环形炉内罩用310S耐热不锈钢的蠕变寿命预测

朱合范，曹 歌，王 旭，潘红良

（华东理工大学机械与动力工程学院，上海 200237）

0 引 言

310S耐热不锈钢属于奥氏体铬镍不锈钢，由于其含有较高的铬和镍，因此具有较好的蠕变强度及良好的抗氧化、耐腐蚀和耐高温性能，可以在高温下持续使用，适于制作各种炉用构件（最高温度1 300℃，连续使用温度1 150℃）。

2008年以来大部分钢厂开始生产取向硅钢，取向硅钢RBAF机组的控制工艺精度要求非常高，是生产取向硅钢退火炉中控制较为严密的一条机组，其中环形炉罩内露点的精度要求控制在±0.4℃。因此环形炉内罩的效果直接影响产品的各项工艺性能。环形炉内罩的主要作用是为钢卷提供保护气体，其制备材料采用310S耐热不锈钢。

绝大部分耐热不锈钢长期在高温环境下服役时会发生严重的蠕变变形。范丽霞［1］等利用电子背散射衍射等技术研究了奥氏体不锈钢内罩在高温服役前后的显微组织和晶界特征分布，认为内罩在服役前后显微组织和晶界特征分布有明显的差异，并产生了严重的相变，是导致内罩高温运行失效的重要原因。并通过金相分析发现塌陷部位已产生蠕变裂纹，存在奥氏体长大和碳化物析出的现象，导致材料性能下降。由此出现严重的内罩顶部变形，从而中间直筒体部分向外凸出，吊耳处筒体凹陷无法正常起吊，最终失效，严重影响了工厂的正常生产，并对工作人员的生命安全产生很大的隐患，因此准确地预测环形炉内罩的使用寿命显得十分重要。所以，作者采用θ－投影法和L-M参数法对310S耐热不锈钢蠕变寿命进行预测，并与实际使用寿命进行了对比。

1 试样制备与试验方法

试验所用材料是从某钢厂制备环形炉内罩的新材料310S不锈钢上截取，其化学成分（质量分数/%）为 ≤0.15C，≤1.00Si，≤2.00Mn，≤0.20P，≥0.15S，23～26Cr，17～20Ni。按照GB/T 2039－1997《金属拉伸蠕变及持久试验方法》制备标准的蠕变试样，其横截面尺寸3mm×6mm，原始长度50mm。

蠕变试验的设备为拉伸蠕变试验机，试验机所加的载荷为静载荷，利用杠杆原理加载。采用50段智能化程序PID模糊控制，温度误差为±2℃。在1 250℃，6，8，10，12MPa应力下进行恒载荷蠕变试验，结果取2次试验的平均值。

2 试验结果与讨论

2.1 蠕变曲线

从图1可以看出，310S不锈钢在恒载荷条件下具有明显的蠕变特征。整个蠕变曲线分为初始、稳态以及加速蠕变三个阶段。其中，第二阶段所占比例最大。在同一温度下，随着应力增加，稳态蠕变速率逐渐升高，断裂时间逐渐缩短，应力与断裂时间成反比例。

图1 310S不锈钢在1 250℃不同压力下的蠕变曲线Fig.1 Creep curves of 310Sstainless steel at 1 250 ℃ and different pressures

2.2 蠕变寿命预测

工程上，高温环境下长期使用部件的寿命一般设计在1×105～2×105h之间，这样长时间的蠕变寿命数据直接通过试验获取是极为困难的，只能通过提高应力或温度的方法得到材料的短期加速蠕变试验数据，然后采用持久方程预测长期持久寿命。目前应用最广泛的蠕变寿命预测方法是Larson-Miller参数法（简称L-M参数法）和θ－投影法。

2.2.1 L-M方法预测

L-M参数法［2］是1952年由 Larson -Miller提出的，基本思想是认为温度T与断裂时间有补偿关系，即对一定的断裂应力，温度与时间是等效的，也就是说，对于一定断裂应力，只对应一个关系。这个关系可以用L-M参数PL－M来表示。利用加速蠕变试验获得的数据进行应力外推，可得到使用条件下的PL－M，然后计算出断裂时间。基本关系式为

式中：σ为施加的应力；PL－M为L-M参数；T 为热力学温度；t为蠕变断裂时间；f为函数关系；C为PL－M常数，不同的材料有不同的数值，许多钢种均可取C＝20［3］，这样产生的误差在±10%以内。

根据蠕变试验测得的断裂时间、试验温度及对应的应力可算出该试验条件下的PL－M，然后画出lgσ-PL－M曲线（图2），即可用图示形式表示σ，T，t三者关系，根据lgσ-PL－M关系曲线可确定实际使用条件下的应力所对应的PL－M，再根据式（1）算出使用条件下的t。

由于环形炉内罩工作温度在600～1 250℃范围内，即环形炉内罩本身受热并不均匀，故对环形炉内罩寿命预测时需要作以下两种假设。环形炉内罩受热均匀；以环形炉内罩的最高工况温度作为蠕变试验的温度，即试验温度为1 250℃。

根据图1的蠕变曲线所示断裂时间，用Larson－Miller方程计算310S不锈钢在1 250℃对应应力下的PL－M值，如表1所示。

表1 Larson-Miller方程的断裂时间、应力与PL－M值Tab.1 Time stress and P values calculated from Larson-Miller equation

