專利名稱：一種t91鋼管的剩余壽命定量分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電站鋼管剩余壽命定量分析領(lǐng)域，特別是一種用于T91鋼管的剩余壽命定量分析方法。
背景技術(shù)：
隨著電站鍋爐向高參數(shù)、大容量發(fā)展，世界鍋爐管用鋼的研究與開(kāi)發(fā)朝高性能、低成本方向進(jìn)行，以T91為代表的，具有優(yōu)良綜合性能的9 12% Cr鐵素體系耐熱鋼目前被高蒸汽參數(shù)發(fā)電機(jī)組廣泛采用。T91是20世紀(jì)80年代美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室成功開(kāi)發(fā)的， 該鋼是在T9 OCr-IMo)鋼基礎(chǔ)上，限制C含量的上下限，添加微量的N以及微量的強(qiáng)碳氮化合物形成元素V、Nb，用彌散分布的MX型V/Nb碳氮化物的析出作為主要強(qiáng)化效果。盡管碳含量較低，但是其蠕變破裂強(qiáng)度明顯提高。作為電站鍋爐管用鋼T91顯示出優(yōu)良的綜合性能， 其高溫抗蠕變性能優(yōu)異，具有良好的沖擊韌性，良好的焊接性能和工藝性能，優(yōu)良的抗氧化性能和抗高溫蒸汽腐蝕性能，低的熱膨脹系數(shù)，良好的導(dǎo)熱性，長(zhǎng)期運(yùn)行下有優(yōu)良的組織穩(wěn)定性，能用于亞臨界、超高臨界電站鍋爐過(guò)熱器、再熱器鋼管、以及高溫集箱和主蒸汽管道， 是當(dāng)今世界超臨界發(fā)電廠鍋爐管用鋼使用最為廣泛的鋼種，而且已被作為開(kāi)發(fā)更高使用溫度鋼材的研究基準(zhǔn)。隨著大量電站使用T91材料，那么相關(guān)電站壽命定量分析方法也引起了廣泛關(guān)注。
目前，國(guó)內(nèi)外主要使用Larson-miller參數(shù)法及其衍生方法，無(wú)損檢測(cè)方法來(lái)進(jìn)行電站鍋爐T91鋼管進(jìn)行壽命的定量分析。
Larson-miller參數(shù)法及其衍生方法是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的一種持久強(qiáng)度外推方法。它指出了溫度、時(shí)間和壓力之間的相互關(guān)系，參數(shù)P = T(C+lgtr)用來(lái)表示溫度和時(shí)間的協(xié)同作用的影響，而P本身又是應(yīng)力的函數(shù)，即P = f( σ )，一般參量P與應(yīng)力關(guān)系的多元非線性回歸方程表達(dá)式為
Ρ(σ)= Bo+Bi (lg σ ) +B2 (lg σ ) 2+B3 (lg σ )3。
其中，σ表示施加的應(yīng)力；T為絕對(duì)溫度；、為蠕變斷裂時(shí)間；f是函數(shù)關(guān)系；C為 Larson-miller參數(shù)，對(duì)于不同的材料有不同的取值，但大部分的鋼都可以取C = 20。按照 Larson-Miller關(guān)系式，根據(jù)斷裂時(shí)間和實(shí)驗(yàn)溫度可以算出實(shí)驗(yàn)應(yīng)力下的I\_M值，然后繪制表達(dá)o、T、t三者關(guān)系的I\_M-lg0曲線，當(dāng)知道了使用條件下的應(yīng)力后，就可以確定I\_M， 從而根據(jù)已有的溫度和應(yīng)力條件測(cè)算出斷裂時(shí)間。由Larson-miller參數(shù)法衍生的其他方法有很多，比如考慮到腐蝕損傷、金相變化引起材料的敏感變化的影響引入Z參數(shù)考慮材料的組織劣化等。但是通過(guò)Larson-miller參數(shù)法及其衍生方法進(jìn)行T91鋼管剩余壽命定量分析的最大缺點(diǎn)是，需要進(jìn)行高溫持久拉伸實(shí)驗(yàn)，整個(gè)壽命分析過(guò)程很長(zhǎng)，有時(shí)甚至長(zhǎng)達(dá) 1年。
