1、收稿日期:.作者简介:杨家兵,男,年毕业于武汉化工学院化工机械专业,学士,主要从事静设备管理工作,高级工程师.E m a i l:Y a n g j b z h s h s i n o p e c c o m.P 耐热钢蠕变微观组织演化研究及寿命预测分析杨家兵(中韩(武汉)石油化工有限公司,湖北 武汉 )摘要:为探究P 耐热钢蠕变断裂机理,对P 耐热钢在 、MP a应力条件下进行了一系列不同加载时间的蠕变试验,然后对蠕变后的试样进行金相显微组织检测和扫描电镜分析,以获得其高温蠕变过程中微观组织的演化情况,同时结合计算机图像处理技术对P 耐热钢在蠕变条件下的碳化物析出和珠光体球化程度进行了定量分
2、析.分析结果表明:蠕变时间的延长会加剧P 耐热钢碳化物析出程度,一方面碳化物的数量不断增多,另一方面碳化物的尺寸也随之增大;而珠光体球化级别也随蠕变时间的累积而加剧,蠕变时间为 h时,珠光体球化级别即高达级;此外,珠光体组织中的渗碳体数量和尺寸随蠕变的加剧而急剧减小.蠕变过程中,P 耐热钢微观组织的劣化或将是其蠕变断裂的重要因素.文章还对P 高温蒸汽管道进行寿命预测以及高温持久试验,确定了P 耐热钢的M a n s o n H a f e r d参数PMH()与应力之间的关系,并基于M a n s o n H a f e r d参数法预测出应力为 MP a、服役温度为 的P 高温蒸汽管道的服役
3、寿命为 万h.关键词:P 耐热钢蠕变断裂微观组织组织演化寿命预测M a n s o n H a f e r d参数法d o i:/j i s s n 耐热钢是指在高温环境下具有较高的强度和良好的化学稳定性的合金钢.工程上按照其正火组织将耐热钢分为奥氏体耐热钢、马氏体耐热钢、铁素体耐热钢和珠光体耐热钢等【】.耐热钢因其优越的性能被广泛应用在石油化工、航空航天、能源电力等领域.然而,在实际工程中却时常发现耐热钢设备在远低于设计寿命的情况下出现蠕变断裂失效,这与耐热钢所处服役环境有着密切的关系.研究发现【】,高温环境下耐热钢的力学性能与常温(较低温)时有着显著的差别,即使应力远低于常温屈服强度,钢材
4、也会发生蠕变断裂.考虑到蠕变断裂的危害性,国内外研究者对不同金属材料的蠕变断裂机制作了大量的研究.刘源等【】在 、MP a应力条件下进行了P 铁素体耐热钢的蠕变试验,通过扫描电镜及E B S D(电子背散射衍射技术)对蠕变过程中不同区域的微观组织进行了观察,发现经过 h蠕变试验,P 铁素体耐热钢微观组织中形成了大量的蠕变孔洞,这或将是P 铁素体耐热钢发生蠕变断裂的一个积极因素.Y u等【】对G 马氏体耐热钢在 K温度下进行了一系列不同加载应力(MP a)的蠕变试验,其研究结果表明,应力升高可以有效地促进空洞的形核和生长,进而加速G 马氏体耐热钢蠕变断裂进程.然而,目前国内外关于P 耐热钢的高温
5、蠕变性 能 方 面 的 研 究 极 少.P 耐 热 钢 是 美 国A S TM A /A M“高温服役用铁素体无缝合金钢管标准规范”中的低合金钢,属于珠光体耐热钢【】.在某石化企业中有大量P 耐热钢高温蒸汽管道服役,服役温度在 以上.这些管道更换成本高,发生蠕变断裂失效或将引发严重的后果.因此研究其蠕变断裂机理并准确、合理地预测管道的服役寿命有着重要的意义.为此,本文将从微观组织演化角度研究P 耐热钢蠕变断裂机理,并通过系列高温持久试验确定P 耐热钢M a n s o n H a f e r d参数PMH(),以便进行P 耐热钢蒸汽管道的寿命预测.状态监测与分析石油化工设备技术,()P e t
6、 r o c h e m i c a lE q u i p m e n tT e c h n o l o g y试验方法与过程P 耐热钢蠕变试验金属材料的微观组织结构是决定其宏观力学性能的重要因素,为此通过研究P 耐热钢蠕变过程中微观组织演化情况揭示其蠕变断裂机理.为获得不同蠕变时间下的P 耐热钢试样,对P 耐热钢在 、MP a应力条件下进行了一系列不同加载时间(h,步长为 h)的蠕变试验,试样编号为 号,其中号为原始材料试样,不参与蠕变试验.所有蠕变试验均在如图所示的R D J系列机械式蠕变持久试验机上进行.最终,蠕变试验后的 号试样如图所示.图R D J系列机械式蠕变持久试验机图蠕变后的
