（化工过程机械专业论文）制氢转化炉管材料zg40cr25ni20断裂韧性变化研究.pdf

a t ，h e s i ss u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to f t h er e q u i r e m e n t sf o rt h e d e g r e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n g t h e s t u d y o ff r a c t u r et o u g h n e s s ，c h a n g e s a b o u tt h em a t e r i a lo fr e f o r m e r h y d r o g e n m a j o r f u r n a c et u b e s ：c h e m i c a lp r o c e s s m a c h i n e r y ca n d i d a t e ：z h uw e i w e i s u p e r v i s o r ：h e a s h q ghe j i a s： w u h a ni n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y w u h a n ，h u b e i4 3 0 0 7 4 ，p r c h i n a m a y ，2 0 10 摘要 摘要 高温炉管常用于石油化工行业的制氢装置的制氢转化炉中，是 内部介质( 原油、氢气等) 反应的核心载体部件，并采用燃气火焰直接 对其加热。在这样的工作状况下，炉管会产生高温氧化、高温蠕变、 氢腐蚀等多重损伤，一旦发生事故会造成巨大的经济损失并威胁人 民生命财产安全，因此其安全运行相当重要。 为了有效降低资源的消耗，合理地规划工业装置的维修更换， 最大限度的延长炉管的使用寿命，发达国家投入了大量的人力物力， 着力研究高温设备材质劣化的原因，尽可能挖掘设备的潜力。而在 我国目前的石化工业中，也存在着对高温高压临氢环境下投产设备 的安全评估和现有设备国产化等问题，进一步分析高温设备材质劣 化的原因，研究炉管材料的性能劣化( 韧脆转变) ，对提高材料性能 和指导实际生产具有重要的现实意义。 炉管材料的韧脆转变表现为断裂时由韧性断裂转变为断裂时 为脆性断裂，从目前研究的关于材料韧脆转变的文献可知：材料发 生韧脆转变的主要原因可以由微观组织来说明，从某种意义上说， 微观组织的变化可以反映炉管材料宏观断裂力学性能的改变。韧性 与脆性的定义没有一个严格界限，材料发生脆性断裂的主要原因是 金属不能通过局部塑性变形来松弛裂纹尖端的应力阻止裂纹扩展， 如果应力松弛的时间不足，裂纹就会迅速扩展，从而导致脆性断裂 失效。 本文采用试验的方法对服役前后的炉管材料进行了断裂力学断 裂韧性试验，定量地分析研究了炉管材料的劣化情况，在试验的同 时，采用数值模拟的方法对含裂纹炉管进行了应力强度因子计算， 并与试验得出的材料断裂韧性进行对比，分析影响炉管安全使用的 武汉l ：程大学硕十学位论文 主要冈素。 一 本文通过采用国际最先进的m t s 8 1 0 疲劳试验机、扫描电镜、能 谱分析仪以及国际通用大型有限元分析软件a n s y s ，分别进行了断 裂韧性试验、微观组织观察和含表面环向椭圆表面裂纹的数值模拟 研究，得到的主要研究成果如下： ( 1 ) 采用国际最先进的m t s 8 1 0 疲劳试验机，进行了平面断裂 韧性、延性断裂韧性试验，试验情况说明了服役5 3 万小时炉管材料 已由未服役时的塑性断裂转变为完全脆断，z g 4 0 c r 2 5 n i 材料的断裂 韧性已经发生了较大程度的下降。 ( 2 ) 通过使用扫描电镜和能谱仪对进行了断裂试验的断口进行 了宏微观分析，未服役和服役过炉管的微观组织发生了很大的变化， 未服役炉管断口表现为纤维状，有较强的抵抗裂纹扩展能力，而使 用过的炉管断口则表现为朽木状，层与层之间已经剥离，基本没有 抵抗裂纹扩展的能力。 ( 3 ) 以断裂力学为基础，采用有限元方法，建立了表面环向椭 圆裂纹炉管的应力强度因子计算模型，计算了受内压时随裂纹深度 变化，裂纹最深点的应力强度因子，并通过应力强度因子和服役过、 未服役过材料断裂韧性的比较，说明了疲劳载荷是使炉管发生破坏 的主要因素。 