湯淳坡，周 龍，吳國(guó)興，崔 崇

(1.國(guó)家能源集團(tuán)泰州發(fā)電有限公司，江蘇泰州 225300；2.國(guó)家能源集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 102209)

0 引言

疲勞損傷是指熱擾動(dòng)產(chǎn)生的原子空位由于平衡位置本身的變化而不能完全相互湮滅、從而形成缺陷，并在疲勞載荷的作用下發(fā)展[1-4]?；鹆Πl(fā)電機(jī)組的高溫承壓金屬管道、管件在機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到熱疲勞損傷[5-9]。劉志剛[10]認(rèn)為無(wú)論是低負(fù)荷調(diào)峰，還是兩班制調(diào)峰，都是機(jī)組工況大幅度變化的過(guò)程，機(jī)組參加一次調(diào)峰運(yùn)行，金屬部件就會(huì)經(jīng)歷一次應(yīng)力循環(huán)，在這種循環(huán)應(yīng)力的反復(fù)作用下，就會(huì)引起材料的疲勞損傷。目前主要采用微觀組織分析、力學(xué)性能測(cè)試、應(yīng)力分析計(jì)算等方法對(duì)疲勞損傷的部件進(jìn)行分析。為了減少對(duì)在役設(shè)備的破壞，采用無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)疲勞損傷進(jìn)行快速評(píng)價(jià)是一個(gè)重要的技術(shù)發(fā)展方向。蔡暉等[11]對(duì)靈活性運(yùn)行的鍋爐進(jìn)行了應(yīng)力分析，表明熱應(yīng)力是導(dǎo)致水冷壁開(kāi)裂失效的主要因素。崔崇等[12]通過(guò)有限元模擬計(jì)算結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)的方法，表明調(diào)峰機(jī)組的金屬部件沿壁厚方向存在谷點(diǎn)特征分布的疲勞熱應(yīng)力。磁參數(shù)無(wú)損檢測(cè)方法具有測(cè)量速度快和精度高等優(yōu)點(diǎn)。目前研究較多的是采用磁記憶檢測(cè)法、巴氏磁參量法對(duì)鐵磁性部件內(nèi)部的殘余應(yīng)力、疲勞損傷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。盧兵兵等[13]綜述了金屬磁記憶疲勞損傷檢測(cè)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景。和振峰等[14]研究采用標(biāo)準(zhǔn)化處理后的磁記憶曲線矢量合成平均值來(lái)表征焊縫疲勞整個(gè)過(guò)程，達(dá)到預(yù)警疲勞裂紋萌生的目的。陳善功等[15]提取了液壓缸疲勞試樣在不同疲勞損傷階段的金屬磁記憶信號(hào)特征值，提出了疲勞損傷定量化評(píng)估的閾值。王泓等[16]的研究表明巴氏磁參量的變化量不但能可靠表征試樣熱損傷的程度；而且能方便地預(yù)測(cè)熱損傷后的疲勞強(qiáng)度。侯玉婷[17]對(duì)巴氏磁參量的多磁參數(shù)融合和材料疲勞壽命預(yù)測(cè)中的不確定性問(wèn)題展開(kāi)研究。磁滯特性是由鐵磁材料在磁化過(guò)程中磁通密度B的變化滯后于磁場(chǎng)強(qiáng)度H的變化而導(dǎo)致的[18-20]，其中，鐵磁性材料在外加磁場(chǎng)作用下磁化到飽和狀態(tài)后，對(duì)其施加退磁場(chǎng)，當(dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度減小到0時(shí)，材料剩余的磁感應(yīng)強(qiáng)度為剩磁，使其剩磁減為0所需要的反向磁場(chǎng)強(qiáng)度為矯頑力。

采用磁滯特征參數(shù)研究調(diào)峰機(jī)組高溫耐熱鋼材料熱疲勞損傷的研究還比較少，本文以火電機(jī)組常用的SA-335 P92鋼為研究對(duì)象，介紹基于飽和磁滯回線特征參數(shù)的熱疲勞損傷檢測(cè)、輔以理化檢驗(yàn)的結(jié)果和分析，以了解熱疲勞對(duì)相關(guān)性能的影響，期望有助于調(diào)峰機(jī)組高溫金屬部件的熱疲勞損傷的定量評(píng)估。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)原材料為正火+回火態(tài)的P92鋼管，規(guī)格為OD 380 mm×60 mm。

1.2 熱疲勞試樣制備

采用機(jī)加工方法制作40個(gè)尺寸為10 mm×10 mm×50 mm的正方形截面的長(zhǎng)條狀樣品，分為1#～8#共8個(gè)組別(每組包括5個(gè)平行樣品)。按表1的方案，采用Gleeble-1500型熱疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行熱疲勞試驗(yàn)。單次循環(huán)參數(shù)為：溫度由520 ℃升高到620 ℃，穩(wěn)定后再降低到520 ℃，溫度變化速率為25 ℃/min；與此同時(shí)，給樣品施加沿軸向的拉應(yīng)力從0 MPa升高到70 MPa，再降低到0 MPa。其中1#組別是熱疲勞循環(huán)次數(shù)為0次的原始態(tài)樣品。

表1 熱疲勞試驗(yàn)方案

1.3 飽和磁參數(shù)試驗(yàn)

采用配置有CMP-30型探頭的MA-WF-05型磁性分析系統(tǒng)對(duì)熱疲勞樣品進(jìn)行飽和磁參數(shù)性能檢測(cè)。將測(cè)試結(jié)果繪制成飽和磁滯回線，并自動(dòng)提取以下測(cè)試結(jié)果：矯頑力(Hc)和剩磁(Br)。

1.4 理化試驗(yàn)

