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

關鍵詞：復雜環境；鍋爐；受熱面；失效機理

復雜環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，一直是國內外研究的熱點及難點。高溫蠕變方面，國內外對材料的單軸實驗已經積累了大量的成果，但是對于多軸應力狀態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力不變的條件下應變隨加載時間而增大的現象，發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、穩態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，大多發生在高溫度低應力水平下，晶體內的空位沿平行于應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，多發生在低溫低應力下，原子沿晶界擴散使得、晶粒沿應力方向被拉長。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生性變形，位錯蠕變很大程度上取決于加載應力。

2蠕變壽命損耗機理分析

材料微觀機理的研究最終統一到對蠕變本構模型的研究中去，縱觀國內外學者的對蠕變本構模型的研究，大體可以分為三種：經典塑性力學、孔洞長大理論和連續損傷力學。

2.1經典塑性力學

在高溫構件強度設計和剩余壽命評估方面，經典塑性力學發揮了巨大的作用。HaiTy和Spence把蠕變應變描述為應力、時間和溫度的函數，為以后蠕變本構模型的描述打下基礎，其中Norton的應力指數方程得以廣泛使用。多軸蠕變的實驗結果表明各向同性均質物體的蠕變是剪切應力主導的過程。

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、長大和聚合的結果。Cane等認為，孔洞的長大在材料蠕變時效中占據主導地位，即在高溫構件失效的整個過程中，孔洞長大經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展成為孔洞。Edward認為，品界滑移是造成孔洞聚合的因素之一。孔洞生長機理可分為三種：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總結出孔洞生長機制對斷裂時間和應變影響的完整描述。

2.3連續損傷力學

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。連續損傷力學是將具有離散結構的損傷材料理想為連續介質模型，以不可逆熱力學為基礎，在材料的蠕變本構模型中引入損傷變量，描述從材料內部損傷到出現宏觀裂紋的過程，唯象地導出材料的損傷本構模型，達到對高溫部件斷裂應變和壽命進行預測的目的。Kachanov于1958年首次提出了連續損傷力學的概念，Rabotnov在此基礎上提出了有效應力的概念，即損傷出現后有效承載面積變小，使得有效應力增大，將損傷與應力應變關系耦合，得出可以描述蠕變加速階段的K-R本構模型。連續損傷力學的發展使得數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力應變位移數據，為分析蠕變損傷機理發展奠定基礎。

由于幾何尺寸、載荷和熱約束的影響，實際工程構件多受到多軸應力狀態。為了描述實際構件的蠕變失效行為，需要將單軸蠕變本構模型推廣到多軸蠕變狀態。對于多軸本構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模型，該損傷變量不區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模型，以區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模型，可分為兩種：Lemaitre本構和Kachanov-Rabotnov本構。前者基于Lemaitre的不可回復熱力學理論，后者則是直接將經典的Kachanov-Rabotnov單軸本構推廣到多軸蠕變狀態，即把單軸應力狀態下的控制損傷增長的作用應力替換為受最大主應力和von-Mises應力共同作用的等效應力。王飛等以Lemaitre模型為基礎，對工作在650℃下的某航空發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，研究結果表明多軸應力狀態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，研究發現控制Duretel055鋼的多軸斷裂應力準則是等效應力和骨點應力共同控制。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℃的蠕變應變容限進行了分析，研究發現ASME Code Case N-47規范有時偏于保守，有時偏于危險，理論上講，三通達到使用年限時應該進行更換，而彎頭的使用壽命可以適當延長。這一結論對于在役高溫構件的安全評定和壽命預測有著非常重要的指導意義。

參考文獻：

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