（化工过程机械专业论文）高温下工作的含缺陷构件安全评定方法的研究开发.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 第l 页 摘要 高温下工作的石油化工装置含缺陷构件的失效大多是由于在蠕变条件下的裂 纹扩展而造成的，而在高温蠕变条件下的裂纹扩展既不同于常温疲劳裂纹扩展也 不同于常温裂纹失稳扩展，故我们需要开发一种适合于高温蠕变断裂评定的方法。 鉴于以上目的本文进行了以下几方面研究： 1 在对常温、高温断裂力学基本原理进行了比较系统的综合分析的基础上， 研究了这两类断裂评定的差异。f 在评定常温断裂时，首先考虑当前裂纹会不会扩 展，即评定构件目前是否安全；如构件受到疲劳载荷的作用，则我们还应考虑由 疲劳引起裂纹扩展( ( d a d n ) ，) 的情况，即评定构件将来某- u t 问是否安全。在 评定高温断裂时，我们先评定构件目前的安全性，接着，由于构件产生高温蠕变， 随着时间的推移，蠕变应变逐渐增大，同时，裂纹尖端的塑性变形也越来越大， 此时，裂纹就会扩展( d a 础) ，故我们要评定其在将来某个时候是否仍旧安全。 如构件发生高温蠕变的同时还受到疲劳载荷的作用，则我们在评定其在将来某个 时候的安全性时，应考虑由蠕变、疲劳交互作用所引起的裂纹扩展。从分析比较 可知，构件的蠕变或蠕变疲劳相互作用引起的断裂评定比常温下的断裂评定要复 一一 杂的多。 2 对于高温下工作的石油化工装置常用材料，大量收集了国内外石化装置常 用材料在高温下的力学性能( ( o s 、o b 、e 趟舅裂性能sk ，c 、，。、疋巡垦蠕变 裂纹扩展率参数a 和口、蠕变应变时间曲线、蠕变断裂应力时问曲线等数据；同时， 补充做了其中几种材料的高温力学性能数据测试实验f 用来验证实测值和标准值 的一致性。通过整理，得到了石化装置常用材料高温性能数据集。 一y 一 3 本文研究了国内外高温下工作的含缺陷构件安全评定方法，根据我国常用 材料的特点和性能，编制了一套高温下工作的石油化工装置含缺陷构件安全评定 方法。f 该方法的温度适用范围可从材料的蠕变温度一直到规范所规定的材料最高 使用温度。该方法考虑了构件发生蠕变或受到蠕变疲劳相互作用时的裂纹扩展情 况。在使用该评定方法时，关于如何合理划分构件剩余寿命( 即如何确定步长长 短) 这一问题，j 本文提出了一种优化方法，使计算结果的收敛性和计算工作量得 到了统一。慨能保证尺寸的收敛精度，又能避免过多的工作量。户了一 4 按本文编制的安全评定方法，用c 语言喇+ 其具体计算过程进行了软件歼发， 编制了一套可供工程应用的计算软件( m a c c r 1 ) ，并用算例来验证该计算软件的 实用性。 关键词：石油化工装置，蠕变疲劳，缺陷，断裂。安全评定方法 塑坚三些查兰堡主堂些堡壅 笙! ! ! a b s t r a c t t h er u p t u r eo fc o m p o n e n t sc o n t a i n i n gd e f e c t si nt h ep e t r o l e u ma n dc h e m i c a l e q u i p m e n to p e r a t i n ga th i g ht e m p e r a t u r ei sm a i n l yc a u s e db yc r a c kp r o p a g a t i o nu n d e r c i r c u m s t a n c eo f c r e e p ，a n dt h ec r a c kp r o p a g a t i o ni nt h ec r e e pr a n g e i sd i f f e r e n tn o to n l y f r o m f a t i g u e c r a c k p r o p a g a t i o n b u ta l s of r o mf a s tc r a c k p r o p a g a t i o n a tn o r m a l t e m p e r a t u r e s o ，w e n e e dm e t h o d sf o rt h ea s s e s s m e n t o fc r e e p r u p t u r e a t h i g