無(wú)損檢測(cè)方法以超聲檢測(cè)為主，材料在高溫、應(yīng)力和環(huán)境共同作用下長(zhǎng)期服役會(huì)受到損傷，在材料內(nèi)部產(chǎn)生微小的裂紋，或者在材料內(nèi)部使物理性質(zhì)發(fā)生變化，這些材料變化都會(huì)使超聲傳播發(fā)生相應(yīng)的變化，利用這種變化來(lái)找出材料損傷與超聲波特性變化的相關(guān)性以評(píng)價(jià)材料的剩余壽命。通過(guò)無(wú)損檢測(cè)方法進(jìn)行壽命分析容易造成誤判，壽命分析結(jié)果誤差大大超過(guò)士 10%，實(shí)際應(yīng)用意義不大。發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)目前T91鋼管高溫時(shí)效實(shí)驗(yàn)性能研究情況，為解決現(xiàn)有電站鍋爐T91鋼管剩余壽命定量分析方法的上述各種缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種T91鋼管的剩余壽命定量分析方法，通過(guò)T91材料內(nèi)部碳化物粒徑大小來(lái)定量分析電站鍋爐T91鋼管的殘余壽命， 解決了傳統(tǒng)的Larson-miller法及其衍生方法和無(wú)損檢測(cè)法在進(jìn)行電站鍋爐T91鋼管的殘余壽命定量分析過(guò)程中存在的耗時(shí)長(zhǎng)，誤差大的問(wèn)題。
本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的
本發(fā)明通過(guò)對(duì)T91鋼管高溫時(shí)效實(shí)驗(yàn)，然后進(jìn)行力學(xué)性能、物理化學(xué)性能的檢測(cè)及金相分析，可以發(fā)現(xiàn)隨著T91鋼的長(zhǎng)期高溫時(shí)效，其組織結(jié)構(gòu)和各種性能都發(fā)生了很大變化，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面(1)組織結(jié)構(gòu)的變化。由于發(fā)生蠕變回復(fù)和亞晶的生成與長(zhǎng)大，T91鋼原始組織中的回火板條馬氏體逐漸變化為等軸狀鐵素體；同時(shí)由于發(fā)生 Ostwald熟化，原始組織中的碳化物顆粒從初始的細(xì)小彌散狀態(tài)逐步轉(zhuǎn)化為粗大的碳化物顆粒并偏聚于晶界處，這些變化可以通過(guò)金相分析明顯的觀測(cè)出來(lái)。( 力學(xué)性能的變化。 經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期高溫老化后，T91鋼的高溫抗拉強(qiáng)度、高溫屈服強(qiáng)度、宏觀硬度和基體顯微硬度逐漸降低。(3)物理性能的變化。在老化初期，試樣的電阻率隨老化時(shí)間的延長(zhǎng)有下降的趨勢(shì)， 老化時(shí)間超過(guò)300小時(shí)電阻率又有增高的趨勢(shì)?？傮w來(lái)說(shuō)，與原始組織試樣相比，老化材料的電阻率是下降的。(4)化學(xué)性能的變化經(jīng)過(guò)高溫老化后，由于鉻、鉬等強(qiáng)化元素從基體金屬中擴(kuò)散成碳化物以及碳化物顆粒逐漸粗化長(zhǎng)大，T91鋼的抗電化學(xué)腐蝕的能力降低，電極電位出現(xiàn)明顯降低，抗氧化性能也呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)，抗硫酸腐蝕的能力增強(qiáng)。
