Q345R鋼高溫?fù)p傷的疲勞特性研究*

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?fù)p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?fù)p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?fù)p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?fù)p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?fù)p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(biāo)準(zhǔn)試樣，測定其力學(xué)性能[2]。

1.2 Q345R鋼高溫?fù)p傷后的力學(xué)性能測試

將高溫?fù)p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(biāo)準(zhǔn)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?fù)p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?fù)p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?fù)p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?fù)p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?fù)p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(dá)，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?fù)p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?fù)p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?fù)p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?fù)p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.