h t e m p e r a t u r e f o r t h ep u r p o s e ，s e v e r a la s p e c t sa r es t u d i e da sf o l l o w s ： 1 t h i s p a p e ra n a l y z e d t h eb a s i c p r i n c i p l e s o fr u p t u r em e c h a n i c sa tn o r m a l t e m p e r a t u r ea n dh i g ht e m p e r a t u r e ，a n ds t u d i e dt h ed i f f e r e n c eb e t w e e n t h ea s s e s s m e n t f o rt h et w ok i n dr u p t u r e s w h e na s s e s s i n gt h es a f e t yo fc o m p o n e n t so p e r a t i n ga tn o r m a l t e m p e r a t u r e ，f i r s t ，w em a k e s u r ew h e t h e rt h ec r a c kw i l lp r o p a g a t ea tp r e s e n t i ff a t i g u e l o a d i n gc a r l t b en e g l e c t e d ，w es h o u l da l s oc o n s i d e rt h ec r a c kp r o p a g a t i o nc a u s e db y f a t i g u el o a d i n g w h e na s s e s s i n g t h es a f e t yo f c o m p o n e n t so p e r a t i n g a th i g h t e m p e r a t u r e ， w es h o u l dn o t o n l ya s s e s st h es a f e t yo fc o m p o n e n t s a tp r e s e n t ，b u ta l s oa s s e s st h es a f e t y o f c o m p o n e n t si nf u t u r e b e c a u s et h ec o m p o n e n t so p e r a t ei nt h ec r e e pr a n g e w i t l lt h e i n c r e a s e m e n to f t i m e ，c r e e ps t r a i nb e c o m eg r e a t ，a n d t h ep l a s t i cs t r a i nn e a rt h ec r a c k t i p b e c o m eg r e a tt o o ，t h e nt h ec r a c km a y b eg r o w i ff a t i g u el o a d i n gc a n tb en e g l e c t e d ，w e s h o u l da l s oc o n s i d e rt h ec r a c kp r o p a g a t i o nc a u s e db yt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nc r e e pa n d f a t i g u e 2 f o rc o m m o nm a t e r i a l so f p e t r o l e u ma n dc h e m i c a le q u i p m e n to p e r a t i n ga th i g h t e m p e r a t u r e ，t h i sp a p e r c o l l e c t e dl o t so fm e c h a n i c sa n d r u p t u r ep r o p e r t y