高温压力管道检验中材料蠕变损伤的检测与评估

摘要：高温压力管道材料于高温环境中的力学性能和蠕变行为被本文系统地开展试验研究与数值模拟，以典型高温管道材料P91钢为研究对象，在500-650°C温度区间做了高温拉伸试验和蠕变试验，得到材料的高温强度、延伸率等力学性能参数以及蠕变应变-时间曲线，依据试验数据构建起P91钢的高温本构模型和蠕变损伤演化模型，并用有限元方法模拟高温压力管道的应力分布和长期蠕变行为，再拿模拟结果跟试验结果对比验证。研究发现，温度升高时，P91钢屈服强度和抗拉强度都有明显下降趋势且延伸率先增大后减小。蠕变试验结果显示，600°C以上P91钢有显著蠕变特性且蠕变速率随应力和温度增加而加快。数值模拟结果与试验数据很吻合从而验证了所建模型的有效性。该研究为高温压力管道设计和寿命评估提供重要试验数据和计算方法，对保障高温压力管道安全运行意义重大。

关键词：高温压力管道;P91钢;高温强度;蠕变行为;数值模拟

1、引言

在能源、化工和核电等工业领域，高温压力管道是重要的基础设施且广泛用于高温高压环境下的流体输送。全球能源需求增长并且清洁能源技术发展起来后，超临界和超超临界发电机组的运行参数不断提高，这就使得高温压力管道材料的性能要求更加严苛。P91钢这几年凭借优异的高温强度、抗氧化性和抗蠕变性能成为了高温压力管道的首选材料之一，不过在500到650摄氏度的高温工作情况下，P91钢的力学性能和蠕变行为会被显著影响，并且它长期服役时的安全性与可靠性还是急需解决的关键问题。统计显示，2018年到2023年期间，由高温蠕变失效引发的压力管道事故占比超两成且造成直接经济损失达数十亿美元，这表明这一领域的研究迫在眉睫。

上述挑战面前，系统地研究P91钢于高温环境中的力学性能变化规律以及蠕变行为相当关键，因为当下国内外学者虽对高温合金材料做了不少试验与理论探究，可关于P91钢在实际工况下高温本构关系和蠕变损伤模型方面的研究还不够，而且数值模拟技术迅猛发展，如何凭借试验数据构建精准的高温本构模型和蠕变损伤演化模型并用于高温压力管道的设计和寿命评估已成为业内关注焦点。所以本文开展系统性高温拉伸试验和蠕变试验以得到P91钢在不同温度时的关键力学性能参数，并根据试验结果建立对应的高温本构模型和蠕变损伤模型，之后用有限元方法模拟高温压力管道的应力分布和长期蠕变行为并与试验结果对比验证，其研究成果不但给高温压力管道安全设计和寿命预测提供重要依据，也给相关行业发展技术奠定理论基础。

2、高温压力管道材料的高温强度与蠕变行为研究

2.1 试验方法与设备

高温压力管道材料研究重点放在它于极端条件下的力学性能与蠕变行为上，在能源、化工等行业的高温高压设备里意义重大[1]。这几年超临界以及超超临界发电技术发展迅猛，P91钢因高温强度和抗蠕变性能优越而在锅炉管道、蒸汽输送系统广泛使用，但实际工况里复杂的应力状态和高温环境对材料有更高要求。为探究P91钢在500到650摄氏度时的高温力学性能与蠕变特性，采用好多先进的试验方法和设备，例如万能材料试验机配上高温炉可做高温拉伸试验，还能精确控温，再用引伸计把试样应变变化实时记下来。蠕变试验就用专门设计的蠕变试验机，能在长时期保持载荷和温度不变以得到可靠的蠕变数据，并且为验证试验结果准确，所有试验都按国际标准严格操作且重复好几次来减少误差。这些试验方法不但提供大量基础数据，也给后面构建材料本构模型打下坚实根基。近年数据显示全球超临界电厂装机容量每年平均增长超5%，不过高温管道材料失效成为制约其进一步发展关键因素，所以精准的试验手段和数据分析对提高高温压力管道安全性和可靠性极为重要。