7、号试样P 耐热钢微观组织检测试验为探究P 耐热钢蠕变过程中微观组织的演化情况,对上述 号试样进行金相显微组织检测.检测流程为:取试样的截面样、镶嵌、磨制、抛光、腐蚀、观察组织,其中截面样选取在试样正中央位置.所有试样的检测观察倍数均分别为 、和 .图所示为号试样的金相显微组织图像,白色区域为铁素体组织,黑色区域为珠光体组织,需要说明的是,白色区域中的黑色小点并非为珠光体组织,而是碳化物.图号试样的金相显微组织图像 图所 示 为 号 试 样 观 测 倍 数 为 的金相显微组织图像.由图可知,号试样金相组织成分为铁素体、珠光体和极少量的碳化物,而 号试样金相组织成分为铁素体、珠光体和大量的碳化物,
8、且蠕变时间越长,碳化物的分析量越多.石油化工设备技术 年图 号试样的金相显微组织图像()为了进一步研究P 耐热钢在高温蠕变条件下微观组织结构的变化情况,尤其是其珠光体组织的演化情况,对P 耐热钢部分试样(、号)进行具有更高放大倍数的扫描电镜分析.上 述 试 样 的 检 测 观 察 倍 数 为 、和 .图所示为号试样的扫描电镜图像,深色区域为铁素体基体,浅色突出区域为渗碳体组织,而深色区域中出现的浅色白点为碳化物.图所示为上述个试样观测倍数为 的扫描电镜图像.由图可知,随着蠕变时间的延长,珠光体组织发生了明显的球化现象,渗碳体组织的形状由片状逐渐变化为球状或粒状,其尺寸和数量也随蠕变时间的累积而
9、下降.P 耐热钢蠕变过程中微观组织演化的定量研究由图和图可知,随着蠕变时间的延长,P 耐热钢微观组织发生了明显的变化,主要体现在珠光体球化和碳化物析出两方面.为了定量分析其微观组织演化情况,即定量确定碳化物析出情况以及珠光体球化情况,本文基于P y t h o n语言并结合计算机图像技术对各试样的金相显微组织图像和扫描电镜图像进行图像处理.碳化物析出程度随蠕变时间的变化为研究P 耐热钢蠕变过程中碳化物析出程度的变化情况,对 号试样中观测倍数为 的金相显微组织图像进行图像处理,具体步骤包括:图像二值化处理、填充孔洞、分水岭分第 卷第期杨家兵 P 耐热钢蠕变微观组织演化研究及寿命预测分析割、降噪处
10、理、编号、统计分析.图所示为经图像处理后的 号试样的金相显微组织,图像中将碳化物逐一进行了编号,统计碳化物编号数即可得到其碳化物个数,而对每个碳化物区域进行像素点 统计可以获 得每个碳化 物区域的面 积等数据.图号试样的扫描电镜图像图、号试样的扫描电镜图像()图图像处理后的 号试样的金相显微组织表所示为 号试样中碳化物个数、总面积、平均面积和组织占比.很明显,随着蠕变时间的不断累加,整体上P 耐热钢微观组织中碳化物析出程度不断上升.这种上升不仅体现在碳化物的数量上,碳化物平均尺寸也随之上升,也就是说蠕变过程中P 耐热钢微观组织中的石油化工设备技术 年碳化物组织在不断“生长”.此外,碳化物组织占
11、比也随着蠕变程度的加深而增大,未服役P 耐热 钢 材 料(号 试 样)中 碳 化 物 组 织 仅 有 ,而在 号试样中(即持久时间为 h)碳化物组织占比却高达 .而碳化物的析出或将弱化金属材料的宏观力学性能,尤其是耐热钢的断裂韧性(抵抗裂纹扩展能力),这意味着P 耐热钢发生蠕变断裂或许在一定程度上是由碳化物大量析出导致其抵抗裂纹能力下降而造成的.表 号试样中碳化物个数、总面积、平均面积和组织占比编号碳化物个数碳化物总面积/m碳化物平均面积/m碳化物组织占比,珠光体球化程度随蠕变时间的变化珠光体球化是指当温度较高时,原子活动力增强,扩散速度增加,片状渗碳体便逐渐转变为珠状,再积聚成大球团,从而使