d a t a 0 0 pa pe 、k | 、jk 、6 c 、a th i g ht e m p e r a t u r e ，p a r a m e t e r sa a n d qu s e dt od e r i v e c r e e pc r a c kp r o p a g a t i o nr a t e s ，c r e e p s t r a i nv e r s u st i m ec u r v e sa n ds t r e s st o r u p t u r e v e r s u st i m et or u p t u r ec u r v e sf r o mi n s i d ea n do u t s i d e m e a n w h i l e ，s e v e r a le x p e r i m e n t s a r em a d et ov a l i d a t et h ec o n s i s t e n c yo f t h em e a s u r e da n dt h es t a n d a r dv a l u e s 3 h a v i n gs t u d i e d r e l a t e dm e t h o d sf o rt h e s a f e t y a s s e s s m e n t o fc o m p o n e n t s o p e r a t i n ga th i g ht e m p e r a t u r e ，t h i sp a p e rp u tf o r w a r dam e t h o df o rt h ea s s e s s m e n to f c r a c kc r e e pr u p t u r ea th i g ht e m p e r a t u r e t h i sm e t h o di su s e f u lf r o mc r e e pt e m p e r a t u r e t ot h em a x i m u m t e m p e r a t u r ep r e s c r i b e db yr u l e s t h i sm e t h o dh a v ec o n s i d e r e d t h e c r a c kp r o p a g a t i o nc a u s e db yt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e n c r e e pa n df a t i g u e m e a n w h i l e ，t h i s p a p e rp u tf o r w a r da no p t i m i z e dm e t h o du s e dt os o l v eh o w t od i v i d et h er e m n a n tl i f eo f c o m p o n e n t s ，w h i c h u n i t et h e a s t r i n g e n c y o fc a l c u l a t e dr e s u l t sw i t h c a l c u l a t i n g w o r k l o a d 4 a c c o r d i n gt o t h i sm e t h o df o rt h es a f e t ya s s e s s m e n t ，t h i s p a p e rw o r ko u t a c a l c u l a t i n gp r o g r a m ( m a c c r 1 ) ，u s i n gcc o m p u t e rl a n g u a g e ，a n d i t sv a l i d a t e db y c a l c u l a t i n ge x a m p l e s k e y w o r d s p e t r o l e u m a n dc h e m i c a le q u i p m e n t ，c r e e p ，f a t i g u e ， c r a c k ，r u p t u r e ，m e t h o d s f o rt h es a f e t ) ra s s e s s m e n t 浙江工业大学硕士学位论文 第3 页 1 1 引言 第一章绪论 最近几十年来，在工业生产中高温部件的应用愈来愈多。