利用小沖桿試驗技術評估P92鋼拉伸性能

侍克獻， 楊昌順， 邵新中， 王苗苗， 田根起， 王延峰

(1. 上海發電設備成套設計研究院有限責任公司， 上海 200240;2. 江蘇銀環精密鋼管有限公司， 江蘇無錫 214207)

隨著國內新建火電機組數量的逐年下降和電力需求的日益飽和，更加安全和經濟地運行現役火電機組成為行業共識。服役在高溫和高壓環境下的主蒸汽管道是火電廠最重要的部件之一，其制造成本高、更換代價大，而且對運行安全性的要求也非常高，因此開展主蒸汽管道的安全評價和壽命評估是火電站的一項重要工作，這其中的關鍵是準確獲取主蒸汽管道材料服役狀態下的性能數據，而基于微損取樣的小沖桿試驗技術在在役部件材料性能評估方面具有很大的潛力。

小沖桿試驗技術最早于20世紀80年代被用于評估核反應堆輻照損傷對材料性能的影響[1-2]，由于其試樣尺寸遠小于標準試樣，降低了輻照不均對試驗結果的影響及取樣對在役部件造成的損傷，并且有效地降低了輻照費用。隨后，各國研究者把這項技術應用到了在役部件及諸如焊縫和熱影響區等難以獲取標準試樣的部位，評價材料強度、韌脆轉變溫度和斷裂韌性等性能[3-5]。隨著試驗技術逐漸發展成熟，歐洲和中國分別發布了關于小沖桿試驗方法的標準——CWA 15267—2007 《金屬材料小沖桿試驗方法》和GB/T 29459—2012 《在役承壓設備金屬材料小沖桿試驗方法》。

P92鋼是超超臨界火電機組的關鍵材料之一，主要用于制造主蒸汽管道和鍋爐集箱等部件。P92鋼相比于其他鐵素體鋼，具有更高的高溫強度和蠕變性能，以及良好的抗氧化和抗腐蝕性能。目前，國產P92鋼厚壁管已實現了工程化應用，有效地打破了進口P92鋼管在中國市場的壟斷地位。筆者對國內某公司生產的P92鋼主蒸汽管道用大口徑厚壁管(簡稱P92厚壁管)進行取樣，采用小沖桿試驗技術對其拉伸性能開展試驗研究。

1 試驗材料

該公司采用熱擠壓工藝生產P92厚壁管，鋼管的直徑為457 mm、壁厚為90 mm。采用的熱處理工藝為正火加回火，顯微組織為回火馬氏體(見圖1)，晶粒度為6～7級，符合GB/T 5310—2017 《高壓鍋爐用無縫鋼管》對P92鋼成品鋼管的要求。

圖1 P92鋼的顯微組織

表1為P92鋼的化學成分。由表1可見，該P92鋼化學成分符合ASME SA-335M—2007 《高溫用無縫鐵素體合金鋼管》和GB/T 5310—2017的要求，且有害元素總含量非常低。P92鋼的拉伸性能見表2。由表2可見，該P92鋼的室溫拉伸性能符合ASME SA-335M和GB/T 5310—2017的要求。

表1 P92鋼的化學成分 %

表1(續)

表2 國產P92鋼的拉伸性能

2 試驗方法

小沖桿試驗是一種以微型圓片試樣為試驗對象的力學性能試驗。圖2是試驗夾具的示意圖，加載孔位于夾具的中心，加載孔的中心線與加載系統的加載線重合。

圖2 夾具示意圖

試樣安裝在下夾具的凹槽中，通過夾緊機構控制上下夾具貼合并給試樣圓周施加一個恒定的夾緊力用于固定試樣。試驗時，加載系統以恒定的速率將尖端安裝有半球形沖頭的沖桿沿加載線向下擠壓試樣中心位置，位移傳感器通過安裝在加載孔中的陶瓷桿測量試樣中心的變形量。系統自動記錄從沖頭接觸試樣直到試樣斷裂整個過程的加載載荷和試樣中心位移，通過對數據進行分析確定材料的力學性能。

圖3是典型的韌性材料小沖桿試驗載荷-位移曲線，其中py為屈服載荷，pm為最大載荷，dm為最大載荷位移，dy為屈服載荷位移。根據材料的不同響應特征，可以把曲線劃分為6個階段，具體為[6-7]：區域Ⅰ為以彈性響應為主的彈性彎曲和微觀屈服階段；區域Ⅱ為從彈性階段向塑性階段過渡的塑性彎曲和塑性流動階段；區域Ⅲ為以薄膜拉伸為主的塑性強化階段；區域Ⅳ為裂紋萌生階段；區域Ⅴ為裂紋擴展階段；區域Ⅵ為最終失效階段。

