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压痕法无损检测电厂金属部件的力学性能

  • 来源: 大发彩票华中电力试验研究院
  • 作者: 邓辉
  • 发布时间: 2018-03-07

前言

随着国民经济的快速发展和人民生活水平的提高,人们对电力的需求越来越高,而近年来,能源节约和环境问题越来越受重视。虽然我国正在积极发展水电、核电、风电以及太阳能等绿色能源,但是以煤炭为主体的一次能源结构并未发生改变,火力发电仍然是我国电力生产的主题。因此,推动超临界、超超临界机组建设,投运,提高煤电转换效率,是我国应对气候变化,实现节能减排目标的重要举措。而提高机组蒸汽压力、温度等参数,增加火力发电机组效率,是建立在电厂金属材料升级的基础上,如T23、T92/P92、Super304H和HR3C等新型耐热钢的应用。国内对这些新型材料经过长期高温高压运行后的力学性能缺乏充分的认识,因此,从机组投运开始,对在役设备材料的性能进行掌握、跟踪和研究,作出准确的安全评价,是发现设备缺陷、保证设备安全可靠运行、减少机组非计划停运次数和时间、减少电力事故的一种重要手段。

现阶段电力工作者主要通过传统的力学性能试验如拉伸、冲击试验对材料的性能进行分析,这种方法需要对设备进行破坏性取样加工,且取样尺寸较大,会对设备造成难以恢复的破坏,这对在役设备通常是不允许的。压痕法则能够在不破坏设备的前提下,现场方便、快捷、准确地检测在役设备材料的力学性能,如硬度、抗拉强度、弹性模量、断裂韧性、残余应力等指标,进而对材料的老化行为进行定量研究,并对其老化机理进行定性分析。

本文对压痕法测量力学性能的原理进行详细的介绍,并介绍以压痕法为原理的便携式万能力学性能检测仪在国外电厂金属部件检测中的应用,同时阐述了该技术在在役设备检验中的重要意义。

压痕法技术原理

1.1 压痕法测量拉伸性能原理

传统的材料的抗拉强度(Rm)和屈服强度(Rp0.2)主要是通过单轴拉伸试验来获得。1951年,Tabor在其著作中提出了压痕试验表征应变的方法,即ε~a/R(见图1),其中a为压痕投影圆半径,R为球形压头半径[1]。1980年,H.A.Francis和P.Au最先采用球压头进行压痕试验,并将所得的压痕曲线与应力应变曲线进行关联[2]

 

图1 应变与相对压痕尺寸关系

1990年,Haggag等人提出了自动球压痕试验方法,在试验过程中,球形压头以一定的速率压入试样表面,进行部分卸载后再次压入试样表面,完成一个加载-卸载-再加载的循环加载过程,再对材料施加多个载荷循环,并记录其载荷位移曲线[3-4]。韩国Frontics公司研究人员研发出了用球形压头在材料同一位置连续加载并卸载的“部分卸载法”,这种方法是逐步增加压头下压压力,到一定深度之后停止下压,卸载掉当时载荷一半后继续下压,此时完成一个循环[5-6]。当完成多个循环后,彻底卸载载荷,移去压头,获得完整的多循环载荷深度曲线,如图2所示。其中,Fmax为最大压入载荷,hmax为最大压入深度,hi是载荷为Fmax时压头与试样的接触深度,hf是载荷为Fmax时试样移去后永久的压痕深度,S为卸载曲线的初始斜率即材料刚度。在压头下压的过程中材料会在压痕区域产生弹塑性变形,其真实应力值和真实应变值可通过载荷和深度数据经数学理论公式计算得到。

 

(a)单次部分卸载法载荷-深度

 

(b)多次部分卸载法载荷-深度曲线

图2 载荷-深度曲线

得到载荷深度曲线之后,需要将采集的深度信息转化成接触面积信息。这就需要考虑压头下压过程中产生的塑性堆积和沉入的情况,见图3。结合压头的形状参数,考虑弹性变形的接触深度为:

hc=hmax-hd+hpile            (1)

式中,hd为凹陷深度,hpile为挤出深度,结合压头的尺寸参数后得到压头下压的实际接触面积:

Ac=π(2Rhc-hc2)。          (2)

 

(a)挤出

 

(b)凹坑

图3 压痕周围变形示意图

将深度信息转化为实际接触面积之后,可以通过有限元分析拟合绘制材料的真应力-应变曲线。根据材料的不同类型,所拟合出的真应力-应变曲线分别符合如下本构方程:

 

其中公式(3)为幂函数型材料,公式(4)为线性函数型材料,σ为应力,ε为应变,K为材料常数,n是加工硬化指数。拟合出真应力-应变曲线,由公式结合载荷-深度曲线所采集的材料信息可以计算获得材料的屈服强度和抗拉强度,具体的拟合和计算流程见图4。

 

图4 由载荷-深度曲线计算材料屈服强度和抗拉强度流程图

1.2 压痕法测量断裂韧性原理

假设无限大平板中含有一条长度为2a的穿透型裂纹,在无穷远处施加一单向均匀拉应力,其断裂韧度为:

 

式中,σ为断裂时的拉应力,E为材料的弹性模量,wf为产生一个裂纹面单位面积所吸收的能量。结合上两式得:

 