如航空发动机、工 业燃气轮机、发电机组、锅炉蒸汽管道和核反应堆燃料元件一般都在高温环境中 工作。在化工生产中常见的高温结构有加热炉内部高温炉管、高温压力管道和压 力容器，它们的工作温度都在6 0 0 c 以上，一旦发生爆炸和泄露，往往发生火灾或 中毒，导致灾难性事故发生f j 】。 对于在高温下工作的构件，我们不得不面临一个特殊的问题一蠕变。蠕变是 指金属在长时间的恒温、恒应力作用下缓慢地产生塑性变形的现象。蠕变可能最 终导致构件破裂。例如，蒸汽锅炉及化工设备中的一些高温高压管道，虽然所承 受的应力小于工作温度下材料的屈服强度，但在长期使用过程中，会产生缓慢而 连续的塑性变形，使管径逐渐增大。如选材不当，则会导致管道破裂。蠕变应变 通常分为第一、第二、第三三个不同阶段来拙述。第一阶段蠕变应变速率呈下降 趋势，直到实现一个恒定的应变速率时结束。第二阶段蠕变为恒定应变速率阶段。 第三阶段蠕变，应变速率呈增加的趋势，直到材料破坏为止【2 l 。 并且，高温构件中不可避免地存在缺陷和裂纹，这是因为冶金过程、加工过 程以及使用过程中都不可避免带有各种缺陷或裂纹。特别是在焊缝中，由于焊接 工艺方面的原因，难以避免会产生夹渣、气孔等缺陷。另外，许多构件往往带有 过渡截面、沟槽等，这些部位由于应力集中也很容易引起裂纹萌生及扩展i ”。 由于在高温蠕变条件下裂纹扩展既不同于疲劳裂纹扩展也不同于常温裂纹扩 展，而有其自身特点。因此，我们有必要进行高温断裂力学的研究f 3 i 。 1 2 常温下裂纹扩展行为研究 对于常温下工作的含缺陷构件，由于裂纹的存在。与裂纹直接相联系的局部 浙江丁业大学硕士学位论文 第4 页 地区的应力将重新分布。尽管整个截面上的平均应力仍低于材料的屈服极限os ， 但上述局部地区的应力却可能很大。这种局部地区的应力状态( 裂纹尖端应力场 h ，5 】) 就成为裂纹传播、并最终导致构件断裂的控制因素。 为了能够用断裂参数直接来度量裂纹尖端应力场的强弱程度，在1 9 5 7 年， g r i r w i n 提出了针对脆性断裂的应力强度因子k ，的概念【6 】，随后又在此基础上形 成了断裂韧性k 。( 应力强度因子i 临界值【5 1 ) 的概念，并建立起测量材料断裂韧性 的实验技术。这样一来，线弹性断裂力学就丌始建立起来。对于带裂纹的构件来 说，其强度准则就应该是：k ，k ，只有满足此条件，裂纹_ 才不会失稳扩展。 由于线弹性断裂力学是建立在线弹性力学基础上的，所以，对于工程中大量 使用的诸如中、低强度钢等具有较好塑性的材料并不适合。因为这些材料在裂纹 发生扩展前，在裂纹前缘将出现一个较大的塑性区。此塑性区的尺寸和裂纹本身 的尺寸处于同一数量级甚至高于裂纹自身数量级，有时甚至可以达到接体屈服。 如果在裂纹扩展前，其前缘的塑性区尺寸已达到或接近于裂纹本身尺寸，那么， 在断裂力学中就将划归为大范围屈服断裂范畴。如果在裂纹扩展前已发生整体屈 服的情况，则就属于全面屈服断裂范畴了。对于这种大范围屈服断裂或全面屈服 断裂问题，由于裂纹尖端的应力场发生变化，就再也不能采用线弹性断裂力学来 进行分析，而必须代之以弹塑性断裂力学了。目前用于弹塑性断裂力学研究的最 主要方法是j 积分法【7 1 与c o d 法f b 】。c o d 是指裂纹面在裂纹顶端处的张丌位移量， 用6 表示。j 积分是裂纹端部与积分途径无关的线积分。占和j 积分值都可以作为 裂纹端部应力、应变场强度的度量。当所加的载荷达到某一定值时，构件也将达 到断裂的临界状态。此时，裂纹顶端处的张开位移量艿和j 积分值都达到某一临界 值，分别记为疋和l ，。于是，用c o d 表示的断裂判据为占坑：用j 积分表示的 断裂判据为j j ，。 i 3 高温下裂纹扩展行为研究 通常，金属在高于百分之三十熔点温度的环境中就会产生蠕变，一般认为 浙江工业大学硕士学位论文 第5 页 随着温度升高，蠕变的作用愈明显。对于大量高温构件来说，蠕变是一个寿命限 制因素。蠕变般受控于微观力学动力学，如晶界扩散、基体扩散和位错运动等p 。 高温下含缺陷构件的失效大多是由于在蠕变情况下的裂纹扩展而造成的1 9 j a 蠕变裂纹扩展过程中包含着两种对抗的机制。