鍋爐受熱面的蠕變壽命損耗機理研究

周朝陽　姜英爽

2.吉林省吉林市中國石油吉林石化分公司,長春 132021）

摘要：復雜環(huán)境下鍋爐受熱面的失效機理及壽命預測，既有可預測的規(guī)律性，也有不可預測的隨機因素。因此針對復雜應(yīng)力多物理量耦合下材料的高溫蠕變損傷、微觀損傷機理、氧化皮生長等相關(guān)科學問題的研究，將對我國超臨界燃煤機組的安全經(jīng)濟運行提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：復雜環(huán)境；鍋爐；受熱面；失效機理

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

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，蠕變過程的三個階段，不同的蠕變機制單獨或耦合作用，最終導致材料的失效。通常情況下，蠕變機制可分為擴散和位錯兩種。擴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)力晶界面的方向擴散，大量原子聚積在垂直于晶界面的面上；擴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，原子沿晶界擴散使得、晶粒沿應(yīng)力方向被拉長。位錯蠕變理論主要是山于滑移面上的位錯移動使得材料發(fā)生性變形，位錯蠕變很大程度上取決于加載應(yīng)力。

2蠕變壽命損耗機理分析

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

2.1經(jīng)典塑性力學

在高溫構(gòu)件強度設(shè)計和剩余壽命評估方面，經(jīng)典塑性力學發(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。多軸蠕變的實驗結(jié)果表明各向同性均質(zhì)物體的蠕變是剪切應(yīng)力主導的過程。

2.2孔洞長大理論

從微觀上看，材料中總是存在一定的缺陷，如點缺陷、線缺陷、面缺陷和體缺陷，即空位、位錯、晶界、孔洞、夾雜等。高溫下靭性材料的破壞通常被認為是孔洞繞夾雜物或第二相粒子形成、長大和聚合的結(jié)果。Cane等認為，孔洞的長大在材料蠕變時效中占據(jù)主導地位，即在高溫構(gòu)件失效的整個過程中，孔洞長大經(jīng)歷的時間要遠遠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認為，品界滑移是造成孔洞聚合的因素之一?？锥瓷L機理可分為三種：擴散控制孔洞生長、塑性控制孔洞生長和受約束孔洞生長。Hull等提出，孔洞生長速率受到孔洞形狀和擴散過程的影響，孔洞生長率由空位化學勢梯度決定。Hales總結(jié)出孔洞生長機制對斷裂時間和應(yīng)變影響的完整描述。

2.3連續(xù)損傷力學

損傷過程是不可逆的熱力學過程，損傷材料存在一個應(yīng)變能密度和耗散勢。材料在微觀層面上是離散的，中間有很多的夾雜物、第二項粒子或孔洞。連續(xù)損傷力學是將具有離散結(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，唯象地導出材料的損傷本構(gòu)模型，達到對高溫部件斷裂應(yīng)變和壽命進行預測的目的。Kachanov于1958年首次提出了連續(xù)損傷力學的概念，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，可以獲得蠕變實驗無法提供的應(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，實際工程構(gòu)件多受到多軸應(yīng)力狀態(tài)。為了描述實際構(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)。對于多軸本構(gòu)的描述可以歸納為兩大類：一類是含單個變量的多軸蠕變損傷本構(gòu)模型，該損傷變量不區(qū)分不同微觀損傷機理，是材料退化的一個總括；一類是含多個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理的影響，能夠更好的描述材料高溫蠕變失效機理。

對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的不可回復熱力學理論，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)，對工作在650℃下的某航空發(fā)動機用高溫鈦合金材料IMI834的高溫蠕變和蠕變斷裂行為進行了研究，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)力準則是等效應(yīng)力和骨點應(yīng)力共同控制。Chen利用K-R模型及ABAQUS有限元軟件對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行了分析，研究發(fā)現(xiàn)ASME Code Case N-47規(guī)范有時偏于保守，有時偏于危險，理論上講，三通達到使用年限時應(yīng)該進行更換，而彎頭的使用壽命可以適當延長。這一結(jié)論對于在役高溫構(gòu)件的安全評定和壽命預測有著非常重要的指導意義。

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