蠕变对高温管道的影响

孙希文,牛冠军（中海油山东化学工程有限责任公司,济南 250000）

蠕变对高温管道的影响

孙希文,牛冠军
（中海油山东化学工程有限责任公司,济南 250000）

摘 要：在压力管道领域，具有优良的耐热、耐蚀和抗开裂性好的高温管道材料已得到广泛应用，并获得业界一致良好的评价。而这种粘弹性良好的高温管道材料的承载性和伸展性都涉及到蠕变对其造成的影响，本文就蠕变对高温管道材料的影响，如何测定高温管道材料焊接接头的蠕变程度，以及蠕变的结果作出了几方面的分析与总结。

关键词：耐热；耐蚀和抗开裂性好；承载性和伸展性；分析与总结

新一代耐高温管道材料已经被大量应用于大型发电站和燃油电站的建设,其主要被用于主蒸汽管道和电气元件等结构上,这些管道或元件在高热量、低耐力的先行条件下长期运行, 焊接接头很容易发生重度破坏。考虑到在压力管道领域，对高温管道材料的焊接接头受热影响而发生蠕变裂纹扩展速率的研究还很少,有必要将蠕变对高温管道材料的影响进行深入研究,从而为防止蠕变开裂及焊接接头不够到位起到预防的作用，并为蠕变裂纹扩展的综合评价提供依据。

新一代耐高温管道材料因具有优良的热强性和伸展性，已广泛应用于大型动力机的主蒸汽管道。由于主蒸汽管道的焊接接头焊接后存在残余应力，不可避免地会对材料内部结构造成不良影响，而通过焊后热处理可改善组织并调整焊接残余应力状况。对新一代耐高温管道材料焊接接头在残余应力影响下的蠕变状况，可以从以下几方面进行分析：

1　蠕变对耐高温管道材料的影响

所谓蠕变,是指金属材料在高温和应力同时作用下,应力保持不变，其非弹性变形随着时间的延长而缓慢增加的现象。管道的蠕变变形值是一个表示管道寿命的综合性指标，它反映了管道在运行中发生的蠕变和组织性质老化过程。如果压力管道长期在高温、高压状态下运行，易发生材质软化现象，而材质软化影响着材料的蠕变性能。我们对高温管道材料建立了硬度与蠕变之间的解析关系式。研究结果表明，随着高温管道材料的软化，硬度下降得越快，变化程度越剧烈，从而导致蠕变断裂寿命降低，最小蠕变速率增大，应力松驰加重。期间采用不同温度对高温管道材料固溶处理,压力管道将具有不同的蠕变程度。高温管道材料的受热程度不同，蠕变结果也大不一样。

高温管道材料在应力控制下不断蠕变循环过程中,动态应变时效表现为位移的突然阶跃现象。动态应变时效预变形处理能有效地减小材料的循环应变幅度,提高材料的强度,推迟材料中出现位移阶跃现象的循环周次,延长材料的疲劳蠕变寿命。在各种保载应力水平下,当保载应力高于屈服强度时,室温蠕变变形更加明显。同时发现当保载应力高于屈服强度时,室温蠕变后材料屈服点的流变应力显著提高。

2　焊接技术对耐高温管道材料的作用

在耐高温管道材料中,如蠕变效果显著发挥作用时，焊接技术不能及时同步进行焊缝结合的话，焊缝处先行失效的可能性就会占有较大的比例,表明焊接对耐高温管道材料结构完整性的不利影响。当耐高温管道材料产生化学作用时，焊接接头很容易在使用过程中由于线膨胀系数差形成的热应力、碳迁移、接头组织变化而产生过度扭曲变形等,因此应该考虑焊接残余应力下的焊接接头蠕变行为是否可行。

如果压力管道长期在恶劣的高温和高压环境下运行,其微观组织会随着温度和压力的升高逐步发生不同的变化，如不同碳化物的析出、材料内部同化合并、材质细粒粗化以及彻底发生蠕变,使得耐高温管道材料变脆和自身的伸展性能下降。

由于在压力管道内部，所有高温构件的生产制造过程中,必须加入焊接等技术的融入才能进行更进一步的巩固和提升，焊接是一种必要手段。而焊接、铸造、弯曲和熔脂等制造工艺，以及运行过程中的负载过量及温度变化等，均会不可避免地导致高温构件产生残余应力,从而降低高温构件的承载能力及断裂韧性，减弱了压力管道的坚硬度和柔韧性。因此研究耐高温管道材料在焊接技术影响后的残余应力的扩展情况,将对压力管道的安全使用以及寿命评估提供依据。

3　蠕变对耐高温管道材料的警示

耐高温管道材料具有良好的耐高温蠕变性能，对内压与热处理后共同作用下的焊接接头蠕变进行有限元分析,分别得到了焊接残余应力和焊后残余应力的分布规律。受到压力管道的壁厚程度以及约束条件等影响，高温管道经过焊接后就产生了较大的焊接残余应力。而压力管道可通过特殊热处理，消除残余应力从而得到弯曲幅度较大、普遍性较好的弯曲晶界。弯曲晶界最重要的影响是它显著提高耐高温管道材料的持久塑性和蠕变裂纹生长抗力。因为弯曲晶界的特殊性质，决定了耐高温管道材料必须保持自身的稳定性和伸展性。

耐高温管道材料在焊接连轧过程中,可以发现一次碳化物通过阻碍位错滑移制回复时,其分布影蠕变动态后的组织结构如何进行变化。蠕变期间,耐高温管道材料内部的晶内碳化物阻碍位错运动,阻碍晶界滑动,由此提高耐高温管道材料的蠕变抗力。而压力管道为了确保反应堆的安全运行，必须对承受长期高温热循环载荷的内部环境进行高温释放和蠕变分析，采用蠕变分析理论对压力管道的余热排放系统的反应堆群进行详细的应力分析与综合评定，包括压力管道强度计算，压力管道变形分析，压力管道支撑受力分析，以及在整个蠕变分析时段内的总体应变。

随着我国对电力需求的日益增长以及压力管道设备的复杂化和多样化，开展压力管道设备的失效与预测分析对提高企业的经济效益和技术水平具有十分重要的意义。由于耐高温管道材料长期在高温高压的状态下容易发生材质老化和损伤积累。所以耐高温管道材料必须通过焊接热处理后不但可以有效地降低焊接残余应力，同时还由于热处理残余应力的存在,会对压力管道焊接接头的蠕变产生较大影响,并且在焊缝与热影响区的交界处存在着较大的蠕变过程，因此必须重视高温蠕变对压力管道内部结构所带来的影响和警示。

参考文献：

[1]栾春远.蠕变对高温换热器管板强度的影响[J].流体机械,1979(11).

[2]王煜明.晶粒大小和晶粒边界对金属强度的影响[J].东北人民大学自然科学学报,1957(02).

[3]喻红梅.焊接对HK40高温炉管的蠕变损伤与断裂的影响[J].第一届国际机械工程学术会议论文集,2000(08).

作者简介：孙希文（1981-），女，山东即墨人，大学，工程师（中级），专业主管，工程项目专业负责人，管道设计、管道机械。