一种机制是通过材料中裂纹尖 端的钝化来表征蠕变变形。这种钝化削弱了裂纹尖端的应力场，并产生延缓裂纹 扩展的趋势。另种机制则导致微观裂纹和空洞形式的蠕变损伤积累，蠕变损伤 常常在微观结构不均匀处引起空穴成核1 9 1 。空穴的成核和连接最终形成微观裂纹。 如果截面内的外加应力是均匀的，则空穴成核以及随后形成裂纹也是比较均匀发 生的。对于一个受均匀应力的试样来说，其寿命主要消耗在空穴的成核和生长上， - d , 部分消耗在裂纹扩展和相互连接上。随着这些微观裂纹和空洞的接合又会增 进裂纹扩展【孙。蠕变裂纹能否发生扩展就取决于哪一种机制占主导地位。稳态裂纹 扩展只能出现在这两种机制的效果达到平衡的条件下。 由于在高温下，蠕变成为主要因数，故原来常温下的断裂参数k 、 万就不 再是有效的控制参量，为此我们应考虑，参型引。j 是表征裂纹尖端应力应变率 场的能量率积分，它是在j 积分的基础上发展起来的能反映高温蠕变特点的参数。 文献中有的用c + 积分i i o j 2 】、有的用修正j 积分f j 31 4 j 以及蠕变j 积分1 1 5 】来表示应力 一应变率参量。 i 4 含缺陷构件评定方法研究现状 1 ，4 1 常温下含缺陷构件评定方法 目前，对常温下工作的构件缺陷结构完整性的评定方法很多，l 乎各国都有。 比较常用的有r 6 1 、p d 6 4 9 3 ：1 9 9 1 1 、b s 7 9 1 0 1 、w e s 2 8 0 5 1 、a s m e 3 和e p r i ”。 r 6 是英国中央电力局( c e g b ) 予1 9 7 6 年首次提出来的“有缺陷结构完整性评 定标准”，以塑性失稳和断裂失效为两种承载能力的判据，故亦称“双判掘法”。 其基本原理是根据失效评定图( 如图1 1 ) ，通过计算参数l ，( 塑性失稳比) 和参 数k ，( 断裂失效参数) 的值来评定构件的可靠性。 浙江工业大学硕士学位论文第6 页 。 r ：0 0 i l 】c o3 0 , 7e x p - 0 6 5l fj l l f 为i l s 处截带f 典型的“0 0 诤l 、r l 哉lz - j 、 处蕺p 一掣聱燮氍 r 、i 蜷霉 于卜 图卜1 失效评定 此标准可用以计算下列几个方面：1 对具有已知或假设裂纹的结构，计算避 免失效的极限载荷；2 在给定的受载条件下，计算结构的极限裂纹尺寸；3 在评 定条件下( 受载、温度、材料性能、裂纹尺寸等) ，根据与以上两种极限情况所作 的比较，计算安全裕度或保留因素；4 计算评定条件和分析细节( 应力强度因子 公式、屈服载荷表达式等) 对这些安全裕度和保留因素的敏感性。 p d 6 4 9 3 ：1 9 9 1 主要是针对焊接结构有缺陷时的评定方法，它是由焊接标准委 员会( w s p c ) 委托技术委员会编制的。它包括断裂评定和疲劳评定两大部分。断 裂评定分为三个级别的评定：第l 级评定是初步的筛选评定方法，它基本上与1 9 8 0 年的p d 6 4 9 3 相当；第2 级评定是主要的、新的、全面的评定方法，它利用通用失 效评定图综合考虑断裂和局部塑性失稳。比起1 9 8 0 年的p d 6 4 9 3 ，此方法对缺陷的 评估考虑的更加全面。它适用于有应力梯度和有残余应力作用的缺陷，且使评定 者有可能评定所需的安全裕度。第3 级评定考虑的范围更加广泛，但更复杂，涉 及更多的材料数据。它适用于具有高应变硬化能力的材料，或者需要分析稳定撕 裂断裂的场合。这三类评定图如图卜2a 、b 、c ：( 横坐标为塑性失稳比，纵坐标 为断裂失效参数) 浙江工业大学硕士学位论文第7 页 a 、第1 级评定图 巨 要 b 、第2 级评定图 第2 级评定评定曲线方程为： 厨弘s ，睁s e c r 浙江工业大学硕士学位论文 鲔8 页 c 、第3 级评定图 第3 级评定评定曲线方程为： k ，= ( 1 0 4 l ：) 【o 3 + o 7 e x p ( 一0 6 5 l6 r ) 图1 2 三类评定图 b s 7 9 1 0 ：1 9 9 9 包含两部分。第一部分是常温下工作的焊接结构缺陷验收评定 方法。第一部分与p d 6 4 9 3 ：1 9 9 1 的区别在于它把第2 级评定分为a 、b 两类，a 类 适用于热影响区材料的安全性评定，b 类适用于非热影响区材料的安全性评定，见 评定图( 图卜3 ) 。