关键词：制氢转化炉管韧脆转变断裂力学有限元 a b s t r a c t a b s t r a c t h i g h t e m p e r a t u r ef u r n a c et u b e sa r ec o m m o n l yu s e di nt h e p e t r o c h e m i c a li n d u s t r y sh y d r o g e nr e f o r m e r , a st h ec o r eo fc a r r i e r c o m p o n e n t sw h e r et h ei n t e r n a lm e d i a ( o i la n dh y d r o g e n ，e t c ) r e a c t ，a n d t h e r eh a v eb e e nh e a t e dd i r e c t l yb yg a sf l a m e u n d e rs u c hw o r k i n g c o n d i t i o n s ，t h ef u m a c ew i l ls u f f e rh i g h - t e m p e r a t u r eo x i d a t i o n ，h i g h t e m p e r a t u r ec r e e p ，h y d r o g e nc o r r o s i o na n ds oo n ，i fa na c c i d e n th a p p e n ， i tw i l lc a u s eg r e a te c o n o m i cl o s s e sa n dt h r e a tp e o p l e sl i v e sa n d p r o p e r t y ， s oi t ss a f eo p e r a t i o ni sv e r yi m p o r t a n t i no r d e rt or e d u c er e s o u r c e c o n s u m p t i o n ，r a t i o n a lp l a n n i n go f i n d u s t r i a l e q u i p m e n t m a i n t e n a n c ea n d r e p l a c e m e n t ，e x t e n d t h e m a x i m u mt u b el i f e ，d e v e l o p e dc o u n t r i e si n v e s t e dal o to f m a n p o w e ra n d r e s o u r c e st of o c u so nt h er e a s o n so f h i g h t e m p e r a t u r ee q u i p m e n t m a t e r i a l d e t e r i o r a t i o n ，a s f a ra s p o s s i b l e t h e p o t e n t i a lo fm i n i n g e q u i p m e n t i no u rc u r r e n tp e t r o c h e m i c a li n d u s t r y ，t h e r ea r ea l s oe x s i t i n g t h e p r o b l e mo ft h es a f e t ya s s e s s m e n to fp r o d u c t i o ne q u i p m e n ta n d e q u i p m e n tm a d ei nh o m e ，a n ds oo n ，t h ef u r t h e ra n a l y s i so ft h er e a s o n s t b rh i g h t e m p e r a t u r em a t e r i a ld e g r a d a t i o n ( d u c t i l e b r i t t l e t r a n s i t i o n ) ， i m p r o v i n gt h em a t e r i a lp r o p e r t i e sa n dg u i d i n gt h ea c t u a lp r o d u c t i o nh a s i m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t u b em a t e r i a l s d u c t i l e b r i t t l et r a n s i t i o ns h o w e dt h a t m a t e r i a l b r e a k sf r o md u c t i l et ob r i t t l e ，f r o mt h ec u r r e n ts t u d yo ft h et e x ta b o u t d u c t i l e b r i t t l et r a n s i t i o n ：t h em a i nr e a s o n sc a nb ei l l u s t r a t e db yt h e m i c r o s t r u c t u r e ，t