本發(fā)明選取碳化物長(zhǎng)大和力學(xué)性能作為T(mén)91鋼殘余壽命評(píng)估的指標(biāo)，根據(jù)T91鋼力學(xué)性能低于標(biāo)準(zhǔn)參考值時(shí)，T91鋼失效，確定碳化物顆粒粗化的粒徑，通過(guò)T91鋼管金相組織中的碳化物顆粒大小來(lái)計(jì)算T91鋼管的剩余使用壽命。碳化物顆粒大小采自20 40 個(gè)金相樣品，運(yùn)用金相分析法對(duì)T91鋼中組織的碳化物顆粒進(jìn)行定量測(cè)量每個(gè)金相樣品的碳化物粒徑，其測(cè)量方法可參照標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 15749-1995定量金相手工測(cè)定方法)。首先， 對(duì)不同時(shí)效時(shí)間和時(shí)效溫度的試樣取20 40張金相照片進(jìn)行測(cè)量；然后，采用格拉布斯 (Grubbs)誤差剔除準(zhǔn)則將其中碳化物顆粒粒徑測(cè)量異常值剔除；最終使用的碳化物顆粒的粒徑大小是剔除異常值后對(duì)剩下的粒徑測(cè)量值取平均。從而，得到表1碳化物顆粒大小數(shù)據(jù)。
表1碳化物顆粒粒徑變化情況
權(quán)利要求
1.一種T91鋼管的剩余壽命定量分析方法，其特征在于選取碳化物長(zhǎng)大和力學(xué)性能作為T(mén)91鋼殘余壽命評(píng)估的指標(biāo)，根據(jù)T91鋼力學(xué)性能低于標(biāo)準(zhǔn)參考值時(shí)，T91鋼失效，確定碳化物顆粒粗化的粒徑，通過(guò)T91鋼管金相組織中的碳化物顆粒大小來(lái)計(jì)算T91鋼管的剩余使用壽命；碳化物顆粒大小采自20 40個(gè)金相樣品，運(yùn)用金相分析法對(duì)T91鋼中組織的碳化物顆粒進(jìn)行定量測(cè)量每個(gè)金相樣品的碳化物粒徑，其測(cè)量方法參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15749-1995定量金相手工測(cè)定方法。
2.按照權(quán)利要求1所述的T91鋼管的剩余壽命定量分析方法，其特征在于首先，對(duì)不同時(shí)效時(shí)間和時(shí)效溫度的試樣取20 40張金相照片進(jìn)行測(cè)量；然后，采用格拉布斯誤差剔除準(zhǔn)則將其中碳化物顆粒粒徑測(cè)量異常值剔除；最終使用的碳化物顆粒的粒徑大小是剔除異常值后對(duì)剩下的粒徑測(cè)量值取平均；從而，得到碳化物顆粒大小數(shù)據(jù)。
3.按照權(quán)利要求1所述的T91鋼管的剩余壽命定量分析方法，其特征在于，用機(jī)械方法切取樣品，并通過(guò)金相試樣鑲嵌機(jī)進(jìn)行樣品鑲嵌。
4.按照權(quán)利要求1所述的T91鋼管的剩余壽命定量分析方法，其特征在于，采用水砂紙和金相砂紙對(duì)被測(cè)表面依次進(jìn)行磨拋，保證表面粗糙度Ra < 0. 8 μ m。
5.按照權(quán)利要求1所述的T91鋼管的剩余壽命定量分析方法，其特征在于，對(duì)材料進(jìn)行磨拋的過(guò)程需同時(shí)噴水，避免溫度升高導(dǎo)致金相組織狀態(tài)發(fā)生改變。
