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摘 要

近几十年，P92钢由于其良好的综合性能而被运用于超临界火力发电机组的主蒸汽管道和再热器等部位。由于设计、制造、运行等因素影响，而应用于多种高温场合下。国内超临界电厂机组失效中，高温蠕变是主要的失效类型。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。由于研究起步晚，加上近年国内普遍采用进口P92钢建造超临界机组，使得我国对于国产P92钢的研究有所欠缺。本文通过用国产P92钢在不同温度和应力条件下进行一系列蠕变试验，研究国产P92钢的高温蠕变性能，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，以期获得材料的相关蠕变规律，对国产P92钢在工程中的运用具有极其重要的意义。

关键词：超临界 P92钢 高温蠕变 CDM模型 寿命预测

ABSTRACT

In recent years, P92 steel has been widely used for main steam pipe and reheater in supercritical thermal power units due to its excellent comprehensive properties. Considering design, manufacturing, operation and other factors, P92 steel is applied to a variety of high temperature occasions. In the failures of domestic supercritical power units, high temperature creep is the main failure type. For long-term service of P92 steel under the action of continuous stress, the material will eventually creep and break because of the slow plastic deformation. As the study started late, coupled with the widely use of imported P92 in domestic ultra-supercritical units, the research of domestic P92 steel is lacking. In this paper, a series of creep tests were carried out under different temperature and stress conditions to study the high temperature creep properties of domestic P92 steel and the creep curves, accelerative creep, creep rupture and creep mechanism were analyzed. In order to obtain the material creep law, we used the CDM model to predict, which is of great significance for the appliances of domestic P92 steel in a project.

KEYWORDS: Supercritical; P92 steel; High temperature creep deformation; CDM model; Life prediction

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第1章 绪 论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状 3

1.2.1蠕变寿命预测研究现状 3

1.2.2超临界电厂用管线钢P92的研究现状 5

1.3蠕变寿命预测模型 7

1.3.1蠕变的概念 7

1.3.2蠕变寿命预测模型的计算 8

1.4本文主要研究内容 10

参考文献 11

第2章超临界用钢高温高应力条件下蠕变行为研究 16

2.1引言 16

2.2高温高应力条件下的蠕变性能研究 16

2.2.1试验制备及试验参数 16

2.2.2蠕变试验设备及方法 17

2.2.3蠕变试验步骤及过程 18

2.3实验结果与分析 19

2.3.1蠕变试验结果 19

2.3.2蠕变试验曲线分析 21

2.4本章小结 24

参考文献 25

第3章 Dyson蠕变本构模型 26

3.1引言 26

3．2蠕变断裂机制的分析 26

3.3 Dyson模型的推导和计算 27

3.4计算结果和分析 30

3.5本章小结 31

参考文献 31

第4章 经济效益分析 32

第5章 结束语 33

5.1总结 33

5.2展望 33

致谢 35

第1章 绪 论

1.1研究背景及意义

我国是个“富煤、少油、短气”的国家，这就导致我国的能源消费是以煤炭为主，总体上看我国还处在煤炭时代。为提高煤炭发电效率，减少CO₂排放，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][1]。超临界机组指的就是锅炉内工质压力达到或超过22.129MPa的机组，亚临界机组因已长时间的投入使用技术已经比较成熟且工况不很严苛，压力通常在22.129MPa以下。类似地，超超临界机组指的是蒸汽压力不低于31 MPa，蒸汽温度不低于374.15℃的机组，在工程上也常指那些工作压力不低于25MPa的机组。超超临界机组在高环保、高效率等方面有着突出优势。其能源利用率高于超临界机组4%，每年能为国家节约6000吨煤炭。而超临界机组能源利用率又比普通机组高出许多。

火力发电工作主要由锅炉和汽轮机两大组件来完成^[2][2]，除此之外，超临界机组电站还需配置发电机及各辅助机型、主蒸汽管道、再热热段或冷段管道和给水管道，需要攻克和掌握的关键技术包括设计集成研究、可靠性研究、耐热钢材料性能和应用研究等。我国的火力发电技术，由最初的低压（3.92MPa，450°C）、高压（9.9MPa，540°C）、超高压（13.7MPa，540°C），到后来的亚临界（16.8MPa）、超临界（22.1MPa以上）和超超临界（27MPa，600°C以上），在步步发展中走向成熟。通过对外来机组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][3]。

随着超临界和超超临界机组的推广普及，整个行业的产电效能得以大幅提升。与此同时，各相应参数、使用温度、蒸汽压力等也随之大幅提高，这就对设备材料提出了更高的使用要求。P92钢是在P91钢的基础上，增W减Mo，外添微量合金元素发展而来，可长期工作于620°C高温环境。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][4]。尽管我国超临界机组起点高发展快，有关机组使用寿命等问题却也随之而至。在外力的综合作用下，氧化皮脱落碎片会形成尺寸更小的颗粒物，当叶片高速旋转时与颗粒物撞击，产生的巨大能量足以给叶片带来致命损伤。同样因氧化皮脱落导致锅炉受热面阻塞从而引起爆管等问题时有发生，这不得不引起人们的重视。由于在高温下使用的材料主要的损伤形式为蠕变损伤，对于长期服役的P92钢而言，在高温高应力的持续作用下，由于微观组织和机械性能的改变，材料会发生不可逆的塑性变形而导致最终的断裂失效。因此无论是工程界还是学术界，都将高温合金在高温条件下的蠕变性能研究作为重点。经过一百多年的发展，逐步建立起关于蠕变的理论体系，并不断完善了蠕变实验手段，无论我国还是国外，都已经制定了关于蠕变实验的相关标准^[5][5]^[6][6]（如我国的GB/T 2039-2012 金属材料单轴拉伸蠕变实验方法，美国ASTM E139 - 11 Standard Test Methods for Conducting Creep, Creep-Rupture, and Stress-Rupture Tests of Metallic Materials等）。超临界机组设备的失效，往往不是由于载荷过大造成的，而是温度和时间对塑性变形的影响造成的，使材料发生了蠕变。因此，对于高温下工作的P92钢，对其蠕变应予特别的重视。在高温等苛刻条件下使用的管道、设备的微观组织在经过一段时间的使用后，会发生组织的变化。发生一定程度的损伤，例如作为主要强化相的碳化物发生聚集长大——即球化，随后这些碳化物发生分解并向晶界扩散，在晶界位置发生聚集并且长大，随后还会产生蠕变孔洞或者沿着晶界的开裂；由于微观组织的损伤从宏观上表现为材料性能降低，一般表现为机械强度降低，韧性下降，脆性增加。如果这些设备使用时存在机组的频繁开停车，那么除了上述性能的劣化外，这些部件由于还会受到疲劳载荷的作用，还会出现疲劳导致的损伤问题。

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