基于饱和磁参数法的P92钢热疲劳损伤评估

汤淳坡，周 龙，吴国兴，崔 崇

(1.国家能源集团泰州发电有限公司，江苏泰州 225300；
2.国家能源集团科学技术研究院有限公司，北京 102209)

疲劳损伤是指热扰动产生的原子空位由于平衡位置本身的变化而不能完全相互湮灭、从而形成缺陷，并在疲劳载荷的作用下发展[1-4]。火力发电机组的高温承压金属管道、管件在机组调峰运行过程中会受到热疲劳损伤[5-9]。刘志刚[10]认为无论是低负荷调峰，还是两班制调峰，都是机组工况大幅度变化的过程，机组参加一次调峰运行，金属部件就会经历一次应力循环，在这种循环应力的反复作用下，就会引起材料的疲劳损伤。目前主要采用微观组织分析、力学性能测试、应力分析计算等方法对疲劳损伤的部件进行分析。为了减少对在役设备的破坏，采用无损检测方法对疲劳损伤进行快速评价是一个重要的技术发展方向。蔡晖等[11]对灵活性运行的锅炉进行了应力分析，表明热应力是导致水冷壁开裂失效的主要因素。崔崇等[12]通过有限元模拟计算结合现场检验的方法，表明调峰机组的金属部件沿壁厚方向存在谷点特征分布的疲劳热应力。磁参数无损检测方法具有测量速度快和精度高等优点。目前研究较多的是采用磁记忆检测法、巴氏磁参量法对铁磁性部件内部的残余应力、疲劳损伤进行无损检测。卢兵兵等[13]综述了金属磁记忆疲劳损伤检测的应用现状及发展前景。和振峰等[14]研究采用标准化处理后的磁记忆曲线矢量合成平均值来表征焊缝疲劳整个过程，达到预警疲劳裂纹萌生的目的。陈善功等[15]提取了液压缸疲劳试样在不同疲劳损伤阶段的金属磁记忆信号特征值，提出了疲劳损伤定量化评估的阈值。王泓等[16]的研究表明巴氏磁参量的变化量不但能可靠表征试样热损伤的程度；
而且能方便地预测热损伤后的疲劳强度。侯玉婷[17]对巴氏磁参量的多磁参数融合和材料疲劳寿命预测中的不确定性问题展开研究。磁滞特性是由铁磁材料在磁化过程中磁通密度B的变化滞后于磁场强度H的变化而导致的[18-20]，其中，铁磁性材料在外加磁场作用下磁化到饱和状态后，对其施加退磁场，当外加磁场强度减小到0时，材料剩余的磁感应强度为剩磁，使其剩磁减为0所需要的反向磁场强度为矫顽力。

采用磁滞特征参数研究调峰机组高温耐热钢材料热疲劳损伤的研究还比较少，本文以火电机组常用的SA-335 P92钢为研究对象，介绍基于饱和磁滞回线特征参数的热疲劳损伤检测、辅以理化检验的结果和分析，以了解热疲劳对相关性能的影响，期望有助于调峰机组高温金属部件的热疲劳损伤的定量评估。

1.1 试验材料

试验原材料为正火+回火态的P92钢管，规格为OD 380 mm×60 mm。

1.2 热疲劳试样制备

采用机加工方法制作40个尺寸为10 mm×10 mm×50 mm的正方形截面的长条状样品，分为1#～8#共8个组别(每组包括5个平行样品)。按表1的方案，采用Gleeble-1500型热疲劳试验机进行热疲劳试验。单次循环参数为：温度由520 ℃升高到620 ℃，稳定后再降低到520 ℃，温度变化速率为25 ℃/min；
与此同时，给样品施加沿轴向的拉应力从0 MPa升高到70 MPa，再降低到0 MPa。其中1#组别是热疲劳循环次数为0次的原始态样品。

表1 热疲劳试验方案

1.3 饱和磁参数试验

采用配置有CMP-30型探头的MA-WF-05型磁性分析系统对热疲劳样品进行饱和磁参数性能检测。将测试结果绘制成饱和磁滞回线，并自动提取以下测试结果：矫顽力(Hc)和剩磁(Br)。