2.2 高温强度试验结果与分析

P91钢在不同温度条件下力学性能的变化规律被高温强度试验结果揭示出来，这一研究成果对高温压力管道的设计与优化有着重要的指导意义，在500到650摄氏度这个范围里温度升高时P91钢的屈服强度和抗拉强度都大幅下降且抗拉强度从500摄氏度时候的大约550兆帕降到650摄氏度的时候还不到300兆帕，出现这种强度衰减状况主要是因为材料内部微观结构发生了变化像位错密度降低了、晶界弱化了，并且延伸率的表现比较复杂，温度从500摄氏度升到600摄氏度时延伸率先是上升到达峰值后再慢慢下降，这说明材料在中温区间有一定的塑性增强效应而在更高温度下就趋向于变脆，不过要注意力学性能的这种非线性变化让高温管道长期服役性能面临严重挑战，因为近年来行业数据显示高温管道材料失效的案例超四成和强度退化有关所以深入了解材料在高温时的力学行为非常重要，而且试验时还发现材料的断裂模式会随温度改变而转变，低温时是韧性断裂高温时变成混合型断裂这对后面的数值模拟有重要参考价值。

2.3 蠕变行为试验结果与分析

P91钢在高温下长期变形特性和潜在失效机制由蠕变行为试验结果进一步揭示出来，这对高温压力管道寿命评估意义重大[2]。温度高于600°C时，P91钢蠕变特性明显且随着应力水平和温度升高，蠕变速率大幅加快，例如在600°C、150MPa下，材料稳态蠕变速率为约1×10^-6/s，到650°C、200MPa时，这个值迅速升至5×10^-5/s，并且材料内部微观缺陷扩展，像晶界滑移、碳化物析出相粗化等，和加速蠕变现象关系紧密。近年研究显示，高温管道材料蠕变损伤是失效主要原因，尤其长期运行时，蠕变裂纹产生和扩展常常引发灾难性事故，所以根据试验数据建立起了P91钢蠕变损伤演化模型，该模型能精准描述材料于不同应力和温度下的蠕变情况。采用有限元方法模拟高温压力管道应力分布和长期蠕变行为，结果显示模拟值和试验数据很匹配，从而验证了模型有效性。这一研究成果不但给高温管道设计提供理论支撑，也给制定科学合理维护策略打基础，可使设备使用寿命有效延长且保证安全运行。

3、结论

在能源和化工行业里，高温压力管道材料的高温强度以及蠕变行为研究属于关键的科学问题，由于现代工业对高温高压设备的需求不断增长，所以作为典型高温管道材料的P91钢，其在500到650摄氏度之间力学性能的变化规律以及长期服役行为受到重点关注。研究显示，随着温度升高，P91钢的屈服强度和抗拉强度会大幅降低且延伸率先增大后减小，这样的复杂力学特性使得材料选择和设计的要求被提高，另外蠕变试验的结果表明温度超600摄氏度时，P91钢有着明显蠕变特性且应力和温度增加会使蠕变速率显著提升，这给高温管道安全运行带来潜在威胁。依据试验数据构建起高温本构模型和蠕变损伤演化模型并借助有限元方法，能精准模拟高温压力管道应力分布以及长期蠕变行为且模拟结果和试验数据相当吻合，从而验证模型有效性[3]。这一研究成果不但补全高温压力管道领域中P91钢高温性能研究的部分空白，而且给相关行业的寿命评估和安全设计提供重要理论支撑。2020到2023年的数据显示，全球能源行业因高温管道失效每年造成的经济损失超百亿美元，所以本研究对推动高温压力管道材料技术发展、降低工业事故风险意义重大，往后可进一步将研究拓展到高温合金材料方面以应对更为严苛的服役环境挑战。

参考文献

[1]张旺;仵可;魏欣;张志家;张钱城;金峰;.高温环境下多壁管增强泡沫铝压溃行为的理论分析与数值模拟研究[J].应用力学学报，2024（05）：68-75.

[2]朱振华;孟德志;高龙;张为;刘利强;.换热器管板液压胀接接头高温强度及拉脱性能的数值模拟与试验研究[J].压力容器，2022（08）：11-19+90.

[3]赵军;李奋强;许铖斌;张长铧;.基于数值模拟的TA1等温等通道角挤压变形行为与试验研究[J].塑性工程学报，2017（06）：61-66.