含裂纹缺陷P92钢焊接接头寿命预测研究

含裂纹缺陷P92钢焊接接头寿命预测研究

侯德安刘天佐张传清张国栋张路

（1.华电国际电力股份有限公司山东济南250014；2.苏州热工研究院有限公司江苏苏州215004）

摘要：文中对已服役的P92钢焊接接头短时力学性能试验及蠕变试验，得到了相应的等时应力应变曲线。基于R6标准，建立了P92钢焊接接头时间相关失效评定图（TDFAD）。对含缺陷主蒸汽管道焊接接头进行了临界尺寸计算和寿命预测。结果表明，随着管道服役时间的增加，表面裂纹临界尺寸逐渐减小。随着焊接残余应力增大，临界裂纹尺寸减小。焊接残余应力对含缺陷主蒸汽管道焊接接头寿命影响较为显著。考虑蠕变的影响，采用TDFAD进行失效评定能获得更安全的结果。

1前言

在当前能源与环境的双重压力下，发展高效、节能、大容量、洁净环保、可靠性高的火力发电技术，不仅能够满足国民经济快速发展对电力的迫切需要，而且能够应对来自环境保护方面的日益严峻的要求和挑战。超超临界燃煤发电技术通过提高蒸汽的温度（600℃以上）、压力（25MPa-30MPa）实现高效、节能和环保的发电，是目前国际上较为成熟和广泛使用的一种清洁燃烧技术[1]。这些大型装置的服役温度和压力的提高，对设备装置运行时的安全可靠性提出了更高的要求。

在超（超）临界用钢的选材问题上，9%~12%Cr马氏体钢凭借优良的抗蠕变性能和高温耐腐蚀性能，广泛应用于电力、石化及核电的高温构件。P92钢作为其中的代表已成为超（超）临界机组高温蒸汽管道及联箱等关键部件的首选材料[2]。高温环境下含缺陷结构的失效主要由蠕变[3-4]、疲劳或蠕变-疲劳交互作用]引起的，目前世界发达国家制订了高温环境下运行的含缺陷设备完整性评定和延寿的指导性规程，而我国此类规范还不完善[5]。

在役超（超）临界机组长期运行，发生裂纹性缺陷在所难免，尤其对于焊接接头，更是管道和设备等系统的薄弱环节，因此，文中以在役超（超）临界机组用P92钢焊接接头为研究对象，对含裂纹缺陷的P92钢焊接接头进行寿命预测研究。

2材料与试验

试验材料为某超超临界机组P92钢主蒸汽管道焊接接头，管道规格为ID254×53mm，材料金相组织为板条状马氏体。材料化学成分如表1所示。P92焊接接头室温与高温（610℃）短时力学性能如表2所示。高温蠕变试验温度为610℃。蠕变试验应力分别为110MPa、120MPa、140MPa、160MPa、180MPa以及200MPa，试验温度610℃，蠕变时间-应变关系曲线如图1所示，

图1P92钢焊接接头蠕变应变-时间曲线

Fig.1Creepstrain-timecurveoftheP92weldedjoint

根据蠕变试验结果，基于稳态蠕变下Norton方程，通过拟合得到P92焊接接头在610oC下蠕变材料常数B和n。P92焊接接头在610℃下稳态蠕变应变表达式为：

（1）

3P92钢焊接接头蠕变条件下与时间相关失效评定图的建立

目前与时间相关失效评定图（TDFAD）方法主要是用于蠕变主控条件下的裂纹起裂评定，对疲劳因素的考虑，则通过修正允许疲劳裂纹扩展量，且保证疲劳裂纹扩展量小于蠕变裂纹扩展量。因此采用TDFAD对以蠕变失效为主，含裂纹缺陷的主蒸汽管道焊接接头进行结构完整性评价最适合。

在常温下J积分通常可以采用估算方法来获得，R6中Option2曲线就是根据估算J积分方法来建立的。参照常温下失效评定曲线的定义，蠕变条件下与时间相关失效评定曲线可定义为：

通过拉伸实验和蠕变实验获得了P92焊接接头在610℃下拉伸力学性能参数和蠕变力学参数，并通过计算得到P92钢焊接接头610℃蠕变条件下的等时应力应变曲线。TDFAD失效评定曲线的定义公式（3），根据P92焊接接头在610℃拉伸曲线以及610℃蠕变等时应力应变曲线，建立610℃蠕变条件下P92焊接接头材料与时间相关的失效评定曲线。

