周朝陽　姜英爽

2.吉林省吉林市中國石油吉林石化分公司,長(zhǎng)春 132021）

摘要：復(fù)雜環(huán)境下鍋爐受熱面的失效機(jī)理及壽命預(yù)測(cè)，既有可預(yù)測(cè)的規(guī)律性，也有不可預(yù)測(cè)的隨機(jī)因素。因此針對(duì)復(fù)雜應(yīng)力多物理量耦合下材料的高溫蠕變損傷、微觀損傷機(jī)理、氧化皮生長(zhǎng)等相關(guān)科學(xué)問題的研究，將對(duì)我國超臨界燃煤機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜環(huán)境；鍋爐；受熱面；失效機(jī)理

復(fù)雜環(huán)境下鍋爐受熱面的失效機(jī)理研究是燃煤鍋爐受熱面安全運(yùn)行及壽命評(píng)估的核心，問題復(fù)雜且涉及學(xué)科眾多，一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)及難點(diǎn)。高溫蠕變方面，國內(nèi)外對(duì)材料的單軸實(shí)驗(yàn)已經(jīng)積累了大量的成果，但是對(duì)于多軸應(yīng)力狀態(tài)下的蠕變失效的機(jī)理研究甚少，致使理論模型難以與實(shí)際運(yùn)行工況相符合。

1蠕變概述

蠕變是材料在保持應(yīng)力不變的條件下應(yīng)變隨加載時(shí)間而增大的現(xiàn)象，發(fā)生蠕變的溫度因材料不同有很大的差異，通常不大于0.3-0.4倍的溶化溫度。蠕變過程大致可以分為3個(gè)階段，即蠕變第一階段、穩(wěn)態(tài)蠕變階段和加速蠕變階段。材料在蠕變過程中，微觀組織也在發(fā)生著明顯的變化，蠕變過程的三個(gè)階段，不同的蠕變機(jī)制單獨(dú)或耦合作用，最終導(dǎo)致材料的失效。通常情況下，蠕變機(jī)制可分為擴(kuò)散和位錯(cuò)兩種。擴(kuò)散蠕變理論的第一種形式為Nabarro-Herring，大多發(fā)生在高溫度低應(yīng)力水平下，晶體內(nèi)的空位沿平行于應(yīng)力晶界面的方向擴(kuò)散，大量原子聚積在垂直于晶界面的面上；擴(kuò)散蠕變理論的第二種形式為Coble蠕變，多發(fā)生在低溫低應(yīng)力下，原子沿晶界擴(kuò)散使得、晶粒沿應(yīng)力方向被拉長(zhǎng)。位錯(cuò)蠕變理論主要是山于滑移面上的位錯(cuò)移動(dòng)使得材料發(fā)生性變形，位錯(cuò)蠕變很大程度上取決于加載應(yīng)力。

2蠕變壽命損耗機(jī)理分析

材料微觀機(jī)理的研究最終統(tǒng)一到對(duì)蠕變本構(gòu)模型的研究中去，縱觀國內(nèi)外學(xué)者的對(duì)蠕變本構(gòu)模型的研究，大體可以分為三種：經(jīng)典塑性力學(xué)、孔洞長(zhǎng)大理論和連續(xù)損傷力學(xué)。

2.1經(jīng)典塑性力學(xué)

在高溫構(gòu)件強(qiáng)度設(shè)計(jì)和剩余壽命評(píng)估方面，經(jīng)典塑性力學(xué)發(fā)揮了巨大的作用。HaiTy和Spence把蠕變應(yīng)變描述為應(yīng)力、時(shí)間和溫度的函數(shù)，為以后蠕變本構(gòu)模型的描述打下基礎(chǔ)，其中Norton的應(yīng)力指數(shù)方程得以廣泛使用。多軸蠕變的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明各向同性均質(zhì)物體的蠕變是剪切應(yīng)力主導(dǎo)的過程。

2.2孔洞長(zhǎng)大理論

從微觀上看，材料中總是存在一定的缺陷，如點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷和體缺陷，即空位、位錯(cuò)、晶界、孔洞、夾雜等。高溫下靭性材料的破壞通常被認(rèn)為是孔洞繞夾雜物或第二相粒子形成、長(zhǎng)大和聚合的結(jié)果。Cane等認(rèn)為，孔洞的長(zhǎng)大在材料蠕變時(shí)效中占據(jù)主導(dǎo)地位，即在高溫構(gòu)件失效的整個(gè)過程中，孔洞長(zhǎng)大經(jīng)歷的時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于孔洞的形成與聚合。：》Hull與Edward指出，夾雜粒子與基體的聚合力小，在外力的作用下夾雜物與基體分離后發(fā)展成為孔洞。Edward認(rèn)為，品界滑移是造成孔洞聚合的因素之一?？锥瓷L(zhǎng)機(jī)理可分為三種：擴(kuò)散控制孔洞生長(zhǎng)、塑性控制孔洞生長(zhǎng)和受約束孔洞生長(zhǎng)。Hull等提出，孔洞生長(zhǎng)速率受到孔洞形狀和擴(kuò)散過程的影響，孔洞生長(zhǎng)率由空位化學(xué)勢(shì)梯度決定。Hales總結(jié)出孔洞生長(zhǎng)機(jī)制對(duì)斷裂時(shí)間和應(yīng)變影響的完整描述。