os o m ee x t e n t ，i ft h em i c r o s t r u c t u r ec h a n g e s ，i nt h e m e a n t i m et h em a c r of r a c t u r em e c h a n i c sc h a n g et o o t h ed e f i n i t i o no f d u c t i l ea n db r i t t l ei sn o tas t r i c tl i m i t ，b r i t t l ef r a c t u r ei s m a i n l yd u et o 武汉i ：程人学硕十学位论文 l o c a lp l a s t i cd e f o r m a t i o no fm e t a lc a nn o tr e l a xt h es t r e s sn e a rt h ec r a c k t i pt op r e v e n tc r a c kp r o p a g a t i o n ，i f t h et i m eo ft h e s t r e s sr e l a x a t i o ni s n o te n o u g h ，t h ec r a c kw i l lr a p i d l ye x p a n d ，t h e nr e s u l ti nb r i t t l ef r a c t u r e i nt h i sp a p e r ，w eh a v ed o n ef r a c t u r et o u g h n e s se x p e r i m e n tt ot h e b e f o r ea n da f t e rs e r v i c em a t e r i a l ，a n dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so ft h ef u r n a c e t u b em a t e r i a ld e g r a d a t i o n a tt h es a m et i m e ，w ea d o p tt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o nt oc a l c u l a t et h es t r e s si n t e n s i t y ，a n dc o m p a r e dw i t ht h e m a t e r i a lt o u g h n e s st oa n a l y z et h em a i nd a m a g e 。f a c t o r s 1 nt h i sp a p e r , u s i n gt h em o s ta d v a n c e dm t s 8 10f a t i g u et e s t i n g m a c h i n e ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ，e n e r g ys p e c t r u ma n a l y z e r ，a n d i n t e r n a t i o n a l g e n e r a l f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s s o f t w a r e a n s y s ， r e s p e c t i v e l y ，t h r o u g h t h e s t u d yo ft h e f r a c t u r e t o u g h n e s sc h a n g e ， m i c r o s t r u c t u r ea n dt h es i m u l a t i o no fc i r c u m f e r e n t i a le l l i p t i c a ls u r f a c e c r a c k ，t h em a i nr e s e a r c hr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) b yu s i n gt h em o s ta d v a n c e dm t s 8 10f a t i g u et e s t i n gm a c h i n e ， w eh a v e d o n ee x p e r i m e n to fp l a n ef r a c t u r et o u g h n e s sa n dd u c t i l e f r a c t u r et o u g h n e s s t h ef i n a lr e s u l t