圖3 韌性材料的小沖桿試驗載荷-位移曲線

屈服載荷、最大載荷和最大載荷位移等分別與材料的屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率存在線性關系[3-4,7]，根據小沖桿試驗曲線上的特征值可以確定材料的拉伸性能。最大載荷和與其對應的最大載荷位移可以由載荷-位移曲線直接確定，而作為區域Ⅰ和區域Ⅱ的階段分界點的屈服載荷，確定起來相對復雜，學者們分別提出了雙線性法、偏移法、能量法等方法[4,8]，見圖4，其中，py_GB為采用雙線性法確定的屈服載荷，py_t/10為采用偏移法確定的屈服載荷。

圖4 屈服載荷py的確定方法

雙線性法通過對彈性階段和塑性階段曲線分別進行線性擬合，根據2條直線的交點確定特征值，GB/T 29459—2012和CWA 15627—2007都采用了該方法。偏移法類似于標準拉伸試驗中確定屈服強度Rp0.2的方法，通過把載荷-位移曲線的彈性階段曲線平行偏移t/10確定(t為試樣厚度)。相比而言，偏移法比雙線性法更容易操作。

材料的屈服強度Rp0.2、抗拉強度Rm和斷后伸長率A與小沖桿試驗結果中的屈服載荷py、最大載荷pm和最大載荷位移dm、試樣厚度t之間存在以下關系[3-4,8]：

A=γdm

(5)

3 試驗結果分析

3.1 試驗的可重復性

圖5是P92鋼在室溫條件下的重復試驗結果，加載速率為0.2 mm/min，試樣厚度為0.5 mm，10組試驗的載荷-位移曲線比較接近。

圖5 室溫條件下的10組載荷-位移曲線

圖6為室溫條件下特征值的分布情況。由圖6可以看出：最大載荷、最大載荷位移和屈服載荷的分布都具有較好的均勻性?？紤]到材料本身的性能均勻性，試樣的加工精度和表面粗糙度，以及試驗設備的位移和載荷測量誤差等可能帶來的影響，可以認為所使用的試驗設備和試驗方法具有良好的可重復性。

圖6 室溫條件下的特征值均勻性

3.2 加載速率的影響

CWA 15627—2007推薦的加載速率為0.2～2.0 mm/min，GB/T 29459—2012推薦的加載速率為0.2～0.5 mm/min。圖7分別比較了0.2 mm/min、0.5 mm/min和2.0 mm/min 3種加載速率條件下的的載荷-位移曲線。由圖7可以看出：室溫(25 ℃)和600 ℃條件下加載速率0.2 mm/min和0.5 mm/min的曲線相對比較接近，而加載速率2.0 mm/min的結果尤其是試驗最大載荷明顯高于前兩者。為了進一步提高試驗數據的可比性，采用0.2 mm/min的加載速率進行試驗。

圖7 加載速率的影響

3.3 試樣厚度的影響

圖8是室溫條件下試樣厚度分別為0.40 mm、0.45 mm、0.50 mm、0.55 mm和0.60 mm的載荷-位移曲線。由圖8可以看出：最大載荷和屈服載荷與試樣厚度具有很強的相關性，試樣厚度越大，則最大載荷和屈服載荷越大，而最大載荷位移和試樣厚度之間則沒有明顯的相關性。

圖8 試樣厚度的影響

圖9比較了式(1)～式(4)中的變量與試樣厚度之間的相關性，其中py_t/10/t2和py_GB/t2與厚度的相關性都比較小，比較而言，py_t/10/t2與厚度的相關性更低一些。由于試樣厚度為0.40～0.60 mm，而最大載荷位移為1.3～1.5 mm，

因此t2、t和tdm依次變大，pm/t2、pm/t和pm/(tdm)逐漸變小。同樣的，由于試樣厚度小于1 mm，式(5)中的變量dm相較于式(6)中變量dm/t，與厚度的相關性明顯更低(見圖10)。圖9和圖10所描述的試驗結果和文獻[8]對CrMoV鋼的數值模擬結果是一致的。

圖9 py、pm相關參數和試樣厚度的相關性

圖10 dm相關參數和試樣厚度的相關性

因此，在考慮不同試樣厚度對估算結果影響的情況下，在式(1)中選擇py_t/10/t2來關聯P92鋼的屈服強度，選擇式(3)和式(5)來關聯P92鋼的抗拉強度和斷后伸長率。根據表2中的標準拉伸試驗得到的P92鋼室溫性能來確定各項關聯式中的系數，得到以下經驗公式：

A=16.72dm

(9)

