变寿命提供依据。

SA-210C钢；蠕变；本构方程；寿命评估

锅炉水冷壁、省煤器、低温再热器等部件通常采用20G高压锅炉管，但随着电站锅炉工作参数的不断提高，特别是亚临界、超临界锅炉的出现，使锅炉管的壁厚不断增加。SA-210C是一种强度高于20G，工艺性能良好的钢种，常用来代替20G制造亚临界、超亚临界锅炉的受热面。

SA-210C钢与GB 5310-2008《高压锅炉用无缝钢管》中的25MnG性能相当，但该产品的塑性要求高于25MnG。该钢种一般应用于锅炉低温过热器，该受热面的服役温度较高，长期运行有可能发生蠕变损伤，但国内外相关高温蠕变数据很少。因此对其高温蠕变性能的研究，有助于对在役SA-210C钢进行寿命评估，预防锅炉爆管的发生。

1 蠕变损伤与本构方程

1.1 蠕变损伤

高温材料蠕变的研究主要包括两方面的内容，一是从微观角度研究蠕变机理及冶金因素对蠕变特性的影响，为高温耐热材料的成分设计和生产提供理论依据；另一方面从宏观的角度着手，在宏观试验的基础上，分析蠕变试验数据，建立描述蠕变规律的理论，进而为高温结构的设计与寿命预测提供理论基础。

损伤研究的目的是为了研究受损结构的承载能力，一般是研究裂纹起裂前的寿命。结构损伤研究的关键在于确定损伤耦合的本构方程，其参数的确定一般需要在不同载荷水平下进行高温蠕变试验，进而得到一组蠕变曲线，然后对数据进行分析研究，得到材料的高温蠕变参数。

1.2 本构方程

蠕变特性可以分为单轴和多轴2种情形，在实验室里单轴加载的试样，其特性可用单轴本构关系描述，材料的单轴本构方程提供了材料的最基本信息，可以用来评价材料的优劣，目前已提出了许多相对简单的单轴本构关系来描述标准的蠕变曲线，其中较为常用的有Norton的幂律方程，其适用于大多数金属材料[1]。

在构造一个本构方程时，首先应分离应变的弹性部分和非弹性部分，对于高温环境下的单轴拉伸试样，总应变可表达为：

ε=εe+εp+εc

(1)

式中：εe为瞬时弹性(或弹塑性)应变；εp为塑性应变；εc为蠕变应变。

弹性应变由胡克定理给出，塑性应变由流动准则给出，而蠕变应变则可以通过试验并回归成关于应力σ、温度T以及时间t的一个函数：

εc=f(σ，t，T)

(2)

对于典型单轴蠕变试验，当试验温度一定(不考虑温度的影响)时，可以给出一个简单的经验公式：

εc=Btmσn

(3)

式中：B、m和n均为材料常数。

在恒应力条件下的试验结果表明，蠕变应变率在蠕变第2阶段是一定值，则上式可简化成Norton的幂律方程：

(4)

由单轴拉伸蠕变试验得到相应的B和n值，再采用有限元分析就可以预测出蠕变损伤寿命。

2 单轴蠕变拉伸试验

2.1 拉伸试样制取

试验材料采用规格为φ60 mm×7 mm，材质为SA-210C钢的受热面管，其金相组织为典型的珠光体+铁素体组织，见图1。化学成分符合ASME锅炉及压力容器规范材料卷中SA-210C钢的要求，见表1。

图1 试验材料SA-210C钢金相组织

表1 试验材料SA-210C钢化学成分 %

单轴蠕变试样的设计和机加工参考GB/T 2039-2012《金属材料 单轴拉伸蠕变试验方法》，标准中推荐了2种横截面类型的蠕变试样：圆形横截面和矩形横截面。由于试样尺寸无法取出符合要求的圆形横截面标准蠕变试样，因此试验采用矩形横截面的试样形式，试样如图2所示。

图2 试验中采用的蠕变试样

2.2 试验结果

单轴蠕变试验采用CSS-3910型电子高温持久蠕变试验机，试验温度为723 K(450 ℃)，试验载荷为220 MPa、200 MPa、180 MPa。

根据蠕变试验机中数据记录系统，提取出单轴蠕变试验中变形和时间的数据，得出试样在不同应力水平下的应变-时间曲线，如图3所示。单轴蠕变试验结果见表2。

图3 SA-210C钢在450 ℃时的应变-时间曲线

材料的最小蠕变速率和应力满足Norton指数关系：

(5)

式中：B，n均为材料的常数。

将表2数据带入式(5)，通过取对数后线性化的方法，利用最小二乘数法进行拟合可以计算得到B=5.349E-24,n=8.848 8。拟合决定系数为0.967 7，表面拟合的材料高温蠕变常数是可信的。

3 结论

a. 对电站锅炉低温过热器材料的SA-210C钢进行高温蠕变试验，采用最小二乘法进行了拟合，得到了SA-210C钢的Norton蠕变本构方程的材料常数，其值为B=5.349E-24、n=8.848 8。

b. 利用试验结果，基于高温蠕变损伤原理，开发受热面管的有限元高温损伤程序，进而可以评估SA-210C钢的蠕变寿命，对其蠕变爆管预测具有重要意义。

[1] Hyde TH,Sun W,Williams JA. Prediction of creep failure life of internally pressurized thick walled CrMoV pipes[J].International Journal of Pressure Vessels and Piping,1999(76):925-933.

本文责任编辑：齐胜涛

Research on High Temperature Single Axex Creep Norton Equation Parameters of SA-210C Steel

Aiming at the lack of SA-210C steel high-temperature creep data,the paper describes SA-210C steel creep damage and constitutive equations.After high temperature tensile creep test of SA-210C steel and numerical value fitting,gets the high-temperature creep Norton equation parameter,and considers that this parameter can evaluate SA-210C steel creep life.

SA-210C steel；creep；constitutive equation；life evaluation

2013-08-16

郑相锋(1980-)，男，高级工程师，主要从事电厂金属材料焊接和寿命评估工作。

TK223.3

A

1001-9898(2014)01-0005-02