常温条件下,大口径不锈钢厚壁无缝钢管受力作用后,如应力小于弹性限,仅产生弹性变形:如应力达到屈服限,除产生弹性变形外,还出观一定塑性变形。上述变形值,只要受力不变,就一直保持下去,不随时间之推移而有所改变。但在高温条件下,情况并非如此:在因受力作用而产生变形的基础上,随着时间的加长,将不断出观塑性变形,时间愈长;所积累的塑性变形愈大;直至破坏。
受力作用的大口径不锈钢厚壁无缝钢管在高温条件下不断塑性变形的现象称为“蠕变”观象。
碳钢在350℃以上就能出观较明显蠕变现象。有些金属,如铅、锡等,即使在常温条件下也能产生蠕变现象。
对于锅炉用耐高温不锈钢管来讲,对应出观明显蠕变观象以上的温度常称为“高温”,与蠕变观象有关的强度称为“高温强度”;尚来引起蠕变现象的100~350℃温度区间常称为“中温”。
耐高温不锈钢管抵抗蠕变的能力称为“热强性”,抵抗蠕变能力较好的锈称为“热强钢”。耐高温不锈钢管抵抗氧化(见§3-8)的能力称为“热稳性”。热强性与热稳性的总和称为“耐热性”。“耐热钢”指具有热强性及热稳性的钢。
大口径不锈钢厚壁无缝钢管由于蠕变破坏所累积的塑性变形《持久塑性》:一般比高温短期破坏出现的塑性变形小得多,这是蠕变破坏的一个特点:以后还要详细述及(见§3-4)。
在中、高参数锅炉中,能产生蠕变现象的元件有:蒸汽过热器受热面耐高温不锈钢管及出口集箱、过热蒸汽管道、炉内受热面吊架等,这些元件都处在较高温度条件下并长期受力的作用。在超高参数锅炉中,能产生蠕变现象的元件数量更多。在低参数锅炉中,往往由于水质不佳,水垢积聚,使壁温升高,而产生蠕变观象。在锅炉运行中,如蠕变(塑性变形)速度较大,则经一定时间,就会引起元件的破坏。由此种原因造成的事故, 占有一定比例。
大口径不锈钢厚壁无缝钢管的蠕变现象可用“蠕变曲线”——变形与时间的关系曲线来表示。蠕变曲线如图3-3所示。图3-3所示的是在某一固定温度下,对应不同应力值的四条蠕变曲线, 其中σ1>σ2>σ3>σ4。
下面首先分析在应力,作用下所得的蠕变曲线。这条曲线的0-1部分表示加载时引起的变形值(弹性变形或弹性变形加塑性变形);l-2部分属于不稳定蠕变区段,在这区段中,蠕变速度(切线的斜率)出大变小,故称为“减速期”;2-3部分属于稳定蠕变区段,在这区段中;、蠕变速度基本不变(直线段),故称为‘‘恒速期”;3-4部分属于引起破坏的区段,在这区段中,蠕变速度由小变大,至4点引起破断,此区段称为“加速期”。
应力比σ2小时,如σ3,在相当长时间以后,才出恒速期过渡到加速期;应力再小时,如σ4,恒速期的蠕变速度为零或小至无法测量(水平线),即在应力很小的情况下,经短时间,蠕变即停止;应力比σ2大时,如σ1,恒速期不再存在, 由减速期直接过渡到加速期,即在应力很大的情况下,很快就会引起蠕变破坏。
一般进入加速期后,时间不长即产生较大变形,这可作为接近蠕变破坏的一种判据。
图3-3是金相组织较为稳定时的蠕变曲线。大口径不锈钢厚壁无缝钢管在高温区,组织大都很不稳定,随着组织的变化,蠕变曲线也将跟随改变;个别情况下,如相变后比容减小,甚至会产生负的蠕变现象。耐高温不锈钢管在高温条件下运行后,如珠光体球化达到末级,蠕变速度会成倍增大,使蠕变曲线上翘。