如果在压痕过程中存在一个反映断裂起始的点,则可通过压痕试验得到的载荷-深度曲线,使载荷在深度上积分,得到的积分结果即试验过程中做的功,也就是压痕试样变形吸收的能量。使其相等于2wf,得到下式:

 

式中,F为施加的载荷,h为压痕深度,d为压痕投影圆直径,h*为反映断裂起始点的临界压痕深度,2wf为形成两个裂纹面需要的能量。

在进行压痕试验过程中,随着压痕深度的增加,材料发生塑性变形及局部损伤,由下压引起的局部损伤的变化导致应变密度的下降。因此,应变能密度的降低同时被视为材料断裂的开始。我们可以通过仪器测量出这一点的应变能,即临界应变能。当变化单位体积应变能达到临界条件的材料失效。因此,当达到临界条件时,我们利用临界载荷F和临界压痕深度和以及压痕区域投影半径d计算出临界应变能wf,最后将临界应变能转换成断裂韧性KJC

压痕法技术的应用

蒋云等人利用Frontics公司制造的AIS3000 compact型便携式万能力学性能检测仪(如图5所示)对几种管道材料进行仪器化压痕力学性能检测结果准确性的论证试验,现场管道由于表面有保护漆层、氧化皮层等会影响测量结果,所以加装设备之前先对材料表面进行简单打磨处理,处理完成后再对管道进行压痕试验。压痕试验后,用相同的被测材料制备的单轴拉伸试样进行单轴拉伸试验,与压痕试验结果进行比对[7]

    

(a)AIS3000 compact

 

(b)AIS3000 compact现场管道加装试验

图5 AIS3000 compact及其应用

仪器化压痕法检测所得的拉伸性能结果和单轴拉伸试验所得结果对比见表1。由两种拉伸试验数据对比可以看出,压痕法所测量的屈服强度值、抗拉强度值与单轴拉伸试验测量出的屈服强度值、抗拉强度值偏差很小,都在±5%以内,并且采用压痕法对同一区域不同位置的检测重复性较好。试验结果表明,压痕法技术测试较为准确,可以满足管道材料力学性能检测要求,可以有效地对在役电厂设备材料进行无损力学性能检测,该检测技术对电厂设备安全管理和日常维护具有有重大意义。

表1 几种管道材料压痕法试验与单轴拉伸试验结果对比

便携式万能力学性能检测仪还可通过特定的支架如多曲面磁铁固定架、平板磁铁固定架、链条固定架用于检测汽轮机转子、汽轮机罩磨损程度、转子罩、管道力学性能等。当前已被韩国电力、核电、燃气公司、三星、浦项制铁、现代汽车、斗山重工、美国国防工业公司、威廉森管道公司、太平洋燃气电力公司、GE、埃克森美孚、壳牌、波音,日本JFE钢铁、中国国电等诸多跨国公司采用,并取得良好的检测效果,如图6。

 

图6 便携式万能力学性能检测仪在电厂的应用

(a)韩国保宁热电厂汽轮机转子安全性评估;(b)韩国保宁热电厂汽轮机罩磨损程度和使用寿命及所需性能评估;(c)韩国保宁热电厂HP转子罩残余使用寿命评估;(d)韩国东西合作电厂CLG WTR主/旁通管管道故障评估及材料原始性能指标评估

结语

4.1 压痕法能够在不停炉不破坏设备的前提下,现场方便、快捷、准确地检测在役设备材料的力学性能,为电厂设备安全评价及管理体系的建立提供有效数据。

4.2 该检测技术与使用传统万能拉伸试验机测试的结果相比较,偏差很小,基本在±5%以内,是一种很有实用价值的力学性能检测方法。

4.3 以压痕法为原理的便携式万能力学性能检测仪已在国外电厂金属部件(压力容器、焊接件、各类承载、承重部件、阀门、轴类等)力学性能检测中得到了广泛的应用,在国内拥有广阔的应用前景。

 

参考文献:

[1]Tabor D. The hardness of metals[M]. ClarendonP,1951.

[2]Au P,Lucas G E,Sheckherd J W,et al.Flow property measurements from instrumented hardness tests[J].Non-destructive evaluation in the nuclear industry,1980:597-610.

[3] Das G, Ghosh S, Sahay S K, et al. Influence of pre-straining on mechanical properties of HSLA steel by using ball indentation technique[J]. Zeitschrift Fur Metallkunde, 2004,95(12):1120-1127.

[4] Ghosh S, Sahay S K, Das G. Ball indentation technique-An important and useful method for studying the flow properties of materials[J]. Transactions Of The Indian Institute Of Metals, 2004, 57(1): 51-60.

[5] Choi Y, Son D, Jang J I, et al. Advanced Indentation Techniques: NDE for Flow Properties and Residual Stresses of Pipelines[C]//2002 4th International Pipeline Conference. American Society of Mechanical Engineers, 2002:2045-2052.

[6] Lee K W, Kim K H, Kim K H, et al. A New Method for Nondestructive Evaluation of Mechanical Properties Using Instrumented Indentation Technique[J]. Advanced Materials Research, 2007,26: 1239-1242.

[7]蒋云,孙延松,许学龙,等.利用压痕法方法测量材料力学性能的技术研究和应用[C].2015 远东无损检测新技术论坛.珠海,2015:517-526.

 

 



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