Page 22 - 理化检验-物理分册2021年第九期
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孙晓翔, 等: 基于置信度和存活概率的 P91钢管100000h持久强度的外推

            度优异的奥氏体耐热钢制造, 但该钢存在线膨胀系                                对式( 1 ) 两边取对数, 得到:
            数大、 热传导性能差以及价格昂贵等弊端。 20世纪                                        l g t= l g A -Bl g σ         ( 2 )
            80年代, 美国改进了原有的9Cr耐热钢, 并开发了                           可以看到, 双对数坐标下应力与破断时间呈线
            新型微合金化 T / P91 ( 0.1C-9Cr-1Mo-V-Nb-N ) 马氏          性关系。以该式为基础, 经数学推导后得到材料的
            体耐热钢, 该钢具有高的蠕变强度, 可以用于生产蒸                          高温长时持久强度。

            汽温度高于550℃的锅炉部件。                                        目前, 用等温线外推法估算 P91 钢 100000h
                 在 T / P91钢成功应用于火力发电厂建设后, 多                    的持久强度的研究已有较多报导               [ 9-10 ] 。因材料性能
            种马氏体耐热钢如 T / P92 钢和我国近期开发的                         和试验条件具有波动性, 因此相同化学成分( 同一炉
            G115钢   [ 2-3 ] 相继研制成功并投放市场。与其他耐热                  钢) 且经历相同加工和热处理过程的材料的力学性
            钢相比, T / P91钢在用量上的优势明显。随着火电                        能也可能不同。如在相同温度和应力下, 对取自同
            厂高等级耐热钢( 马氏体以及奥氏体耐热钢) 四管失                          一 P91钢管的5根试样进行持久强度试验会得到5
            效事故的不断增多          [ 3-5 ] , T / P91 钢的高温持久强度       个不同的破断时间。目前的简单处理方法是将这5
            研究越来越重要。                                           个不同的破断时间取平均值, 将此平均值作为该温
                 耐热钢的持久强度是衡量材料在高温和应力的                          度和应力下 P91 钢管的破断时间, 再进行外推计
            长期作用下抵抗塑性断裂能力的高温强度特性指标,                            算。但从数理统计的角度来看, 由此方法得到的破
            也是评价耐热材料高温性能的依据之一 。在锅炉                             断时间数据的存活概率仅有50% , 预测结果的可信
                                                [ 6 ]
            部件 的 设 计 和 剩 余 寿 命 评 估 中, 需 用 到 材 料 在              度严重偏低。
            100000h的持久强度数据, 而现实中存在的交货期                             为此, 作者对某钢厂生产的 P91钢管进行高温


            和利润等问题使得工程上的材料试验难以达到该时                             持久强度试验, 用数理统计法对多个应力水平下试
            长。为满足这一需要, 研究学者们相继提出了等温线                           样的破断时间数据进行处理, 最终得到基于置信度

            外推法、 时间 - 温度外推法及概念数据模型( CDM )                      和存活概率的100000h持久强度外推结果。
            法 [ 7-8 ] 等。等温线外推法是在双对数坐标系持久强
                                                              1 试验材料和方法
            度 - 破断时间曲线基础上估算材料的长时持久强度,

            在一定温度下, 材料的应力与破断时间的关系式为                                试 验 用 P91 钢 管 的 外 径 为 76 mm , 壁 厚

                               t=Aσ  - B               ( 1 )   为16.5mm , 热处理工艺为( 1040~1080 ) ℃ ×

            式中: σ 为应力, MPa ; t 为破断时间, h ; A , B 为材料           30min正火+ ( 760~788 ) ℃×60 min 回火, 化学


            常数。                                                成分见表1 。
                                                表1 P91钢的化学成分( 质量分数)

                                         Tab 1 Chemicalcom p ositionofP91steel   massfraction              %
               C      Si     Mn     P      S     Mo     Cr     V      Ni     Nb     N      Al    Ti     Zr
              0.10   0.34   0.40  0.010  0.002   0.90  8.30   0.21   0.03   0.072  0.041  0.009  0.001  0.002
               从 P91 钢管上取样加工成图 1 所示的持久强


            度试样, 依据 GB / T2039 — 2012 《 金属材料 单轴拉
            伸蠕变试验方法》 的技术要求, 在 MK111型蠕变持
            久试验机上进行持久强度试验。试验温度确定为

            ( 625±4 ) ℃ , 试验应力分别为 140 , 130 , 120 , 110 ,

            100 , 90 , 81MPa , 每个应力下进行5组平行试验。
            2 试验结果与讨论                                                       图1 持久强度试样尺寸示意


            2.1 持久试验结果                                                Fi g  1 Dia g ramofendurancestren g ths p ecimen
                 表2为 P91 钢在不同应力水平下的破断时间                        时间 存 在 波 动, 且 高 应 力 下 的 波 动 更 大, 如 在

            及其对数值( 括号内的数据为破断时间的小时数)。                          140MPa下, 破断时间最短为479h , 最长为617h ,

            可以看出: 随着应力水平的降低, P91钢的破断时间                         相差28.8% , 当应力降至81MPa时, 破断时间最短

            明显增加; 在相同应力水平下, 5个试样的持久破断                          为31036h , 最长为32211h , 相差3.78% 。
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