ss h o wt h a tt h em a t e r i a la f t e r5 3 0 0 0 s e r v i c eh o u r sb r e a kf r o mb e f o r es e r v i c e sp l a s t i cf a c t u r et ob r i t t l e f r a c t u r e ，t h e m a t e r i a lo fz g 4 0 c r 2 5 n i sf r a c t u r e t o u g h n e s s h a s u n d e r g o n eag r e a td e c l i n e ( 2 ) b yu s i n gs c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p ya n ds p e c t r o s c o p y ，w e h a v ed o n em a c r oa n dm i c r oa n a l y s i st ot h ef r a c t u r es u r f a c e ，n o s e r v i c e a n du s e dm a t e r i a l m i c r o s t r u c t u r eh a v ec h a n g e dal o t ，n os e r v i c et u b e s h o w e df i b r o u sf r a c t u r e ，as t r o n gr e s i s t a n c et oc r a c kg r o w t h ，w h i l et h e u s e df r a c t u r es u r f a c ei ss h o w na sd e a dw o o d ，b e t w e e nt h el a y e r sh a v e b e e ns t r i p p e da w a y ，w h i c hh a v el i t t l ea b i l i t yt or e s i s tc r a c kp r o p a g a t i o n ( 3 ) b yu s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o db a s e do nf r a c t u r em e c h a n i c s ， i v a b s t r a c t w eh a v es e tu pt h em o d e lw h i c hc o n t a i nt h ec i r c u m f e r e n t i a le l l i p t i c a l s u r f a c ec r a c ka n dg e tt h er e s u l to ft h es t r e s si n t e n s i t ya tt h ed i f f e r e n t p o s i t i o n ，a n dc o m p a r e dw i t ht h eb e f o r ea n da f t e rs e r v i c em a t e r i a l s f r a c t u r et o u g h n e s s ，w h i c hs h o wt h er e s u l tt h a tt h ef a t i g u el o a di st h e m i a nf a c t o rt ot h ef a i l t u r e k e yw o r d s ：h y d r o g e nr e f o r m e r f u r n a c et u b e ；d u c t i l e b r i t t l e t r a n s i t i o n ； f r a c t u r em e c h a n i c s ；f e m v 武汉i ：程人学硕+ 学位论文 v l 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章：绪论。1 1 1 引言l 1 2 国内外炉管使用材料韧脆转变研究的现状2 1 3 本文的工程背景、指导思想和主要研究内容3 1 3 1 工程背景3 1 3 2 本课题的研究指导思想和创新点3 1 3 3 本文研究的主要内容5 第二章已使用炉管与未使用炉管断裂韧性的研究7 2 1 引言7 2 2 试验设备和研究方法7 2 3 服役过炉管的平面断裂韧性测试8 2 。