高溫構件蠕變損傷與裂紋擴展預測研究新進展

，，

(華東理工大學 機械與動力工程學院 承壓系統與安全教育部重點實驗室，上海 200237)

0 引言

為有效提高能源轉化效率，現代能源工業的核心工藝與裝備(航空發動機、燃氣輪機、汽輪機和石油化工壓力容器等)均以更高的操作溫度為發展目標[1]。在高溫下，蠕變斷裂是金屬結構的主要失效形式之一[2]。蠕變問題的關鍵挑戰在于損傷在材料內部逐漸累積，往往在未見明顯征兆的情況下突然發生破壞，給生產帶來嚴重的損失，甚至引發慘重的后果[3-7]。因此，這類損傷通常被認為是高溫裝備的“癌癥”，而精準的壽命預測成為高溫構件設計制造與運行維護的關鍵[8]。

高溫構件的傳統壽命預測方法(Larson-Miller參數法[9]，Manson-Haferd參數法[10]等)基于材料短時試驗數據外推構件長時蠕變壽命，在工程界得到了廣泛的應用[11]。然而，人們已逐步認識到傳統方法預測的壽命與工程實際壽命存在較大的誤差，其主要原因之一在于實驗室試樣與實際結構的應力狀態截然不同——實驗室用單軸試樣,所測均為單軸應力下的蠕變結果，而實際高溫構件(圓筒、接管、焊接接頭等)則在多軸應力作用下服役,在多軸應力的作用下，蠕變破斷曲線大幅下降(如圖1[12]所示)，從而導致非常不安全的情況出現。另一個重要原因在于，傳統高溫設計方法的研究對象是不含缺陷的材料或結構，而由于制造和服役過程的影響，高溫構件中不可避免地會產生裂紋或類似裂紋的缺陷[13-14](如圖2所示)，此時傳統方法顯然力所不及。……