从图中评定曲线可知b s 7 9 1 0 考虑问题更全面、更完善。第二部 分是高温下工作的含缺陷构件寿命计算方法，这部分与p d 6 5 3 9 ：1 9 9 4 相当。 这几种方法主要评定参数为应力强度因子k ，或裂纹顶端的张丌位移量占。占 和k f 与裂纹尺寸、所受载荷、材料性能有关。通过计算k ，、占以及，、k ，或占， 从而可根据失效评定图来判定结构的完整性。 浙江丁业大学硕士学位论文 箱9 页 图1 3 b s 7 9 1 0 第2 级评定图 1 4 2 高温下含缺陷构件评定方法 对高温下工作的含缺陷结构寿命的计算方法有r 5 t 2 2 1 、p d 6 5 3 9 ：】9 9 4 t 2 3 1 、 b s 7 9 1 0 t 幅i 第二部分等。r 5 是针对核工程焊接结构完整性的评定方法，由英国核电 公司提出的，对同种钢和异种钢焊接结构的评定给出了推荐使用的评定程序。r 5 卷6 给出了在高温蠕变和疲劳条件下工作的异种焊接头( d m w ) 的评定程序。该 评定程序是一个基于实验室试验、应力分析以及服役经验的简化评定程序，适用 于在蠕变范围工作、受机械载荷和热载荷作用的对接焊管和管形构件。评定中考 虑的三种主要损伤是：一次应力作用下的蠕变用蠕变寿命分数项a 表征；与 时间无关的疲劳用疲劳寿命分数项b 来表征：二次应力松弛所造成的蠕变损 伤用寿命分数项c 来表征。r 5 卷6 在作出了一系列合理假定后，认为计及三 个主要损伤过程时，当各单独的寿命分数项的总和达到1 时，接头即失效。即： 当构件则失效时，a + 曰+ c = 1 。p d 6 5 3 9 ：1 9 9 4 是关于高温下工作的含缺陷结构 寿命计算的方法。这种方法考虑了累积蠕变破坏、累积蠕变应变、循环载荷、热 循环载荷等因素，裂纹扩展主要控制参数为，或c ，通过计算c + 和运用相关公 式来决定裂纹扩展量，从而评定其安全性。 浙江工业大学硕士学位论文 第1 0 负 1 5 高温下工作的石化装置含缺陷构件安全评定方法研究现状 石化装置的工作环境往往比较恶劣，经常要承受高温、高压等工作条件。如 加热炉和加氢反应器。加热炉是石化、发电等工业领域的重要装置，其内部炉管 由于工作需要常常要承受高温、应力腐蚀、疲劳等因素的影响。并且其在生产使 用过程中，不可避免地出现超温、超负荷等情况：另外，在和其他构件焊接时， 一般是异种钢焊接，这将导致焊缝中不可避免地存在缺陷、裂纹。恶劣的工作环 境必将引起裂纹扩展，从而导致炉管开裂，管内介质泄漏，给设备的安全生产带 来严重的隐患。加氢反应器的工作温度一般在5 0 0 - - 6 0 0 c ，工作压力在2 0 m p a 以 上。在这样的高温、高压下，势必引起材料内缺陷或裂纹的扩展，最终导致反应 器爆炸，给生命和财产带来严重的危害。为了杜绝这类事情的发生，我们有必要 编制一套适合高温石化装置的安全评定方法，以便对其进行安全评定。 1 6 本文的任务 1 从理论上，综合分析研究前人已有的研究成果，包括阅读和综合分析相关 的参考文献、研究常温、高温断裂力学基本原理，并掌握这两类断裂评定的差异 等内容。 2 对于高温下工作的石油化工装嚣常用材料，大量收集国内外石化装置常用 材料在高温下的力学性能( c r ，、e ) 、断裂性能( k 。、以、瓯) 以及蠕变裂 纹扩展率参数a 和口、蠕变应变时间曲线、蠕变断裂应力时间曲线等数据：同时， 补充做其中几种材料的高温力学性能数据测试实验，用来验证实测值和标准值的 一致性。通过整理，得到较为完善的石化装置常用材料高温性能数据集。 3 研究国内外高温下工作的含缺陷构件安全评定方法，根据我国常用材料的 特点和性能，编制一套适合我国工程实际情况的在高温下工作的石油化工装置含 缺陷构件安全评定方法。 4 按本文编制的安全评定方法，用c 语言对其具体计算过程进行软件开发， 编制一套可供工程应用的计算软件( m a c c r 1 ) 并用算例来验证该计算软件的实 用性。 浙江t 业大学硕i + 学位论文第1 l 页 第二章高温断裂力学的基本原理 2 1 线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学的基本原理 断裂力学是研究带裂纹材料或结构的强度以及裂纹扩展规律的一门学科。更 具体地况。