3 1 试验原理一9 2 3 2 试样尺寸的确定与取样9 2 3 3 试验过程1o 2 4 试验结果11 2 5 末服役炉管的延性断裂韧度测试11 2 5 1 试验原理1 1 2 5 2 试样尺寸的确定与取样1 2 2 5 3 试样尺寸的测量13 2 5 4 预制疲劳裂纹13 2 5 5 试验结果1 4 2 6 小结16 第三章服役与未服役炉管的微观组织研究1 9 3 1 引言19 3 2 试验设备19 武汉1 ：样人学硕f ：学化论文 3 3 金相组织研究2 0 3 4 未服役炉管试件微观断口形貌分析2 2 3 5 己使用炉管试件微观断口形貌分析2 4 3 6 对比分析2 5 3 7 断口微区能谱分析2 6 3 8 小结2 8 第四章含缺陷炉管的安全性研究2 9 4 1 引言。2 9 4 2 有限元计算含缺陷炉管应力强度因子基本方法和研究内容2 9 4 3 有限元计算含缺陷炉管应力强度因子基本理论3 1 4 3 1 应力场、位移场与应力强度因子之间的关系3 1 4 4 炉管表面椭圆裂纹应力强度因子的有限元计算3 3 4 4 1a p d l 参数化设计语言介绍3 4 4 4 2 裂纹区域的模拟3 4 4 4 3 含椭圆裂纹的断裂力学模型及载荷边界条件3 5 4 5 内压作用下椭圆裂纹应力强度因子结果分析3 5 4 5 1 裂纹前沿应力强度因子分布3 5 4 5 2 裂纹最深点处的修正系数3 6 4 6 小结3 9 第五章总结和展望4 l 5 1 总结4 l 5 2 展望4 2 参考文献4 3 攻读硕士学位期间发表的论文4 9 j 敦谢5 1 第章绪论 1 1 引言 第一章绪论弟一早珀下匕 制氢转化炉是现代石油化工和炼油企业中使用最广泛的装置之 一【l 】。转化炉主要是用来提高原料和反应物的温度并兼作反应器，原 料或反应物的加热或反应过程都是在炉管内进行，因此炉管一般都 是在高温和一定压力下工作，管内介质通常是易燃易爆、易结焦和 腐蚀性较强的油和气，管外直接用火焰加热，其工作条件极为苛刻， 相比其他通用零部件更易损坏【2 1 。 高温炉管是制氢转化炉的核心零部件，其造价非常昂贵，在转 化炉中炉管的投资约占炉子总投资的6 0 左右，且炉管的安全性对 转化炉能否正常高效运转起来起着决定性的作用，也是装置安全运 行的主要保证【3 】。因此研究高温炉管的材料性能变化、进行炉管的损 伤分析、失效分析进而预测其剩余寿命是至关重要的。工程界和科 学界对炉管的损伤、失效分析以及寿命预测做了大量的研究，取得 了一定的成果，但大都局限于定性或半定量的研究方法，如金相分 类法等【4 。6 】。其研究主要是为了得到炉管在高温腐蚀的介质中材料性 能的劣化情况，并设定劣化等级标准，通过工程人员对炉管使用的 经验分析预测炉管的寿命，其注重的是劣化的结果。从近期对炉管 损伤研究的文献来看，认为炉管出现损伤的主要原因有三种，高温 腐蚀、高温疲劳、高温断裂，研究方法主要采用实验的方法对工况 进行模拟，其优点是操作方便，简单可行，但是这种方法只是对炉 管损伤的再现，而非深入研究炉管劣化的原因。炉管材质的损伤劣 化与宏观性能的转变一样，是一个连续变化的过程，前面所述的研 究显然是不充分的。原因在于：材料的损伤研究涉及到其具体的微 观结构，而材料化学成分的多样性，冶炼工艺的多样性及其工作环 武汉i ：稃人学硕十学位论文 境的多样性决定了材料微观组织结构的多样性，研究起来比较困难。 为了有效降低资源的消耗，合理地规划工业装置的维修更换， 最人限度的延长炉管的使用寿命，发达国家投入了大量的人力物力， 着力研究高温设备材质劣化的原因，尽可能挖掘设备的潜力【5 】。而在 我国目前的石化工业中，存在着对高温高压临氢环境下投产设备的 评f + 和现有设备国产化等问题，更深一步的分析高温设备材质劣化 的原因，研究炉管材料的性能劣化( 韧脆转变) ，对提高材料性能和 指导实际生产具有重要的现实意义。 1 2 国内外炉管使用材料韧脆转变研究的现状 韧性与脆性没有一个严格的定义界限，材料发生脆性断裂的主 要原因是金属不能通过局部塑性变形来松弛裂纹尖端的应力阻止裂 纹扩展，如果应力松弛的时间不足，裂纹就会迅速扩展，从而导致 脆性断裂失效【7 1 。而材料韧性断裂的本质是零件危险截面处的实际应 力超过材料的屈服强度所致。 国内外对材料韧脆转变进行了大量的研究工作，但研究内容主 要为材料韧脆转变与温度变化之间的关系，而对于一些服役环境非 常复杂的材料出现的韧脆转变研究较少，尤其是z g 4 0 c r 2 5 n i 2 0 在 高温高压腐蚀环境下材料韧脆转变的研究基本没有，更不用说材料 韧脆转变机理的研究。 本文针对实际过程中服役z g 4 0 c r 2 5 n i 炉管材料的劣化，从试验、 微观和数值模拟的方法进行了了材料韧脆转变的研究，并针对材料 出现韧脆转变后提出了炉管材料受疲劳载荷下安全评定研究方法。 第一章绪论 1 3 本文的工程背景、指导思想和主要研究内容 1 3 1 工程背景 本课题来源于生产实践，在中国石化武汉分公司的制氧转化炉 实际运行过程中，炉管在工作5 3 万小时后，产生沿炉管环向分布的 裂纹，如图1 所示，同时对在役的制氢转化炉管，在炉内常温条件 下进行现场超声波检测，发现大多数炉管声穿透性较差，检测结果 表明炉管内部已有一定程度的损伤或蠕变裂纹。 