2.3連續(xù)損傷力學(xué)

損傷過程是不可逆的熱力學(xué)過程，損傷材料存在一個(gè)應(yīng)變能密度和耗散勢(shì)。材料在微觀層面上是離散的，中間有很多的夾雜物、第二項(xiàng)粒子或孔洞。連續(xù)損傷力學(xué)是將具有離散結(jié)構(gòu)的損傷材料理想為連續(xù)介質(zhì)模型，以不可逆熱力學(xué)為基礎(chǔ)，在材料的蠕變本構(gòu)模型中引入損傷變量，描述從材料內(nèi)部損傷到出現(xiàn)宏觀裂紋的過程，唯象地導(dǎo)出材料的損傷本構(gòu)模型，達(dá)到對(duì)高溫部件斷裂應(yīng)變和壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)的目的。Kachanov于1958年首次提出了連續(xù)損傷力學(xué)的概念，Rabotnov在此基礎(chǔ)上提出了有效應(yīng)力的概念，即損傷出現(xiàn)后有效承載面積變小，使得有效應(yīng)力增大，將損傷與應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系耦合，得出可以描述蠕變加速階段的K-R本構(gòu)模型。連續(xù)損傷力學(xué)的發(fā)展使得數(shù)值模擬損傷演化過程成為可能，通過模擬，可以獲得蠕變實(shí)驗(yàn)無法提供的應(yīng)力應(yīng)變位移數(shù)據(jù)，為分析蠕變損傷機(jī)理發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

由于幾何尺寸、載荷和熱約束的影響，實(shí)際工程構(gòu)件多受到多軸應(yīng)力狀態(tài)。為了描述實(shí)際構(gòu)件的蠕變失效行為，需要將單軸蠕變本構(gòu)模型推廣到多軸蠕變狀態(tài)。對(duì)于多軸本構(gòu)的描述可以歸納為兩大類：一類是含單個(gè)變量的多軸蠕變損傷本構(gòu)模型，該損傷變量不區(qū)分不同微觀損傷機(jī)理，是材料退化的一個(gè)總括；一類是含多個(gè)損傷變量的多軸蠕變損傷本構(gòu)模型，以區(qū)分不同的蠕變損傷機(jī)理的影響，能夠更好的描述材料高溫蠕變失效機(jī)理。

對(duì)于單變量多軸蠕變本構(gòu)模型，可分為兩種：Lemaitre本構(gòu)和Kachanov-Rabotnov本構(gòu)。前者基于Lemaitre的不可回復(fù)熱力學(xué)理論，后者則是直接將經(jīng)典的Kachanov-Rabotnov單軸本構(gòu)推廣到多軸蠕變狀態(tài)，即把單軸應(yīng)力狀態(tài)下的控制損傷增長(zhǎng)的作用應(yīng)力替換為受最大主應(yīng)力和von-Mises應(yīng)力共同作用的等效應(yīng)力。王飛等以Lemaitre模型為基礎(chǔ)，對(duì)工作在650℃下的某航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫鈦合金材料IMI834的高溫蠕變和蠕變斷裂行為進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明多軸應(yīng)力狀態(tài)加速了蠕變損傷的累積，從而降低了材料的蠕變斷裂壽命。Kwon利用K-R模型研究Durehetel055和2.25CrlMo鋼在550℃下的蠕變斷裂行為，研究發(fā)現(xiàn)控制Duretel055鋼的多軸斷裂應(yīng)力準(zhǔn)則是等效應(yīng)力和骨點(diǎn)應(yīng)力共同控制。Chen利用K-R模型及ABAQUS有限元軟件對(duì)0.5Cr0.5Mo0.25V鐵素體鋼彎管和三通在530℃的蠕變應(yīng)變?nèi)菹捱M(jìn)行了分析，研究發(fā)現(xiàn)ASME Code Case N-47規(guī)范有時(shí)偏于保守，有時(shí)偏于危險(xiǎn)，理論上講，三通達(dá)到使用年限時(shí)應(yīng)該進(jìn)行更換，而彎頭的使用壽命可以適當(dāng)延長(zhǎng)。這一結(jié)論對(duì)于在役高溫構(gòu)件的安全評(píng)定和壽命預(yù)測(cè)有著非常重要的指導(dǎo)意義。

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