12、材料的屈服点、抗拉强度、冲击韧性、蠕变极限和持久极限产生下降的现象【】.为定量分析蠕变过程中P 耐热钢微观组织中珠光体球化的情况,对图中的个试样观测倍数为 的扫描电镜图像进行图像处理,以获得其珠光体球化级别、渗碳体数量、渗碳体总面积和渗碳体平均面积等数据,如表所示.由表可知,随着蠕变时间的不断延长,P 耐热钢中珠光体组织发生了明显的球化现象,值得注意的是,号试样在 、MP a应力条件下只进行了 h的蠕变试验,试样的球化等级已经高达级,可以预见,若蠕变时间继续延长几千或上万小时,其球化等级会更高或完全球化,甚至有可能断裂,说明P 耐热钢在超温状况下材料性能将随蠕变时间延长而进一步劣化.而渗碳体数
13、量随着蠕变时间的累积而减少.此外,渗碳体的尺寸也发生了明显的变化,号试样的平均面积由 m降低到 m.由此可见,珠光体球化在P 耐热钢的蠕变断裂过程中起到重要的作用.表试样的珠光体球化级别和渗碳体数量、总面积及平均面积的数据编号珠光体球化级别渗碳体数量渗碳体总面积/m渗碳体平均面积/m 第 卷第期杨家兵 P 耐热钢蠕变微观组织演化研究及寿命预测分析基于M a n s o n H a f e r d参数法的P 高温蒸汽管道寿命预测分析M a n s o n H a f e r d参数法M a n s o n和H a f e r d【】对金属材料的高温持久试验数据进行分析时,发现应力一定时温度和断裂
14、时间的对数之间呈线性关系,如式()所示.PMH()(l gtrl gta)/(TTa)()式中:PMH()与应力有关的M a n s o n H a f e r d参数;T 绝对温度,K;tr 断裂时间,h;l gta、Ta 为与金属自身相关的材料常数.由于目前缺乏P 耐热钢高温持久试验数据,并不能直接确定其材料常数l gta和Ta.但一直以来M H常数(Ta、l gta)都被认为是两个相对独立的数值,在数据处理过程中往往需要确定这两个常数的值.前期工作【】表明,许多耐热钢的M H常数(Ta、l gta)之间存在良好的线性关系,如图所示.分析发现,在直线上选取不同的M H常数对预测精度的影响较
15、小,即M H常数(Ta、l gta)可以在图所示直线上较宽的范围内取值,并且对预测精度的影响不大.这同时也提出了一种可能性:可以选取组M H常数来关联部分钢种的持久性能数据,这样不仅可使高温性能数据的外推变得简便,还能使之保持较高的预测精度.图部分钢中M H常数(Ta、l gta)之间的关系日本国立材料研究所N I M S中牌号为 C r M o钢与P 耐热钢具有极为相近的成分与力学性能,所以本文暂时以 C r M o钢的材料常数l gta和T a作为P 耐热钢的材料常数,即l gta取值为 ,T a取值为 ,待积累一定的P 耐热钢高温持久试验数据后再进行修正.因此,对于P 耐热钢,式()可描
16、述为式().PMH()(l gtr )/(T )()通过式()可以对一定温度、应力条件下的P 耐热钢设备进行寿命预测.但其中PMH()目前并不知晓,因此还需确定P 耐热钢的PMH()参数.P 耐热钢PMH()参数的确定为获取P 耐热钢PMH()参数与应力之间的关系,对P 耐热钢进行系列高温持久试验,结果如表所示.表P 耐热钢高温持久试验结果序号试验应力/MP a试验温度/断裂时间/h 对表中的持久试验数据进行数据拟合(如图所示),发现PMH()与应力之间的关系可以采用多项式进行描述,如式()所示.PMH()l g (l g)(l g)()图P 耐热钢高温持久试验数据拟合由于项目科研经费有限,持久试验数据较少,持久试验的最长时间只有 h,所以式()的精度有待大量试验数据进行修正和验证,后续将持石油化工设备技术 年续开展持久试验工作.P 耐热钢高温蒸汽管道的寿命预测P 耐热钢高温蒸汽管道规格为D N ,即外径 mm,壁厚 mm,管道的内压折算应力为 MP a,服役温度条件为 .将上述条件参数带入式()并联立式()可得:PMH()l g (l g)(l g)PMH()(l gtr )/()(