图1 炉管检测时发现的裂纹 根据国家有关标准，在役炉管是不能出现宏观裂纹的，为了消 除炉管表面裂纹，按通常的工程处理方法，对某一产生裂纹的炉管 用砂轮对裂纹进行处理时发现裂纹在处理的过程中反而往深处扩 展，也就是说，裂纹往深处的扩展速度非常之快。这说明炉管材料 的脆化已经达到了很严重的程度，设备的运行状态令人十分担忧。 在此情况下我们对炉管劣化原因( 脆化原因) 进行了分析研究。 1 3 2 本课题的研究指导思想和创新点 如前所述，对含裂纹炉管进行工程上的常规处理时，裂纹不仅 没消除反而长的更快，按照材料的传统力学设计方法，只要工作应 力。小于许用应力 o ，即o o ，就被认为是安全的，根据这个标准， 武汉i ：程人学硕十学何论文 这种去除裂纹的方法是可行的【8 】。但是，实际情况恰恰相反，当裂纹 长度扩展到临界长度时，材料会发生低应力脆断。可见，经典的强 度理论不能解释工作应力远低于材料屈服强度时发生所谓低应力脆 断的现象。这是因为传统力学是将材料看成均匀的，不含缺陷的理 想物体，但是实际的工程材料，在制备、加工及使用过程中，都会 产生各种宏观缺陷乃至宏观裂纹。 断裂是工程构件较危险的一种失效方式，特别是脆性断裂，它 是突然发生的破坏，在断裂前没有明显的征兆，常常引起灾难性的 破坏事故。自从上世纪二三十年代起，脆性断裂的事故明显地增加。 例如，人们非常熟悉的泰坦尼克号事件，就是低应力引起的船体突 然发生脆断。科学家在随后的研究中发现低应力脆断是和材料内部 的缺陷相联系的，当裂纹在给定的应力下扩展到临界尺寸时，就会 发生脆断【9 - 1 2 】。由于传统力学或经典的强度理论解决不了带裂纹构件 的断裂问题，因此断裂力学就应运而生。可以说断裂力学就是研究 带裂纹体的力学【1 3 】，它给出了含裂纹体的断裂判据，并提出一个材 料固有性能的指标一断裂韧性，用它来比较各种材料的抗断能力。 从以上分析可知研究对比材料断裂韧性变化的方法是研究材料 劣化原因最可靠地方法，通过断裂力学实验对比服役前后炉管材料 断裂韧性值的变化，探索影响炉管材料由韧性转变为脆性的规律， 对提高炉管用材性能i s , r h 了日i - , 导生产实际有着重要的意义。 从近期对材料劣化研究的文献来看【1 4 1 5 16 1 ，采用研究断裂韧 性的方法来研究材料的劣化较少，为什么这一比较直接的方法在工 程实际中应用较少呢，总结起来有两个： ( 1 ) 断裂力学是上世纪2 0 年代由g r i f f i t h 创建的基本概念和理 论，5 0 年代由i r w i n 推出应力强度因子的概念，7 0 、8 0 年代后才逐 步应用于工程实际中，我国绝大部分工程设计人员尚未进行这方面 学习，很多重要的基本概念难以得到接受和推行。 第章绪论 ( 2 ) 更为重要的是，在目前我国的材料标准中，没有材料断裂韧 性k - c 的指标要求。而材料断裂韧性又是会随介质条件、使用环境 而变化的。为了避免使用厂家找麻烦，一般生产家f 在材料性能 指标中加入这个指标，况且做k ，c 这样的指标需要大量的费用。 总结起来就是两个原因： ( 1 ) 强度观念未更新 ( 2 ) 材料断裂韧性无标准可查 为了解决中石化武汉分公司炉管的安全评估问题，我们必须从 炉管的实际情况出发，采用断裂力学的方法研究炉管的断裂韧性劣 化规律，分析评价在役炉管的安全问题。 1 。3 3 本文研究的主要内容 在本文中，针对高温高压临氢环境下服役一段时间的制氢转化 炉炉管和未服役的炉管，选取材质为z g 4 0 c r 2 5 n i 2 0 的炉管作为研 究对象，采用断裂力学和观察微观组织的方法，进行炉管材质劣化 原因的研究，主要研究内容和方法如下： 第一章首先回顾了当前国内外不锈钢炉管在高温临氢环境下 劣化原因的研究现状，对其研究范围和局限性进行了探讨，给出了 本文研究的工程背景、指导思想并提出本文的研究内容。 第二章为高温高压服役一段时间和未服役炉管材料进行断裂 韧性试验的研究，掌握炉管经长时间高温高压临氧环境服役以后的 断裂韧性劣化程度。 第三章针对服役过和未服役过炉管的断口，对炉管进行金相和扫 描电镜分析及微区元素能谱分析，观察炉管的微观组织变化过程， 并分析微光组织的变化对炉管材料韧脆转变的影响。 第四章采用有限元分析方法对含缺陷炉管进行了断裂力学建 武汉i ：程火学硕十学位论文 模，分析研究在相同载荷，不同裂纹形状下裂纹最深处应力强度因 子的数值解，并拟合得到应力强度因子计算公式的修正系数，然后 结合第二、三章所研究的内容，判定静载荷作用下和疲劳载荷下对 炉管的安全性影响。 第五章对本文的研究工作进行总结，并对今后工作的展望。 第_ 二章已使用炉管与朱使用炉管断裂韧性的研究 第二章已使用炉管与未使用炉管断裂韧性的研究 采用全世界最为先进的材料疲劳试验机m t s 810 分别对使用过 的炉管和未使用过的炉管进行平面断裂韧性和延性断裂韧性测试【1 7 _ 2 3 1 ，从目前研究炉管的相关文献中可知，对炉管材料进行群，和k f 测 定的工作还很少，本次测定的相关数据非常珍贵。