图2 一定温度下PL－M与应力σ的关系曲线Fig.2 Relationship between PL－Mandσat a certain temperature

当预测工况温度与服役工况温度不同时，PL－M参数体现了温度参量的变化。以PL－M为横坐标，lgσ为纵坐标绘制曲线，如图2所示。通过线性拟合可以得到PL－M和lgσ线性关系式：

从钢厂的实际使用结构受力分析结果可以知道，环形炉内罩吊耳受到最大应力为4MPa，代入公式（2）计算出对应的PL－M，再根据式（1）计算得到其使用寿命t为13 200h。根据现场的使用情况，高温环形炉内罩在使用13 200h后，内罩顶部会出现严重的凹陷变形，导致中间直筒体部分向外凸出，吊耳变形过大无法正常起吊，最终失效。实际情况下内罩使用的寿命约为12 900h，L-M参数法寿命预测的时间和实际使用情况相一致。

2.2.2 θ－投影法预测

θ－投影法是一种以恒应力蠕变试验为基础的寿命外推方法，可以比较准确地预测蠕变寿命，外推时间长（3个月试验可外推至30a）。这种方法不仅可以描述整个蠕变变形过程中时间与应变之间的关系，而且可以预测不同温度和载荷条件下的蠕变曲线及其使用寿命。θ函数表达式为［4－5］

式中：ε为蠕变应变；t为蠕变时间；θi（i＝1～4）为与温度和应力有关的材料常数，且满足以下关系式：

式中：ai，bi，ci，di为与材料有关的常数，而与温度、应力无关。

式（3）中的第一项和第二项分别反映了材料的应变硬化和弱化。θ2和θ4是描述蠕变曲线第一阶段和第三阶段的速率参数，θ1和θ3是描述蠕变曲线第一阶段和第三阶段的变形量参数。

由式（4）可知，当温度一定时，lgθi与σ成线性关系。通过短时蠕变曲线线性回归获得θ1，θ2，θ3，θ4，可定量地预测不同温度和应力条件下的长时蠕变曲线。

由于试验的随机性，得出的关系曲线未必是完全线性的，对应力为6，8，10，12MPa时的蠕变曲线进行拟合，拟合曲线如图3～6所示，拟合的参数如表2所示。

图3 6MPa时θ－投影法拟合的蠕变曲线Fig.3 Creep curve fitted byθ－projection method at 6MPa

图4 8MPa时θ－投影法拟合的蠕变曲线Fig.4 Creep curve fitted byθ－projection method at 8MPa

图5 10MPa时θ－投影法拟合的蠕变曲线Fig.5 Creep curve fitted byθ－projection method at 10MPa

图6 12MPa时θ－投影法拟合的蠕变曲线Fig.6 Creep curve fitted byθ－projection method at 12MPa

表2 θ－投影法拟合的参数Tab.2 θ－projection method fitted parameters

根据表2中各参数值可知它们与应力的关系基本上符合线性分布规律，试验结果较为可信。

钢厂的环形炉内罩在1 250℃的高温环境下使用时，环形炉内罩吊耳受到最大应力为4MPa，根据表2数据得出310S耐热不锈钢在1 250℃、4MPa下的 材 料 常 数 θ1，θ2，θ3和 θ4分 别 为 0.084，0.000 1，0.019 66，8×10－5。将其代入式（3）得：

根据公式（5）绘出蠕变曲线，如图7所示。

图7 应力4MPa时θ－投影法预测的蠕变曲线Fig.7 Creep curve forecasted byθ－projection method at 4MPa

对于长期服役的高温构件，采用应变控制准则进行设计［6－7］，环形炉内罩蠕变断裂应变一般小于0.05，从而得到较为保守安全的寿命。从图7可以看出，当应变达到0.05以后，蠕变变形的速率逐渐加快，加速了环形炉内罩的蠕变变形，使其失效。为了工作人员的安全和正常生产，因此环形炉内罩的变形量达到0.05时就应该停止使用。当应变达到0.05的时候，内罩的使用寿命为13 000h，意味着在温度1 250℃，应力4MPa条件下，310S不锈钢的使用寿命为13 000h。与钢厂现场使用寿命及Larson-Miller寿命预测法得出的结果基本一致。

虽然通过两种寿命预测方法预测的结果基本上是一致的，但是在Larson-Miller寿命预测方法中，材料参数C值在寿命预测中相当重要，然而对其精度确定［8］有一定的难度，不同的材料需要大量的试验来确定。由于时间和财力有限不可能做大量试验确定C值，故采用C＝20，这样会带来一定的误差。θ-投影法［9］可用于处理不同断裂模式下的蠕变性能数据，摆脱了以往外推法中因考虑断裂模式改变而影响外推精度的局限性，外推范围更广。实际情况下当内罩使用的时间为12 900h时，吊耳已严重变形不能使用，可以看出θ－投影法预测的结果更加准确。

3 结 论

（1）Larson-Miller法和θ－投影法对环形炉内罩用310S钢的蠕变寿命预测结果一致，都与实际使用结果相一致，但θ－投影法比Larson-Miller寿命预测法更加准确。

（2）Larson-Miller寿命预测方法中，材料参数C值精度要求较高，而预测时为简化起见C值取20，造成该方法预测准确性不如θ－投影法。

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