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        Q345R鋼高溫損傷的疲勞特性研究*

        2014-07-09 03:01:36李其
        化工裝備技術(shù) 2014年3期
        關(guān)鍵詞:延度服役壽命

        李其 孫 萍 陳 猛

        (東北石油大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院)(中國石油天然氣股份有限公司大慶煉化分公司)

        0 引言

        Q345R鋼是壓力容器專用鋼板,廣泛應(yīng)用于石油、化工、能源及運輸?shù)刃袠I(yè)。該類設(shè)備的工作條件復(fù)雜,要在高溫、高壓的工況下運行。Q345R鋼的使用溫度上限一般不超過400℃。在較高的溫度環(huán)境下,或在非正常的工況下,壓力容器設(shè)備有可能在400℃操作溫度下短期運行,這樣就可能發(fā)生超溫事故,對材料造成短時間高溫損傷。然而,該壓力容器設(shè)備往往在下一個檢修期到來之前還必須繼續(xù)使用。因此,研究Q345R鋼短時高溫損傷對設(shè)備安全運行造成的影響無疑是很有益的[1]。

        本研究應(yīng)用疲勞強度理論和累積損傷理論,通過靜拉伸試驗測得高溫損傷后Q345R鋼的機械性能 (即靜特性),去推測Q345R鋼的疲勞特性曲線,提出了一種在用Q345R鋼服役期限的確定方法,為煉油化工廠安全使用Q345R鋼材料提供了科學(xué)的理論依據(jù)

        1 Q345R鋼的材料性能

        1.1 Q345R鋼的高溫損傷試驗

        本試驗用的試件取自在役壓力容器設(shè)備的預(yù)留板材加工制成。為了研究Q345R鋼高溫損傷后的性能變化,將Q345R鋼材料置于自動加熱并控溫的加熱爐內(nèi),溫度加熱至800℃、900℃、1000℃和1100℃。在4種不同的溫度下分別保溫12 h。12 h后停止保溫,讓試件在加熱爐內(nèi)空冷至常溫,然后把經(jīng)過不同溫度損傷的Q345R鋼材料加工成靜拉伸標準試樣,測定其力學(xué)性能[2]。

        1.2 Q345R鋼高溫損傷后的力學(xué)性能測試

        將高溫損傷后的Q345R鋼材料按照金屬材料室溫拉伸試驗方法[1]制成標準試樣,在拉力試驗機上測試試樣的屈服強度、抗拉強度以及斷面收縮率[3]。從4組高溫損傷后的Q345R鋼材料中,每組取3個試樣進行試驗,測得的結(jié)果見表1。

        表1 高溫損傷后Q345R鋼的機械性能

        2 由靜特性推測其疲勞特性的原理

        通常,金屬構(gòu)件的疲勞性能應(yīng)當(dāng)通過實驗室試驗來確定。但是,有時所需要的有關(guān)特性卻得不到,以致不得不用其他可獲得的特性或由現(xiàn)有設(shè)備能迅速求得的特性去推測它們。目前有關(guān)金屬構(gòu)件疲勞特性的推測,主要有以下3種方法:(1)以應(yīng)力為基礎(chǔ); (2)以塑性應(yīng)變?yōu)榛A(chǔ); (3)以全應(yīng)變?yōu)榛A(chǔ)。關(guān)于Q345R鋼的疲勞問題,應(yīng)采用以全應(yīng)變?yōu)榛A(chǔ)的方法,通過試驗測得高溫損傷后Q345R鋼的靜特性來推測其疲勞特性。對于以全應(yīng)變?yōu)榛A(chǔ)的疲勞問題,其方程式為[4]:

        彈性應(yīng)變幅和塑性應(yīng)變幅與疲勞壽命Nf之間存在如下關(guān)系:

        式中c——疲勞延度指數(shù);

        εf′——疲勞延度系數(shù);

        σf′——疲勞強度系數(shù);

        E——楊氏模量;

        2Nf——發(fā)生疲勞破壞時的載荷反響次數(shù),即2倍的疲勞壽命;

        b——疲勞強度指數(shù)。

        對于式 (2),以塑性應(yīng)變值域表示:

        對于韌性金屬,疲勞延性指數(shù)c近似為常數(shù),這里取c=-0.6;R代表的是試樣斷裂后的斷面收縮率ψ[2]。

        對式 (3)兩邊取對數(shù)可得:

        對于大多數(shù)金屬,這兩個疲勞強度特性參數(shù)可取下列近似值[5-6]:

        3 高溫損傷后Q345R鋼疲勞特性推測

        現(xiàn)在用上面提出的不同溫度下的抗拉強度σb和斷面收縮率 ψ 代入式 (6)、 式 (8) 和式 (9),計算出疲勞延性系數(shù)ε′f、疲勞強度系數(shù)σf和疲勞強度指數(shù)b,將計算出的數(shù)據(jù)列入表2。

        將計算出的疲勞延度系數(shù)ε′f、疲勞強度系數(shù)σf和疲勞強度指數(shù)b代入式 (4),計算出每個總應(yīng)變幅Δε值對應(yīng)的Nf值,計算結(jié)果見表3。隨后可制成疲勞特性曲線[4]。這些由靜特性推測出的疲勞特性數(shù)據(jù),是確定在用Q345R鋼服役期限的重要依據(jù)[5]。

        表2 由靜特性推測的高溫損傷后的Q345R鋼疲勞特性參數(shù)

        表3 由靜特性推測的Q345R鋼服役期限

        4 累計損傷因子的確定

        累計損傷規(guī)律大致可以分為修正線性累計損傷和線性累計損傷兩個方面,其中以Miner線性累積損傷理論應(yīng)用最為廣泛[6-7]。Miner線性累積損傷理論假定構(gòu)件的每一個載荷循環(huán)都會消耗掉一定的有效壽命,所消耗掉的總壽命與各載荷下的周次比的總和成正比關(guān)系,當(dāng)周次比的總和等于1時,構(gòu)件會發(fā)生破壞失效。用方程式表達,失效發(fā)生時有

        其中:n1,n2,…,nn表示在應(yīng)力水平為 1,2,…,n 時的周次,而N1,N2,…,Nn是從零件疲勞曲線上得到的應(yīng)力水平為1,2,…,n時的失效周次[8]。

        對于Q345R鋼材料,由已使用的年限可得到其損傷因子D為:

        通過對試驗數(shù)據(jù)整理可知,損傷因子D與載荷的大小和應(yīng)用的次序有關(guān)。

        5 結(jié)束語

        通過實測高溫損傷后的Q345R鋼材料機械性能數(shù)據(jù)表明:Q345R鋼材料的疲勞強度的變化主要取決于其塑性變形。Q345R鋼材料的疲勞延度系數(shù)ε′f隨著損傷溫度的升高而降低,從而使Q345R鋼材料的疲勞壽命降低。

        本文利用高溫損傷后的Q345R鋼材料的靜特性推測其疲勞特性,提出一種在用Q345R鋼高溫損傷后服役期限的確定方法,其研究成果對煉油化工廠科學(xué)、合理地使用壓力容器具有重要意義。

        [1]晏燕,劉安中,周道祥,等.16MnR鋼高溫損傷的力學(xué)性能研究 [J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報 (自然科學(xué)版),2011,34(6):827-829,953.

        [2]高增梁.壓力容器用鋼16MnR高溫性能實驗研究 [D].杭州:浙江工業(yè)大學(xué),2005.

        [3]GB/T 228—2002.金屬材料室溫拉伸試驗方法 [S].

        [4]孟少農(nóng)譯.零件疲勞設(shè)計手冊 [M].北京:交通出版社,1984:120-135.

        [5]李其,劉殿魁,李曉秋,等.在用抽油桿服役期限的確定方法 [J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報,2006,34(1):111-112,114.

        [6]ASTM E647-93.Standard Test Method for Constant-Load Amplitude Fatigue Crack Growth Rate about 10-8M/cycle[S].

        [7]Bulloch J H.An inspection of elevated temperature fatigue crack extension dates in low alloy steel[J].International Journal of Pressure Vessel and Piping,1998,75:805-818.

        [8]余壽文.損傷力學(xué) [M].北京:清華大學(xué)出版社,1997:24-33.

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