它是用断裂力学 的方法研究炉管材料劣化的重要基础，这次测定工作的成功完成， 为我们今后定量进行含裂纹的零部件安全评定工作积累了良好的经 验，为保证设备的长周期安全运行打下了坚实的基础，是一次运用 断裂力学方法进行安全评估的极有意义的尝试【2 4 2 5 1 。 2 2 试验设备和研究方法 试验设备： 本实验在美国材料试验系统试验机m t s 8 1 0 上进行，满足国家 标准g b 2 2 8 7 6 金属拉力试验法中对试验机及测量工具的各项 要求，如图2 所示。 图2 美国材料试验系统试验机m t s 8 1 0 武汉l ：程人学硕十学位论文 试验方法： 从国内外最近对炉管用材断裂韧性的研究文献来看 2 6 - 3 2 】，对 z g 4 0 c r 2 5 n i 2 0 炉管使用材料的断裂韧性的研究报道较少，而断裂韧 性测试的方法及标准较多，如金属材料平面应变断裂韧度测试方法、 金属材料延性断裂韧度测试方法、c o d 方法等，这些标准适用于不 同试样尺寸，不同性能的材料。由于无标准可查且不清楚服役了5 3 万小时和未服役炉管材料的力学性能，我们对新旧炉管进行环形取 样，根据g b 4 1 6 1 8 4 和g b t 2 0 3 8 1 9 9 1 ，选择三点弯曲试样，并将 服役和未服役炉管试样分别标为s 0 1 ，s 0 2 ，然后分别进行平面断裂 韧性试验，发现s 0 1 试样在很小的载荷下发生断裂，材料脆化非常 严重，而s 0 2 试样又无法在裂纹一开始起裂而达到全面失稳扩展， 且无法全面达到平面应变状态，可知炉管材料性能比较特殊，根据 平面断裂韧度与延性断裂韧度测试标准，我们选取如下试验方案： 平面断裂韧性标准：要求裂纹一开始起裂，立即达到全面失稳扩 展，并要求裂纹扩展区除试样两侧表面极小地带外，全面达到平面 应变状态，对已服役了5 3 万小时的炉管，由于材料发生了较严重的 脆化，在试验时可以满足平面断裂韧性的测定标准，即裂纹开始起 裂材料可以全面失稳扩展，试样类型选取三点弯曲试样【3 3 1 。 延性断裂韧度测试标准：要求在试验温度下裂纹能够缓慢稳定扩 展，塑韧性较好的材料。不适用于尚未测得本方法规定的j 一口数据， 即已产生快速断裂的材料或延性、韧性极高、抗撕裂能力极好的材 料。对于已经脆化较严重的炉管，c 的测定方法显然不适用，而新 炉管，由于炉管材料没有发生损伤，且根据国际通行的对断裂韧性 测试的试验方法，试验采用延性断裂韧度的测试方法【3 4 。 2 3 服役过炉管的平面断裂韧性测试 第一二章已使川炉管与朱使川炉管断裂韧性的研究 2 3 1 试验原理 通过对含缺e l 试样循环加载，根在三点弯曲加载下自动记录载倚 p 及裂纹嘴的张开位移v ，并利用p - v 曲线确定乞，然后利用三点 弯曲标准试样应力强度因子公式 巧= 一p q s ( 剖b w 2 确定材料的条件断裂韧度。 2 3 2 试样尺寸的确定与取样 根据g b 4 1 6 1 8 4 ，试样的厚度值越大，其断裂韧度值越接近材 料的平面应变断裂韧度。由于炉管厚度所限( 炉管尺寸为 1 2 8 x 1 2 m m ) ，取炉管材料试件尺寸为：w = 1 8 m m ，b = 9 m m ，加工 得到3 个试样，分别编号为s 0 1 、s 0 2 、s 0 3 ，其取样方式如图3 、图 4 所示。 仁一：_ 图3 服役过炉管取样示意图图4 三点弯曲试验试样示意图 ( s ：跨距w ：试样宽度b ：试样厚度，s = 4 w ) 武汉l j 程人学硕十：学位论文 2 3 3 试验过程 试样尺寸测量 试样厚度b 测量：沿裂纹预期扩展方向取间距相同的三点，分 别测得试样厚度为且、垦、忍，取b = 半作为试样的厚度。 试样宽度w 的测量t 在缺口附近至少三个位置上测量试样宽度 彬、，取形= 掣作为试样的宽度，具体尺寸如下： 黛 s o ls 0 2s 0 3 迸7 朗矿 b9 0 29 o l9 o l w1 8 0 21 8 0 41 8 0 8 l1 2 71 2 71 2 7 安装试样夹具 使加载线通过跨距的中点，偏差小于跨距的1 。测量跨距，准 确到名义长度的o 5 。 试样放置和引伸计安装 使试件缺口端顶端位于跨距的正中，精确到跨距的1 ，同时试 样应与支承辊垂直，偏差在2 。以内。并保证支承辊和压头与试样 的接触面互相平行，偏差不得大于0 0 0 2 w 。，试样放好后，安装引 伸计时应使刀口与引伸计的凹槽配合好，试样的安装示意图如图5 所示： 图5 三点弯曲示意图 第一二章已使川炉管l 术使用炉管断裂韧性的研究 预制疲劳裂纹 由于线切割试样不能反映真实的裂纹情况，为了模拟和反映结 构中的内部裂纹，需要对试样进行预制疲劳裂纹。 疲劳裂纹长度的确定根据实验规范要求，要求裂纹初始长度为 o 5 w 左右，对于本实验尺寸，口0 = o 5 w = 9 m m ，且要求预制的疲劳裂 纹长5 = 0 4 5 m m ，故预制的疲劳裂纹长度取1 1 m m 左右。