耐热钢Larson-Mil...er_C常数的确定方法研究_龚敏.pdf
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1、宝钢技术2023 年第 3 期耐热钢 Larson-Miller C 常数的确定方法研究龚敏,方健,翟国丽(宝山钢铁股份有限公司中央研究院,上海201999)摘要:锅炉管服役寿命预测是耐热钢研发领域的重要课题,通常采用时间温度参数(TTP)法来进行寿命外推,其中 Larson-Miller 参数法应用最为广泛。利用12Cr1MoV 钢持久性能数据,介绍了计算 Larson-Miller 常数 C 值的两种方法。通过对数据进行分区处理,计算得到单区 C 值高于低应力区 C 值,结合曲线与实测值的比较,发现若采用单区 C 值进行持久寿命预测将造成性能过估情况,而进行分区 C 值处理可以有效降低性能
2、被高估的情况。同时,提供了一种简便实用的判定应力分区界限的方法。关键词:耐热钢;Larson-Miller 常数;寿命预测;持久蠕变;TTP 参数法中图分类号:TG142 73文献标志码:B文章编号:10080716(2023)03002405doi:10 3969/j issn 10080716 2023 03 004Study on determination of Larson-Miller parameter constant C for heat resistant steelGong Min,Fang Jian and Zhai Guoli(esearch Institute,Ba
3、oshan Iron Steel Co,Ltd,Shanghai 201999,China)Abstract:The service life prediction of boiler tubes is an important subject in the research anddevelopment field of heat-resistant steel The time-temperature-parameter(TTP)method is usuallyused to extrapolate the service life,with the Larson-Miller para
4、meter method being the most widelyused Two methods for calculating the Larson-Miller constant C value are introduced by using thecreep rupture property data of 12Cr1MoV steel Through the partition processing of the data,thecalculated C value of the single area is higher than that of the low stress a
5、rea Combined with thecomparison between the curve and the measured value,it is found that if the single area C value isused for the endurance life prediction,the performance will be overestimated,and the partition Cvalue processing can effectively reduce the performance being overestimated At the sa
6、me time,asimple and practical method for determining the boundary of stress zoning is providedKey words:heat resistant steel;Larson-Miller constant;life prediction;creep rupture;TTP method中国宝武钢铁集团有限公司“工业大脑计划”之数字化材料研发项目(编号:S22YYHB101)资助龚敏工程师1989 年生2013 年毕业于上海大学现从事金属材料力学性能评估电话18801929743E-mailgongmin
7、baosteel com1概述锅炉管是燃煤火力电站的关键部件,长期处于高温、高压的服役条件下,存在蠕变断裂失效以致于引发重大安全事故的可能,其安全可靠的重要性不言而喻。因此,锅炉管服役寿命预测一直是耐热钢研发领域的一个重要课题。通常采用时间温度参数(TTP)法来进行寿命外推,TTP参数法的原理是认定时间和温度对于蠕变变形的贡献可以互补,可以利用高温高应力短时持久断裂结果来预测低温低应力长时间持久寿命1 3。目前,TTP 参数法主要有 Larson-Miller参数法4 和 OrrSherby-Dorn 法5,其中 Larson-Miller 参数法应用最为广泛。从 Larson-Miller
8、参42龚敏等耐热钢 Larson-Miller C 常数的确定方法研究数 P 的表达式中可以看出,当 温 度 一 定 时,Larson-Miller 常数 C 对于参数 P 影响极大,因此如何精准确定常数 C 的取值成为运用 Larson-Miller 参数法进行寿命预测的关键。目前,对于 C 的取值有很多说法。一些文献认为,碳钢、低合金钢和奥氏体钢的常数 C 一般为 206。也有文献认为常数 C 由材料中碳含量决定,一般合金元素的含量对其无显著影响7,并且给出了碳素钢 C 值的计算公式8 10:C=21 2 5 625w(C)及 C=21 3 5 8w(C),其中w(C)为碳的质量分数。但是
9、,也有很多研究认为,C 常数和材料成分、生产工艺都有关系,不同材料 C 值应该根据大量持久试验数据应用相应的计算方法得到。目前,常用的计算方法主要有两类:一是利用试验数据进行拟合优化得到常数C,简称优化法;二是在 1/T lgtr坐标系中进行线性外推与纵坐标相交得到常数 C,简称相交法2。同时,有学者认为,对于组织稳定性较差的材料,其持久性能可能在中短时内出现转折,则其 C值不再是常数,而需要分区处理,否则会过高估计其持久性能,与实际相偏离。文献 11 利用日本NIMS 公布的 Gr 92、Gr 122 和 Gr 91 试验数据,根据试样加载应力与抗拉强度的比值,把数据点分为高应力区和低应力区
10、,并应用优化法进行了分区 Larson-Miller 参数优化,得到了两个分区的C 值。结果表明,整体 C 值明显高于低应力区 C值,如采用整体 C 值进行持久寿命预测,将出现较大性能过估现象,而采用 C 值分区方法可以降低其性能过估情况。Larson-Miller 参数法的运用需要建立在大量持久试验数据的基础上,对实验室的试验能力也有较高要求12。近年来,宝钢中央研究院通过技改和科研项目,建立了技术先进、规模一流的持久蠕变试验平台。同时,通过近二十年经营,宝钢中央研究院持久蠕变实验室已积累了数百万小时的耐热钢持久蠕变数据,为耐热钢寿命预测提供了坚实的数据基础。本文利用宝钢中央研究院持久蠕变实
11、验室得到的 12Cr1MoV 耐热钢持久性能数据,进行了Larson-Miller C 常数的确定方法研究。2原理2 1Larson-Miller 参数法Larson-Miller 参数法采用 Arrhenius 公式即式(1)来描述材料在稳态蠕变中的变化过程。=Aexp(Q/kT)(1)式中:为稳态阶段的蠕变速率,mm/(mms);A为常数;Q 为原子活化能,kJ/mol;k 为玻尔兹曼常数;T 为热力学温度,K。对式(1)两边取对数,得到式(2):ln=lnA Q/kT(2)由于稳态阶段占整个蠕变过程的绝大部分,而且在稳态阶段蠕变速率恒定不变,因此:=r/tr(3)式中:r为总蠕变量;tr
12、为总蠕变断裂时间。将式(3)代入式(2)并转换可得式(4):T(lnA lnr+lntr)=Q/k(4)令 lnA lnr=C0,则:T(C0+lntr)=Q/k=P(5)对式(5)两边同时除以 ln10,则可化为:P=T(lgtr+C)(6)式(6)即为 Larson-Miller 参数 P 的表达式。由于 P 为应力的函数6,故式(6)可进一步化为:P()=T(lgtr+C)(7)式中:为蠕变应力。2 2优化法优化法是利用拟合优化得到常数 C 的一种方法。方法具体细节如下:先设定一个 C 值取值(如 C=20),然后根据式(7),可以得到不同应力对应的 P 值。通过多项式拟合,建立起参数
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