摘 要

P92钢属于铁素体耐热钢，以其耐高温、抗腐蚀和良好的蠕变性能被广泛应用于超临界及（超）超临界机组的主蒸汽管道和工业锅炉。本篇文章采用MTS809试验机对P92钢进行了机械应变幅为0.4%，周期为120s，不同温度下的等温疲劳试验；不同温度范围下的同相及反相热机械疲劳试验，并在试验结果的基础上结合典型的疲劳寿命预测模型，对P92钢的等温疲劳和热机械疲劳寿命进行了预测。得出以下重要结论：

（1）P92钢在不同温度的等温疲劳和不同温度范围的热机械疲劳试验加载条件下表现为三阶段循环软化特征。

（2）随着加载温度的升高，等温疲劳寿命先呈现下降趋势，然后趋于稳定；热机械疲劳寿命逐渐减小。

（3）通过试验结果对比分析，得出循环平均温度下的热机械疲劳寿命均短于对应温度下的等温疲劳寿命；寿命长短顺序为IFgt;IP TMFgt;OP TMF。

（4）对于本文的试验结果，考虑热应变的修正后的Manson-Coffin-Basquin寿命预测模型提高了P92钢热机械疲劳寿命的预测精度。

关键词：P92钢 温度范围 高温疲劳 热机械疲劳 寿命预测

Effect of temperature range on thermal-mechanical fatigue performance of P92 steel

ABSTRACT

P92 steel is a ferritic heat-resistant steel,which is widely used in main steam pipelines and industrial boilers of supercritical and (super) supercritical units because of its high temperature resistance, corrosion resistance and good creep properties. In this article, isothermal fatigue test at different temperatures and in-phase and out-of-phase thermal-mechanical fatigue test under different temperature ranges,carried out on the MTS809 test machine, The experimental parameters are: mechanical strain amplitude of 0.4%, period of 120s.Combined with the typical fatigue life prediction model and test results, we predicted isothermal fatigue and thermal-mechanical fatigue life of P92 steel. The following important conclusions are drawn:

(1) Under isothermal fatigue test at different temperatures and thermal-mechanical fatigue test in different temperature ranges, P92 steel exhibits three-stage cyclic softening characteristics.

(2) With the increase of loading temperature, the isothermal fatigue life firstly showed a downward trend and then stabilized; the thermal-mechanical fatigue life gradually decreased.

(3) Through the comparison and analysis of the test results, it is concluded that the thermal-mechanical fatigue life at the cyclic average temperature is shorter than the isothermal fatigue life at the corresponding temperature. the length of fatigue life is IFgt;IP TMFgt;OP TMF.

(4) For the test results of this paper, the modified Manson-Coffin-Basquin life prediction model considering thermal strain improves the prediction accuracy of the thermal-mechanical fatigue life of P92 steel.

KEYWORDS: P92 Steel; Temperature range; High temperature Fatigue; Thermal-mechanical fatigue;Life prediction

目 录

摘 要 I

ABSTRACT i

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 奥氏体不锈钢热机械疲劳研究现状 1

1.2.2 镍基合金钢热机械疲劳研究现状 2

1.2.3 P92钢热机械疲劳研究现状 3

1.3 本文主要研究内容 4

第二章 P92钢等温疲劳试验研究 5

2.1 引言 5

2.2 等温疲劳试验内容和方法 5

2.2.1 试验材料和试样尺寸 5

2.2.2 试验装置 5

2.2.3 试验方案 7

2.3 试验结果与分析 8

2.3.1 寿命失效准则和等温疲劳试验结果汇总 8

2.3.2 不同温度下P92钢的循环应力响应行为 10

2.3.3 温度对P92钢平均应力和应力幅的影响 11

2.3.4 温度对P92钢疲劳寿命的影响 12

2.4 本章小结 13

第三章 P92钢热机疲劳试验研究 14

3.1 引言 14

3.2 热机疲劳试验内容和方法 14

3.3 试验结果与分析 15

3.3.1 热机疲劳试验结果汇总 15

3.3.2 不同温度范围下P92钢的循环应力响应行为 16

3.3.3 不同温度范围对P92钢应力幅及寿命的影响 18

3.3.4 热机疲劳试验与等温疲劳试验研究对比 19

3.4 本章小结 22

第四章 P92钢的热机械疲劳寿命预测 23

4.1 引言 23

4.2 本文所选用模型及预测结果比较 23

4.2.1 Manson-Coffin-Basquin模型 23

4.2.2 Ostergren模型 25

4.2.3 Zamrik模型 26

4.3 修正Manson-Coffin-Basquin模型 27

4.4 本章小结 29

第五章 总结与展望 30

5.1 总结 30

5.2 展望 31

参考文献 32

致 谢 35

第一章 绪论

1.1 引言

由于我国煤炭资源丰富，而油、气等资源短缺，环境承载能力有限等种种因素使得我国开始考虑发展超超临界（USC）机组，目前我国超超临界机组的温度普遍在600-610℃,压力一般25-26.5MPa^[1]。我国要发展超超临界机组,先要了解国外发展超超临界机组锅炉用钢的过程。根据国外的研究经历,新型铁素体耐热钢的研究对超(超)临界锅炉用钢至关重要^[2,3]。超超临界机组的参数和温度的不断提高，推动新型耐热钢不断出现，以往主蒸汽管道中大量使用的P91钢在600℃高温强度不够，同时在600℃下材料老化加剧，不能满足超超临界机组的需要^[4]。目前应用于超超临界锅炉的新型马氏体耐热钢有T/P91、T/P92(NF616)、E911、T/P122等,奥氏体耐热钢有TH347HFG、Super304和HR3C等^[5]。目前超超临界机组(USC)已发展为国内火力发电的主干机组，其主蒸汽管道承受的超高温度和压力对所用材料提出了严格要求，国内已建和在建USC机组主蒸汽管道材料多数选用的是P92钢^[6]。因此对P92钢在高温环境下的性能研究变得非常必要。

1.2 国内外研究现状

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