在预 制疲劳裂纹时，我们采用载荷控制的方法，且预制频率约为2 0 h z 。 2 4 试验结果 根据材料的屈服强度和破坏强度，分别对s 0 1 ，s 0 2 试样施加疲 劳载荷，试样迅速断裂，由于裂纹没有发生扩展，没有得到预期的 p v 曲线，无法计算得到试样材料的断裂韧性，从这两个试样中， 可以推测服役过的炉管材料已经发生了很严重的脆化，于是在对s 0 3 试样试验的过程中，我们通过手动施加疲劳载荷，通过减少疲劳载 荷均值、幅值并增加循环载荷的次数下，得到p v 曲线，并得到材 料的条件断裂韧性为k ：，表征炉管在 下的断裂韧q 2 38 m p a x - - m m9 m m 性。 2 5 未服役炉管的延性断裂韧度测试 2 5 1 试验原理 通过对试样循环加载疲劳载荷、卸载，根据柔度的变化测量裂 纹的长度，并采集数据，绘制，一a a 阻力曲线测定值。借助于疲 劳试验机中j 积分程序计算得到试样的裂纹扩展量和j 值，基本原 理如下： 武汉，i ：样人学硕 学何论文 裂纹长度的测量：根据g b t 2 0 3 8 19 9 1 可知裂纹长度与柔度的 关系式： a | w = c o + c 、ux + c 刘气七c p + c p 七c p s x 又由于柔度与裂纹张丌量之间的关系 2 一可以计算得到裂纹的扩展量，最后根据公 式= 半 嘉怅) + 去得到拖 2 5 2 试样尺寸的确定与取样 根据黄石山力热工设备有限公司提供的z g 4 0 c r 2 5 n i 2 0 的试 件材料，如图6 所示，按照g b 4 1 6 1 8 4 ，选取三点弯曲试样，试 样形式如图7 所示，试样取样如图8 所示，取三根试样为；s 0 4 、 s 0 5 、s 0 6 。 图6 试件材料图 第二章已使 l j 炉管j 术使j f j 炉管断裂韧性的研究 仁一：j 图7 三点弯曲试样示意图图8 未使用炉管取样示意图 2 。5 3 试样尺寸的测量 试样尺寸测量标准如上，所得尺寸数据如下： 漆 s 0 4s 0 5s 0 6 斌襻贸哥 b 1 6 0 4 61 6 0 3 61 6 0 3 w 3 2 o o3 2 0 23 2 0 0 l1 6 01 6 01 6 0 2 5 4 预制疲劳裂纹 ( 1 ) 疲劳裂纹长度的确定。 由于我们采用三点弯曲试样且根据j 积分方法测试材料的断裂 韧度，要求裂纹初始无量纲长度a 在o 5 7 w 之间，取中间值为，o0 0 6 对本实验尺寸，初始裂纹长度吼= o 6 w = 1 9 2 m m ，又g b 2 0 3 8 9 1 要 求预制疲劳裂纹长度5 a 且2 ，故预制裂纹长度取o 13 m m 1 3 m m 2 m m 。 ( 2 ) 预制疲劳裂纹最大载荷的确定。 武汉i ：稃人。誓硕十学侮论文 当预制疲劳裂纹的最大载荷圪。；过大时，裂纹欠端的应力场将发 生畸变并改变裂纹走向，当预制疲劳裂纹的载倚过小时，将引发不 出疲劳裂纹或者引发疲劳裂纹时间过长，因此，需要对最大疲劳载 荷进行确定。 根据g b 2 0 3 8 9 1 金属延性断裂韧度测试方法中规定：最大 疲劳载荷应不大于用a o 计算得到的极限载荷的5 0 ，如果引发不出 裂纹，可适当提高最大载荷圪。，当裂纹出现扩展后，应及时将载荷 调整至。- 0 5 最，同时标准中还提供了三点弯曲试样的极限载荷计 算公式：。 p ：4 b b 2 0 0 y 3 s 公式中只为极限载荷，单位为n ；b 为试样厚度，单位为m m ： w 为试样宽度，单位为m m ；a 0 为初始裂纹长度，单位为m m ：b 。为 初始裂纹韧带尺寸，单位为m m ：o r 为有效屈服强度，即屈服强度 和极限强度的平均值， 瓯：塑，单位m r a q2 - 二i 二，早7 阻 根据常温拉伸得到的材料实验数据，o 。= 2 8 4 m p a ，o b = 3 9 8 m p a ， 代入公式得到极限载荷珞p m 。 本次疲劳试验在m t s 8 1 0 上完成，预制频率约为2 0 h z 。 2 5 5 试验结果 将三点弯曲试样放在m t s 8 1 0 试验机上，首先施加脉动载荷， 从试样缺口尖端处引伸裂纹。当裂纹达到需要值时，施加准静态载 荷，然后卸载，再加载，重复多次。最后再施加脉动载荷，使试件 疲劳断裂，依次对s 0 1 、s 0 2 、s 0 3 试样进行如上试验，得到如图9 、 第二章已使用炉管与术使川炉管断裂韧性的研究 10 、所示的稳态裂纹扩展加载曲线图和如图1 2 所示试件裂纹扩展 断陬j 意图。 codl 姗c l 图9s 0 1 试样稳态裂纹扩展加载曲线图图1 0s 0 2 试样稳态裂纹扩展加载曲线图 第二次疲劳 裂纹扩腱区 图1 1s 0 3 试样稳态裂纹扩展加载曲线图图1 2 试件裂纹扩展断面示意图 在试验结束后，根据试验结果和断口观察，发现s 0 2 试样裂纹扩 展过程与g b 2 0 3 8 9 1 规定完美吻合，从