6.按照權(quán)利要求1所述的T91鋼管的剩余壽命定量分析方法，其特征在于，在金相顯微鏡上進(jìn)行樣品的碳化物粒子粒徑測(cè)試前，應(yīng)首先在每個(gè)樣品的磨拋表面，點(diǎn)3wt% 5wt% 硝酸的酒精溶液，靜置5 IOs使表面充分腐蝕。
7.按照權(quán)利要求1所述的T91鋼管的剩余壽命定量分析方法，其特征在于，具體步驟如下(1)在電站鍋爐現(xiàn)場(chǎng)選取被測(cè)T91高溫蒸汽管，然后用砂輪機(jī)切取評(píng)估樣品，切取樣品的過(guò)程中同時(shí)進(jìn)行噴水；(2)通過(guò)金相鑲嵌機(jī)將切割下來(lái)的樣品進(jìn)行試樣鑲嵌，然后在金相磨拋機(jī)上依次換上 180號(hào)、320號(hào)、400號(hào)、500號(hào)、600號(hào)的水砂紙依次粗磨；再換上01號(hào)、02號(hào)、03號(hào)金相砂紙進(jìn)行精磨，確保表面粗糙度Ra < 0. 8 μ m ；每次更換不同型號(hào)砂紙前將磨制面清洗干凈，而且在整個(gè)機(jī)械磨制過(guò)程中同時(shí)噴水， 重復(fù)上述過(guò)程獲得20 40個(gè)類似的金相樣品；(3)在每個(gè)樣品的磨拋表面，點(diǎn)3wt% 5wt%硝酸的酒精溶液，靜置5 IOs后，依次通過(guò)金相顯微鏡，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15749-1995定量金相手工測(cè)定方法進(jìn)行T91樣品的金相組織中碳化物顆粒的粒徑測(cè)定，通過(guò)格拉布斯準(zhǔn)則對(duì)其中碳化物顆粒粒徑異常值進(jìn)行剔除；待異常值剔除完之后，對(duì)剩下的碳化物顆粒粒徑進(jìn)行取平均值，將碳化物顆粒粒徑平均值代入得到被測(cè)T91鋼管的剩余壽命；其中，、表示剩余使用壽命，小時(shí)；《表示碳化物顆粒平均直徑，μ m ;T表示老化溫度，K。
8.按照權(quán)利要求1所述的Τ91鋼管的剩余壽命定量分析方法，其特征在于，整個(gè)數(shù)據(jù)處理過(guò)程通過(guò)計(jì)算機(jī)程序完成。38431T
全文摘要
本發(fā)明涉及電站鋼管剩余壽命定量分析領(lǐng)域，特別是一種用于T91鋼管的剩余壽命定量分析方法，解決了傳統(tǒng)的Larson-miller法及其衍生方法和無(wú)損檢測(cè)法在進(jìn)行電站鍋爐T91鋼管的殘余壽命定量分析過(guò)程中存在的耗時(shí)長(zhǎng)，誤差大的問(wèn)題。該方法先從被測(cè)工件切取樣品，然后進(jìn)行金相鑲嵌，然后進(jìn)行磨拋，磨拋過(guò)程同時(shí)噴水，待表面粗糙度控制在Ra≤0.8μm，然后通過(guò)硝酸的酒精溶液對(duì)磨拋表面進(jìn)行充分浸蝕后，依次通過(guò)金相顯微鏡，依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行金相組織的碳化物粒徑的測(cè)試。對(duì)多次測(cè)試獲得的碳化物粒徑進(jìn)行數(shù)據(jù)處理直接輸出T91鋼管的定量剩余壽命。本發(fā)明無(wú)需進(jìn)行蠕變拉伸實(shí)驗(yàn)，分析結(jié)果可靠度較高，只需要金相顯微鏡就可以完成定量壽命評(píng)估，檢驗(yàn)效率高，時(shí)間周期短，成本低。
文檔編號(hào)G01N15/02GK102507400SQ201110341959
公開(kāi)日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月2日
發(fā)明者潘柏定, 潘金平, 祝新偉, 程宏輝 申請(qǐng)人:嘉興市特種設(shè)備檢測(cè)院