基于碳化物相分析法的P92钢寿命无损评价

叶有俊，王一宁，姜 勇，陈 杨,张鹏鹏

(1.江苏省特种设备安全监督检验研究院,南京 210036；2.南京工业大学，南京 211816)

0 引言

超超临界机组用P92钢在高温高压环境中长期服役会发生微观组织的老化和由损伤累积导致的构件性能退化，进而造成构件的失效，最终导致事故的发生，因此需要对高温部件运行状态进行实时监控评估和寿命预测，有效避免材料发生失效导致事故，减少损失。高温条件下服役的构件寿命预测方法最早主要以蠕变(持久)试验的外推法为主，包括等温线外推法、TTP参数法等。随着寿命预测技术的不断发展，国内外研究人员开始利用短时蠕变试验拟合参数，利用寿命预测模型来外推低应力或者低温度下的蠕变寿命。较为典型的方法包括θ投影法、Omega法、Graham-Walles法以及Φ法等[1-9]。上述方法的共同点在于需要从设备上进行取样，对设备造成一定的破坏，且试验周期较长，因而在使用方面具有一定的局限性，因此需要在工程应用中建立一种快速无损的寿命预测与评价方法。

由于金属材料中的碳化物在设备高温运行过程中会随着服役时间的变化而发生变化，因此建立一种基于碳化物相结构的寿命预测方法，通过碳化物的含量变化，就能推测出高温构件的剩余寿命，将大大缩短寿命预测的时间。另外，由于碳化物源自于材料本身，因此准确性也有很大程度的提高。碳化物检测作为高温构件检修和寿命评价的重要依据，已被国内多个行业标准[10-11]所认可。国内外许多学者已经开展了利用析出相含量对材料寿命进行预测的方法的研究工作。例如，李华瑞等[12]利用X射线衍射法测得12Cr2MoWVTiB钢碳化物含量与运行时间之间的变化关系；Hosoya等[13]利用X射线衍射法得到两种碳化物衍射强度与L-M参数之间的关系，建立起碳化物含量与材料的寿命之间的联系；Dzioba[14]提出了一种将碳化物含量与服役时间联系起来的寿命评估方法。

本文在等温时效试验、蠕变试验以及X射线衍射技术的基础上，得到不同服役阶段碳化物含量的变化情况，建立各析出相含量与服役时间以及参数P之间的关系，并运用所建立的关系对超超临界机组典型用钢P92钢进行寿命预测。

1 试验材料及方法

1.1 等温时效试验

试验材料选用主蒸汽管用P92钢构件，其管件尺寸为∅390 mm×70 mm，实际操作压力和操作温度分别为26 MPa和600 ℃，其化学成分如表1所示。

为模拟不同服役阶段P92钢中析出相组成，根据杨瑞成等[15]研究结果，对新材料进行650 ℃下的等温时效试验，时效时间分别为200，500，1 000，2 000，5 000，8 000，11 000 h。同时根据Hollomon等[16]在20世纪50年代提出经验公式：

P(T)=T(C+lgtT)

(1)

式中T——回火温度，K；

C——与材料相关的常数，取C=20；

tT——时效时间,h。

可以得出650 ℃试验温度下不同时效时间，对应600 ℃的等效服役时间之间的关系，如表2所示，时效试验在TXCS-Ⅱ陶瓷纤维马弗炉中进行。

表2 650 ℃时效试验时间与600 ℃服役时间关系

1.2 恒载荷蠕变试验

恒载荷蠕变试验在CTM304-A1型机械式高温蠕变持久试验平台上进行，综合考虑实际操作温度与实际操作压力，试验选取的温度和应力条件如表3所示。

表3 蠕变试验条件

1.3 碳化物电解萃取试验及X射线衍射分析

电解萃取试验按照DL/T 818—2002《低合金耐热钢碳化物相分析技术导则》[17]实施。对不同服役阶段的材料进行电解萃取试验，得到碳化物粉末，利用X射线衍射进行相结构分析，测试条件为Cu靶，工作电流和电压分别为30 mA和40 kV，扫描范围为30°～70°，扫描速度为0.02°/s。

1.4 碳化物与寿命关系方程

根据碳化物萃取试验、等温时效试验以及恒载荷蠕变试验外推结果，建立P92钢材料中碳化物析出相与寿命百分比以及L-M参数P之间的方程，从而对寿命进行预测。

2 试验结果与讨论

2.1 析出相总量的变化规律

为探究P92钢在不用寿命阶段析出相总含量随时效时间的变化情况，分别对不同时效时间和650 ℃,90 MPa蠕变条件下间断试验电解萃取前后的试样以及萃取得到的析出相质量进行称量，其结果如表4，5所示。依据下式对析出相总含量进行计算：

(2)