3.4 試驗溫度的影響

圖11是采用GB/T 29459—2012推薦的0.50 mm試樣厚度在不同溫度下試驗獲得的小沖桿試驗曲線。由圖11可以看出，所有曲線都具有圖3所示的韌性材料的載荷-位移曲線特征：隨著試驗溫度的提高，載荷-位移曲線整體向下偏移，試驗的最大載荷逐漸降低；最大載荷位移從室溫到500 ℃表現出逐漸變小的趨勢，從500 ℃到650 ℃又逐漸變大；最大載荷位移所表現出來的塑性，隨溫度變化趨勢和表2中的斷后伸長率隨溫度的變化趨勢一致，該趨勢和P92鋼在不同溫度下具有不同的變形機制有關。

圖11 不同溫度條件下的載荷-位移曲線

圖12比較了P92鋼25～650 ℃的屈服強度估算結果和實際屈服強度，采用式(7)獲得室溫下的屈服強度和小沖桿試驗特征值的經驗關聯公式，可以對25～650 ℃的屈服強度進行較好的估算。由圖12可以看出：對每個溫度下的3個估算結果取平均值，可以提高估算結果的準確性。

圖12 屈服強度估算結果比較

采用式(8)獲得室溫下的抗拉強度和小沖桿試驗特征值的經驗關聯公式，得到的25～650 ℃的抗拉強度估算結果誤差相對較大；采用式(9)對25～650 ℃下的斷后伸長率估算結果誤差更大。這可能是由于P92鋼在不同溫度下具有不同的變形機制，從而導致最大載荷位移變化規律比較復雜所導致的。在條件允許的情況下，通過試驗獲取每個溫度條件下經驗關聯公式，可以改善估算結果的準確性。

經過比較發現，在試樣厚度確定的情況下，采用pm/t2形式擬合，對不同溫度下的抗拉強度進行估算，可以有效地降低估算誤差，即

圖13比較了P92鋼在25～650 ℃的抗拉強度估算結果和實際抗拉強度，其中，采用式(8)得到估算值1，采用式(10)得到估算值2。由圖13可以看出：對每個條件下的3個估算結果取平均值，可以提高估算結果的準確性。

圖13 抗拉強度估算結果比較

采用式(7)和式(10)估算P92鋼在25～650 ℃下的拉伸性能預測平均值，結果見表3。從表3中可以看出：選用合適的關聯公式，小沖桿試驗技術可以比較準確地對P92鋼在25～650 ℃下的拉伸性能進行估算，在對3個估算結果取平均值后，與實際拉伸性能估算值的相對誤差都在10%以下。因此，采用小沖桿試驗技術對主蒸汽管道P92鋼的拉伸性能進行評估是可行的。

表3 P92鋼力學性能的預測值

4 結語

筆者采用基于微損取樣的小沖桿試驗技術，對國產主蒸汽管道P92鋼開展拉伸性能評估的試驗研究工作，得出以下結論：

(1) 10組重復性試驗的載荷-位移曲線比較接近，最大載荷、最大載荷位移和屈服載荷分布具有較好的均勻性，證明了所使用的試驗設備和試驗方法具有良好的可重復性。

(2) 加載速率為0.2 mm/min和0.5 mm/min的試驗結果比較接近，與加載速率為2.0 mm/min的結果差異比較大。在GB/T 29459—2012推薦的0.2～0.5 mm/min內，選擇確定的加載速率，有利于提高試驗數據的可比性。

(3) 測試了從0.40 mm、0.45 mm、0.50 mm、0.55 mm和0.60 mm不同厚度的試樣，根據不同變量和試樣厚度的相關性，在需要考慮各種不同試樣厚度的情況下，優先選擇變量py_t/10/t2、pm/(tdm)和dm/t來關聯屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率。

(4) 通過試驗獲得了25 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃、600 ℃和650 ℃條件下的小沖桿試驗載荷-位移曲線，采用室溫下獲得的py_t/10/t2和屈服強度的經驗關聯公式，可以對25～650 ℃的屈服強度進行較好的估算。采用室溫下獲得的pm/(tdm)的經驗關聯公式，對25～650 ℃下的抗拉強度估算結果誤差相對較大，而采用pm/t2擬合的關聯公式來進行估算，可以有效地降低估算誤差。因此，在試樣厚度相同的情況下，選擇pm/t2來關聯抗拉強度，有助于提高在不同溫度條件下的估算準確性。

(5) 開展3次及以上的平行試驗，并對估算結果取平均值，可以提高估算結果的準確性。在取樣條件允許的情況下，通過大量試驗分別建立各個溫度條件下的關聯公式，可以進一步提高評估精度。

(6) 試驗研究表明，采用小沖桿試驗技術這一試驗方法對主蒸汽管道P92鋼的拉伸性能進行評估是可行的。