超临界电厂用管线钢蠕变性能研究及寿命预测

摘要：高温下，材料的变形及断裂行为与常温有很大不同，塑性变形与载荷的持续时间有关，即在工作过程中会发生所谓的蠕变变形。对于长期服役的P92钢而言，在持续应力作用下，材料会因发生缓慢的塑性变形而导致最终的蠕变破裂。本文通过研究国产P92钢的高温蠕变性能，在蠕变试验的基础上，重点分析材料的蠕变曲线、加速蠕变、蠕变断裂以及蠕变机制等几个方面的内容，并利用CDM模型进行预测，以期可以获得材料的相关蠕变规律。

关键词：P92钢，高温蠕变，CDM模型，寿命预测

0 引言

虽然使用煤，石油和液化气的化石燃料发电厂碳排放量很高，在一定意义上并不环保，但在可预见的未来它们仍将在发电行业中占据主导地位。在这种情况下，与碳捕集技术相结合的新型高效超前超临界（USC）发电厂正在开发^[1]。P92 钢(9Cr-0.5Mo-1.8WVNbN)具有优异的高温蠕变性能，广泛应用于我国600 ℃超超临界机组的集箱和主蒸汽管等重要高温部件^[2]。对于长期服役的P92钢而言，在持续应力作用下，材料会因发生缓慢的塑性变形而导致最终的蠕变破裂。

1 超临界电厂机组失效发展背景

超临界机组是指火力发电厂机组主蒸汽压力大于水的临界压力（22.12MPa）的机组。从20世纪80年代起，我国就分别从美国、瑞士、俄罗斯、德国和日本等多个国家引进超临界和超临界机组设备，通过对外来设备的引进吸收至完全消化，我国于2004年起开始自主研发生产自己的超临界、超超临界设备。截至2010年，我国建成1000MW的超超临界机组共计33台，其中火力发电机组占73.4%^[3]。

从目前世界火力发电技术水平看，提高火力发电厂效率的主要途径是提高蒸汽的参数，即提高蒸汽的压力和温度，其中一个关键指标是材料的抗蠕变性能。目前，国内超临界电厂机组失效中，高温蠕变仍是主要失效类型，由于设计、制造、运行等因素影响，高温现象十分普遍。要进行准确的寿命评定，确定失效原因，清楚的了解其使用状态（尤其是高温状态）及材质变化程度是十分重要的。

P92钢较其他耐热钢种更耐高温、抗氧化、抗疲劳。高导热性和低膨胀系数的特点使高温蒸汽管道能维持在较低的热应力水平状态，因此备受人们青睐^[4]，被广泛应用于超超临界发电厂的主蒸汽管道、汽包和汽轮机箱体等厚壁部件。为了进一步提高我国高强度耐热钢的生产水平，找出国产耐热钢的劣势所在，本课题针对国产P92钢的高温蠕变进行研究，对保证设备的安全运行具有重要意义。

2 国内外P92钢的发展现状

目前对超临界电厂用管线钢的高温蠕变研究已做了大量的工作，并得到了不少有益的结果，但还存在很多问题有待研究和解决。如我国对于高强度耐热钢的研究基础相对薄弱，使得近几年建造的超超临界机组普遍使用进口P92钢，国产P92钢的使用报道并不多见^[5]。本课题就材料的蠕变曲线、加速蠕变、蠕变断裂、蠕变机制以及蠕变寿命预测进行了大致的阐述。

2.1 蠕变性质

蠕变概念最早是由英国学者 Andrade 提出。1910年，Andrade 在发表的论文中首次使用”蠕变”一词，并对蠕变做了基础理论研究^[6]。目前对蠕变的研究主要有两个方向，一个是宏观方向上，研究人员以试验为主，观察蠕变现象，根据得到的试验数据分析蠕变，探究影响蠕变的若干因素，并寻找其中影响蠕变的规律，主要解决工程实际中的问题以及预测相关零部件寿命^[7]；另一个是微观方向上，通过观察蠕变后材料的微观组织，结合材料学知识探究蠕变的微观机理。