式中ω——P92钢中各析出相总量的质量分数(%)；

mC——经过电解烘干处理后析出相的总质量，g；

mA——电解前试样的质量，g；

mB——电解后试样的质量，g。

表4 P92钢时效阶段析出相电解结果

表5 P92钢蠕变阶段析出相电解结果

图1为P92钢时效与蠕变过程中析出相总量随时效时间的变化曲线。

图1 P92钢中析出相总含量随时间的变化曲线

总体而言，时效条件与蠕变条件下析出相总量的变化规律相似，均呈现出先快速增加、后趋于稳定的变化特征。时效初期，500 h以内，析出相总量的增加速度较快，其含量达到3.27%；当时效时间达到3 000 h时，总含量已经增加到5.56%，随后的变化逐渐趋于平稳。在蠕变间断试验中，试验初期，析出相总含量同样迅速增加，1 000 h左右，其含量约为5.23%，其后含量继续增加，但增长趋势明显减缓，当时效时间达到2 000 h以后，逐渐趋于稳定，约为6.3%。蠕变条件与等温时效试验相比，由于存在应力的作用，加速了P92钢中析出相的快速析出，同时使得析出相总量有所增加，由时效条件下稳定的5.75%增加至蠕变条件下的6.35%。

2.2 各析出相含量的变化规律

为进一步了解各种析出相含量随时间的变化关系，在X射线衍射的基础上，得到多相物质中的各项含量，通过X射线衍射强度的大小求得混合物中某种析出相参与衍射的重量分数或者体积分数。

采用绝热法对P92钢3种析出相进行定量计算，其公式为:

(3)

式中WX——混合物中X相的含量(%)；

IX——X相的积分强度；

1～3——MX，M23C6,Laves相3种碳化物。

3种碳化物在蠕变以及时效条件下含量随时间的变化情况如图2所示。可以看出，材料原始基体中主要析出相为M23C6相和MX相，其中以M23C6相为主，MX相含量仅为0.28%，经过时效处理和蠕变试验后，Laves相逐渐析出。应力对于析出相析出的加速作用在3种析出相的变化过程中均得以体现。由Laves相分析可知，时效条件下，其析出时间约为500 h，而在蠕变条件下Laves相开始析出时间仅为200 h左右。在相同时间下，蠕变试样中Laves相含量均高于时效试样中的含量，两者之间的差值在3 000 h以内随时间的增加不断增加，3 000 h以后由于蠕变试样中的Laves相逐渐趋于稳定，因而两者之间的差值逐渐趋于稳定。

(a)Laves相

(b)MX相

(c)M23C6相

图2(b)为MX相的变化情况，由于Nb和V等均为强碳化物形成元素且溶解度相对较低，因而MX相具有非常强的热稳定性，成为P92钢中最为重要的沉淀强化相，其相对含量整体而言变化不大，蠕变条件下断裂时其含量与原始基体中含量相比仅增加0.14%左右。

随着时间的增加，M23C6相在界面能的驱动下沿着原奥氏体晶界以及亚晶界不断地聚集和粗化，其含量不断增加，但总体而言增长幅度有限，时效条件下11 000 h左右，其含量约为2.06%，而在蠕变条件下时间达到5 980 h时，其最终含量在2.25%左右。

2.3 析出相衍射强度与寿命之间的关系

结合之前进行的650 ℃，90 MPa蠕变间断试验结果，建立不同寿命阶段下衍射强度与寿命百分比之间的关系，如图3所示。

(a)Laves/MX

(b)Laves/M23C6

从图3可以看出，Laves相与M23C6相衍射强度之比R和寿命百分比之间分布较为分散，为后续寿命预测带来一定难度；而Laves相与MX相衍射强度之比R和寿命百分比之间有明显的线性关系：

R=1.28425+0.0068X

(4)

Laves相与MX相衍射强度之比R随着寿命的消耗，线性不断增大，当试样断裂时，达到最大值。但是该公式仅说明在蠕变过程中，Laves相与MX相衍射强度之比R随着断裂时间的增加线性增加，并不能与寿命关联，因此还需要将Laves相与MX相衍射强度之比R与应力关联起来。

日本学者Hosoya等[13]在2003年建立了两种碳化物衍射强度之比与L-M参数之间的关系，将其与使用寿命联系起来，取得了较好的效果。因此，尝试运用两种析出相衍射强度之比R与L-M参数P之间的关系进行拟合，以期得到两者之间的线性关系，从而对P92钢的寿命进行预测与评估。

结合恒载荷蠕变试验结果，选取650 ℃下90,100,115,135 MPa应力，断裂时间分别为5 980,2 650,1 200,518 h下的蠕变试样进行分析，建立析出相衍射强度比R与L-M参数P的关系，如图4所示。

图4 Laves相与MX相衍射强度之比R与L-M参数P之间的关系

由上述线性关系建立拟合方程(5)，其拟合精度为96.063%。

R=-15.75272+0.8121P

(5)

由式(5)，根据析出相分析结果获得的Laves相与MX相衍射强度之比R与L-M参数P之间的关系，可以得到L-M参数P，进而得到服役寿命。

3 结论

(1)P92钢中有3种典型的析出相MX相、M23C6相以及Laves相。试验过程中，3种析出相均表现为先增加、再逐渐趋于稳定的变化规律。其中MX相含量变化不大，成为材料中最为重要的沉淀强化相；M23C6相含量变化量其次；而Laves相含量增加最为显著，成为影响析出相总含量变化的主要因素。

(2)时效试验和蠕变间断试验的对比表明，除了温度，应力对析出相也有促进作用。

(3)Laves相与MX相衍射强度之比R与L-M参数P以及寿命消耗比例之间呈线性关系，可以利用此关系进行寿命预测。