图2给出了610℃条件下P92不同时刻的失效评定曲线，并与R6Option1通用失效评定曲线进行比较。随着时间的增加，失效评定曲线有下降的趋势，并且曲线形状也发生变化。当t=0s时，根据P92焊接接头拉伸应力应变曲线所建立的失效评定曲线，即不考虑蠕变行为的P92钢焊接接头Option2失效评定曲线，高于Option1失效评定曲线。随着增大，考虑蠕变影响的失效评定曲线与Option1通用失效评定曲线产生了较大差别。当Lr>0.85时，t>100h，评定曲线开始低于Option1通用失效评定曲线，即在较长蠕变时间条件下R6Option1通用失效评定曲线不再适用。由此表明，P92高温蠕变现象对结构安全评定有明显的影响。因此，对含裂纹P92结构进行安全评定时，选择考虑蠕变影响的TDFAD才能得到更安全的结果。

图2P92钢焊接接头TDFAD失效评定曲线

Fig.2TDFADoftheP92steelweldedjoint

4P92钢主蒸汽管道焊接接头临界缺陷尺寸的确定

文中计算管道尺寸为ID254×53mm，假设焊接接头上含有初始环向外表面裂纹尺寸为：a=1mm、c=10mm，且认为裂纹在扩展过程中始终保持a:c=1:10直至裂纹达到临界尺寸。P92钢主蒸汽管道蒸汽压力26.25MPa，计算时考虑超压乘以1.05倍的安全系数，蒸汽温度为610℃，内外壁温差5℃。根据上述计算方法，分别计算了不考虑焊接接残余应力的影响，不同服役时间情况下的管道焊接接头表面缺陷临界尺寸（表3），考虑焊接残余应力影响，服役10万小时管道焊接接头表面缺陷临界尺寸（表4）。由计算结果可以看出，随着服役时间的增加，表面裂纹临界尺寸逐渐减小，焊接残余应力增大，临界裂纹尺寸减小。

5含缺陷P92钢主蒸汽管道焊接接头寿命预测

根据上述计算原则，对含有a:c=1:10的表面裂纹的焊接接头进行寿命预测，预测结果如表5所示。由预测结果不难看出，考虑焊接残余应力的影响，对临界裂纹尺寸影响较为显著，直接影响了含缺陷管道的寿命。因此，对于超（超）临界机组，应严格控制管道焊接质量，并做好热处理，尽量减小焊接残余应力。

6结论

文中对已服役的P92钢焊接接头短时力学性能试验及蠕变试验，在此基础上得到了相应的等时应力应变曲线。参照R6标准，建立了P92焊接接头时间相关失效评定图（TDFAD）。基于TDFAD对含缺陷主蒸汽管道焊接接头进行了临界尺寸计算和寿命预测，获得结论如下：

（1）对于TDFAD，当Lr>0.85时，时间相关的失效评定曲线开始低于R6Option1通用失效评定曲线，考虑蠕变的影响，采用TDFAD进行失效评定能获得更安全的结果。

（2）随着管道服役时间的增加，表面裂纹临界尺寸逐渐减小。随着焊接残余应力增大，临界裂纹尺寸减小。

（3）焊接残余应力的影响，对临界裂纹尺寸影响较为显著，直接影响了含缺陷管道的寿命。对于超（超）临界机组，应严格控制管道焊接质量，并做好热处理，尽量减小焊接残余应力。

参考文献

[1]VaillantJC,VandenbergheB,HahnB,etal.T/P23,24,911and92:Newgradesforadvancedcoal-firedpowerplants--Propertiesandexperience[J],InternationalJournalofPressureVesselsandPiping,2008,85(1-2):38-46.

[2]周荣灿，范长信．超超临界火电机组材料研究及选材分析[J].中国电力，2005，38(8):41-47．

[3]轩福贞，涂善东，王正东等.高温含缺陷结构与时间相关的失效评定图[j].核动力工程，2003,24(6):508-512.

[5]涂善东,轩福贞,王卫泽.高温蠕变与断裂评价的若干关键问题[J].金属学报,2009,45(7):781-787.