對(duì)1#組別的原始態(tài)樣品以及經(jīng)熱疲勞試驗(yàn)的2#～8#組別樣品,選擇其中的平行樣品分別采用蔡司光學(xué)顯微鏡進(jìn)行微觀組織觀察，并利用MTS CMT4000力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫力學(xué)性能試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 飽和磁參數(shù)性能

熱疲勞試驗(yàn)樣品的飽和磁參數(shù)性能檢測(cè)結(jié)果如表2所示。磁矯頑力測(cè)試值Y1與熱疲勞循環(huán)次數(shù)X線性擬合結(jié)果分別如圖1(a)和式(1)所示(線性相關(guān)系數(shù)R=0.96);剩磁測(cè)試值Y2與熱疲勞循環(huán)次數(shù)X的線性擬合結(jié)果分別如圖1(b)和式(2)所示(線性相關(guān)系數(shù)R=0.59)。

表2 飽和磁參數(shù)性能

(a)磁矯頑力

Y1=648.6571+1.4889X

(1)

Y2=0.14491+2.6724×10-4X

(2)

式中,X為熱疲勞循環(huán)試驗(yàn)次數(shù)；Y1為磁矯頑力測(cè)試值；Y2為剩磁測(cè)試值。

研究發(fā)現(xiàn),隨著熱疲勞循環(huán)次數(shù)增多，磁矯頑力測(cè)試值呈線性增大趨勢(shì)，剩磁測(cè)試值基本呈增大趨勢(shì)，但同一組多次測(cè)試數(shù)據(jù)的方差很大，導(dǎo)致單次測(cè)試值波動(dòng)范圍大。

2.2 微觀組織

P92鋼試驗(yàn)樣品不同循環(huán)次數(shù)熱疲勞的微觀組織如圖2所示?？梢钥闯鲈跓崞谠囼?yàn)過(guò)程中，隨著溫度和應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加，供貨狀態(tài)下存在的亞晶粒消失，板條寬度增大。在試驗(yàn)循環(huán)200次及以后，原始的板條結(jié)構(gòu)逐漸向等軸的晶粒轉(zhuǎn)變。

(a)循環(huán)0次

材料內(nèi)部亞晶粒的晶界主要是高密度的位錯(cuò)構(gòu)成。從亞晶粒逐漸消失可以推測(cè)位錯(cuò)逐漸發(fā)生了運(yùn)動(dòng)或者湮滅。試驗(yàn)過(guò)程中，材料受到高溫和較大的應(yīng)力在局部造成的應(yīng)力集中為形成等軸晶粒提供了驅(qū)動(dòng)力，并使晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，靠近最低能量的擇優(yōu)取向。與此同時(shí)，微區(qū)域的塑性變形使得位錯(cuò)發(fā)生增殖，當(dāng)位錯(cuò)堆積到一定程度時(shí)，位錯(cuò)墻產(chǎn)生，并將板條劃分為多個(gè)低能量位錯(cuò)胞，隨著保載條件加劇，位錯(cuò)繼續(xù)向板條邊界、晶界等處遷移，板條內(nèi)小的位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)消失。從磁疇結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)變化的角度看，疇壁的移動(dòng)需要達(dá)到一定臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度。隨著熱疲勞循環(huán)次數(shù)增加，晶內(nèi)位錯(cuò)逐漸塞積到板條邊界、晶界附近，因此推測(cè)位錯(cuò)塞積造成的局部應(yīng)力集中使材料晶界附近的應(yīng)力能增加，進(jìn)而使P92磁疇磁矩的取向發(fā)生變化，導(dǎo)致了矯頑力增大。

2.3 室溫力學(xué)性能

不同循環(huán)次數(shù)熱疲勞后，P92的室溫力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 室溫力學(xué)性能與熱疲勞循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

從圖3可看出，隨著熱疲勞循環(huán)試驗(yàn)次數(shù)的增加，P92鋼的室溫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度總體呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，特別是抗拉強(qiáng)度在循環(huán)次數(shù)達(dá)到250次以后有較為顯著的降低。但在循環(huán)次數(shù)約150次左右的老化樣品中，觀察到抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度升高的現(xiàn)象。這表明在熱疲勞試驗(yàn)過(guò)程中，材料的室溫力學(xué)性能與熱疲勞損傷的增加沒(méi)有線性相關(guān)的特點(diǎn)。由于耐熱鋼材料強(qiáng)度與其微觀結(jié)構(gòu)密切關(guān)聯(lián)，在熱疲勞循環(huán)試驗(yàn)的初期階段(循環(huán)次數(shù)250次以內(nèi))，隨疲勞損傷的增加，推測(cè)在晶粒內(nèi)部位錯(cuò)堆積到一定程度時(shí)，導(dǎo)致位錯(cuò)強(qiáng)化效應(yīng)，對(duì)室溫力學(xué)試驗(yàn)時(shí)晶粒的形變?cè)斐闪俗璧K，表現(xiàn)為強(qiáng)度性能的升高。在熱疲勞試驗(yàn)的中后期階段，馬氏體板條內(nèi)部位錯(cuò)密度顯著降低，表現(xiàn)為室溫力學(xué)性能逐漸降低。

3 結(jié)論

(1)P92鋼的磁矯頑力與其熱疲勞試驗(yàn)的循環(huán)次數(shù)之間存在良好的線性正相關(guān)關(guān)系，而剩磁的變化趨勢(shì)不明顯，因此磁矯頑力參數(shù)能夠用于P92鋼材料無(wú)損檢測(cè)的熱疲勞損傷程度。

(2)隨熱疲勞循環(huán)次數(shù)增加，馬氏體板條內(nèi)小的位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)消失、板條寬度有增大趨勢(shì)，室溫力學(xué)性能隨循環(huán)次數(shù)增加而逐漸降低。