1.4 理化试验

对1#组别的原始态样品以及经热疲劳试验的2#～8#组别样品,选择其中的平行样品分别采用蔡司光学显微镜进行微观组织观察，并利用MTS CMT4000力学性能试验机进行室温力学性能试验。

2.1 饱和磁参数性能

热疲劳试验样品的饱和磁参数性能检测结果如表2所示。磁矫顽力测试值Y1与热疲劳循环次数X线性拟合结果分别如图1(a)和式(1)所示(线性相关系数R=0.96);剩磁测试值Y2与热疲劳循环次数X的线性拟合结果分别如图1(b)和式(2)所示(线性相关系数R=0.59)。

表2 饱和磁参数性能

(a)磁矫顽力

Y1=648.6571+1.4889X

(1)

Y2=0.14491+2.6724×10-4X

(2)

式中,X为热疲劳循环试验次数；
Y1为磁矫顽力测试值；
Y2为剩磁测试值。

研究发现,随着热疲劳循环次数增多，磁矫顽力测试值呈线性增大趋势，剩磁测试值基本呈增大趋势，但同一组多次测试数据的方差很大，导致单次测试值波动范围大。

2.2 微观组织

P92钢试验样品不同循环次数热疲劳的微观组织如图2所示。可以看出在热疲劳试验过程中，随着温度和应力循环次数的增加，供货状态下存在的亚晶粒消失，板条宽度增大。在试验循环200次及以后，原始的板条结构逐渐向等轴的晶粒转变。

(a)循环0次

材料内部亚晶粒的晶界主要是高密度的位错构成。从亚晶粒逐渐消失可以推测位错逐渐发生了运动或者湮灭。试验过程中，材料受到高温和较大的应力在局部造成的应力集中为形成等轴晶粒提供了驱动力，并使晶粒发生转动，靠近最低能量的择优取向。与此同时，微区域的塑性变形使得位错发生增殖，当位错堆积到一定程度时，位错墙产生，并将板条划分为多个低能量位错胞，随着保载条件加剧，位错继续向板条边界、晶界等处迁移，板条内小的位错胞结构消失。从磁畴结构运动变化的角度看，畴壁的移动需要达到一定临界磁场强度。随着热疲劳循环次数增加，晶内位错逐渐塞积到板条边界、晶界附近，因此推测位错塞积造成的局部应力集中使材料晶界附近的应力能增加，进而使P92磁畴磁矩的取向发生变化，导致了矫顽力增大。

2.3 室温力学性能

不同循环次数热疲劳后，P92的室温力学性能测试结果如图3所示。

图3 室温力学性能与热疲劳循环次数关系曲线

从图3可看出，随着热疲劳循环试验次数的增加，P92钢的室温抗拉强度和屈服强度总体呈现降低趋势，特别是抗拉强度在循环次数达到250次以后有较为显著的降低。但在循环次数约150次左右的老化样品中，观察到抗拉强度和屈服强度升高的现象。这表明在热疲劳试验过程中，材料的室温力学性能与热疲劳损伤的增加没有线性相关的特点。由于耐热钢材料强度与其微观结构密切关联，在热疲劳循环试验的初期阶段(循环次数250次以内)，随疲劳损伤的增加，推测在晶粒内部位错堆积到一定程度时，导致位错强化效应，对室温力学试验时晶粒的形变造成了阻碍，表现为强度性能的升高。在热疲劳试验的中后期阶段，马氏体板条内部位错密度显著降低，表现为室温力学性能逐渐降低。

(1)P92钢的磁矫顽力与其热疲劳试验的循环次数之间存在良好的线性正相关关系，而剩磁的变化趋势不明显，因此磁矫顽力参数能够用于P92钢材料无损检测的热疲劳损伤程度。

(2)随热疲劳循环次数增加，马氏体板条内小的位错胞结构消失、板条宽度有增大趋势，室温力学性能随循环次数增加而逐渐降低。