它是运用连续体力学的原理，来研究带有缺陷的均质连续材料制成的 工程结构件的强度与断裂条件，建立一套适用于这类构件的理论分析与实验研究 的原理和方法，以确保其安全服役【5 i 。 线弹性断裂理论是断裂力学中最基本的理论。其研究对象是理想的线弹性体， 即服从胡克定律的材料。线弹性断裂理论不同于常规强度理论，后者把材料看成 是均匀、连续的理想固体，而忽略了材料内部可能存在的诸如夹渣、缩松、气孔、 裂纹等初始缺陷：但前者则正是把材料不可避免地存在有这类初始缺陷作为前提， 因而它就更符合于材料的实际情况。另外，所谓的理想弹性体，其实是一个理想 化了的模型。实际上除了如玻璃、陶瓷等极脆的材料外，一般材料特别是金属材 料在受力后，其裂纹端部总要产生或大或小的塑性变形，从而出现一个塑性区， 因此都不是理想的弹性体。所以严格说来，线弹性理论对于这些材料不能完全适 用。但是，对于诸如高强度钢材料( 0s ) 1 0 0 0 - - 1 5 0 0 m p a ) ，以及厚截面的中强度 钢( 0s ) 5 0 0 - - 1 0 0 0 m p a ) 构件( 裂纹受周边材料约束比较大) ，或低温下使用的中、 低强度钢构件( 材料存在低温脆性) 。因其裂纹端部的塑性区尺寸与裂纹长度相比 很小，因而若把它们看成为理想弹性体，而应用线弹性断裂力学来进行分析，所 带来的误差在工程计算中是允许的。当然，如果塑性区尺寸已经很大，进入大范 围屈服或全面屈服状态，那么，线弹性断裂理论就不再适用，而必须代之以弹塑 性断裂理论了。 对于各种复杂的断裂形式，总可以分解成为三种基本断裂类型的组合。这三 种基本断裂类型即为i 型断裂、i i 型断裂年h i l l 型断裂。 i 型断裂属于张开型断裂，即拉应力方向垂直于裂纹所在的平面。如长圆筒 形容器或管道上的纵向裂纹在内压作用下的破裂就属于i 型断裂。 浙江t 业大学硕卜学位论文第1 2 页 i i 型断裂属于滑移型断裂，见图2 1 所引起的断裂就属于i i 型断裂。 2 ： 图2 2i i i 型断裂 圆轴或圆形试样上的环形切槽或表面环形裂纹在受到扭转作用时发生的断裂 就属于i i i 型断裂。 在这三种断裂中，以i 型断裂最为常见，故以它为主要研究对象，其余两种 情况可以类推。 对于图2 - 3 所示的无限板，其上具有为2 a 的穿透性裂纹，当它受到均匀拉应 力。的作用时( 属于i 型加载) ，其裂纹端部( r 寸0 ) 的应力分量可以应用弹性 0 图2 - 3 受均匀拉应力的带中心穿透裂纹的无限板 豢彩 浙江工业人学硕l ：学位论殳第1 3 页 理论解得为： 盱盯届 击c o s 弘渤知剀 旷盯届 击c o s 弘s i n 争萼) = 盯历 击c o s 争扣爿 由上述的应力分量表达式可以看出，中括号内的各项只与所研究的点的位置 有关，亦即是点的位置坐标函数。而系数口翮则与点的位置无关，仅决定于载荷 及裂纹尺寸，因此它是裂纹端部区域应力场的一个公共因子。由于这一因子是决 定裂纹端部区域应力分量值的公共因素，亦即是决定裂纹端部区域应力场强度的 因素，故把它称之为应力强度因子，记为k ，。于是有 k ，= 盯；i 。 ( 4 ) 可见，应力强度因子k ，是度量裂纹端部应力场强弱程度的一个参数。 对裂纹端部区域的应力分量表达式再作进一步分析可以看出，在裂纹尖端上 ( 即r = 0 处) ，各应力分量盯，、q 都趋于无穷大。这就表明，裂纹尖端是 一个奇点。从这个意义上说，应力强度因子足，是裂纹端部应力场的奇异性强度。 由于在裂纹尖端存在应力的奇异性，因此，当带有裂纹的构件受到载荷作用时， 裂纹端部的应力就会达到很大的值，理论上可达无限大。但根据常规的强度准则， 当最大应力达到材料的屈服极限吒或强度极限时，构件就要破坏。这就表明， 若从常规强度观点来看，当构件内部有裂纹时，其承载能力就将完全丧失。显然， 这一结论是与实际情况不相符合的。恰恰相反，裂纹尖端的应力奇异性正好说明 了在有裂纹的情况下，常规的强度准则已不再适用。 既然应力强度因子k ，是裂纹端部应力场强度的度量，随着载荷o - 的增加，k ， 值也将随之增大。因此可以推断，当载荷仃增大到某一临界值时，构件就将发生 破坏。此时，应力强度因子k ，也达到了某一l 脑界值置。这样，对于带裂纹的构 件来说，其强度准则就应该是： 浙江工业大学坝十学位论立 第1 4 页 k ， k 。 ( 5 ) 实验也证明了这一推断的难确性。 大量实验表明，对于同一种材料而占，k 。，的值既与裂纹体的材料有关，也与 其几何形状及尺寸有关，但存在一个最低值。我们把此值称作材料的断裂韧性， 记为k ，因而，带裂纹构件的断裂准则就成为： k ，k n ( 6 ) 意即当裂纹端部的应力强度因子等于材料的断裂韧性时，裂纹就要扩展。此即为 i 型加载下的线弹性断裂判据。 与i 型断裂相仿，对于i i 型与i l i 型断裂，同样可以通过线弹性理论来进行分 析，以求得其裂纹端部的应力强度因子k 。和k 。来。此外也同样可以通过实验测 得各种材料在1 i 型和i i i 型加载下的断裂韧性足。和k 。来，从而得到在i i 型s n i i 型加载下的断裂判据为： k ”s k i k ( ) k m 量k ( 8 、 对于不同的几何形状和不同的载荷情况，应力强度因子的表达式也是不一样 的。对于一般情况下的i 型加载下的应力强度因子，通常可以引进一个几何形状因 子y ，而将其表示成如下的通式： k ，= y t r x z a ( 9 ) 对于那些在裂纹端部已有一个很大塑性区的大范围屈服断裂问题和全面屈服 断裂问题，线弹性断裂理论已不再适用，而必须采用弹塑性断裂力学理论来进行 分析了。目前以c o d 法与j 积分法最为普遍。 1 c o d 法 当裂纹受到垂直于裂纹线方向的拉伸时，原先贴合在一起的上、下两个裂纹 表面就将分离。从而使裂纹张开。裂纹面在裂纹顶端处的张开位移量就是所谓的 c o d 。所以，c o d 就是裂纹顶端的张开位移量，用符号艿来表示，见图2 - 4 ： 浙江t 业大学傍! 学位论文 第1 5 页 图2 - 4 裂纹顶端的张开位移 显然，随着载荷的增加，裂纹顶端的张开位移量，即c o d 值也将增大：反之 当载荷降低时，c o d 值也随之减小。换言之，一定的c o d 值将对应一定的受载 状态，亦即对应于裂纹端部的一定应力、应变场强弱程度。因此，我们就可以用 c o d 值来间接地度量裂纹端部的应力、应变场强度。 与线弹性断裂情况一样，对于弹塑性断裂，当所加的载荷达到某一定值时， 构件也将达到断裂的临界状态。此时，裂纹顶端的张开位移量艿也到达一临界值， 此值就等于材料的断裂韧性，用符号疋表示。于是，用c o d 表示的断裂判据为： d = 坑 ( 1 0 ) 并且，通过进一步证明可得到它们与k 及t k ，的关系如下： 詈= 鲥 ， 妄z 孵 2 m ， 2 j 积分法 j 积分是一个定义明确、理论严密的应力、应变场参量。它不仅适用于线弹性， 也适用于弹塑性。 j 积分有两种定义。一为回路积分定义，另一为形变功率定义。先讨论第一种 定义。 在固体力学中，为了分析缺陷周围的应力和应变场，常常采用一些具有守恒 性质的线积分，在分析二维裂纹体的裂纹端部的应力、应变场强度时，具有这种 浙江_ t 业大学顺卜学位论文 守恒性质的线积分之一就是j 积分。i ，积分的定义为： 叫卜一f 纠 ， 式中的矽是应变能密度或形变功密度，其值为： = f ”d e 。 ( 1 4 ) 如果裂纹端部地区的应力、应变场强度能由j 积分唯一地确定，那么，j 积分 就可以作为断裂判据。这样，当裂纹端部地区的应力、应变场达到裂纹开始扩展 的l 临界状态时，积分也达到相应的临界值，于是，j 积分判据即可表示为： j 墨j ，? ( 1 5 ) 在线弹性状态下，r i c e 证明了j 积分和裂纹扩展力g ，以及应力强度因子彪，之 间存在如下关系： j = g | = 1 7 k j 2 ( 1 6 ) 这就表明j 积分与应力强度因子k ，及裂纹扩展力g ，之间存在确定的关系。因而j 积分断裂判据不仅存在，而且与线弹性断裂判据k ，k k 以及能量判据g ，- g n 完 全等效。 对于弹塑性断裂，r i c e 、r o s e n g r e n 与h u t c h i n s o n 在全量理论前提下，利用，积 分线路无关性证明了裂纹端部的应力、应变场仍旧存在奇异性，而且此奇异性强 度由，积分的数值决定的。换言之，在弹塑性断裂情况下，积分仍可以作为裂纹 端部应力、应变场的度量。 由于回路积分定义的物理意义不明确，不便于用实验来进行直接测定，所以 让我们讨论另一种，积分定义，即，积分的形变功率定义。此定义可表示为： j = 一吉警+ 妒，挚 ， 式中的积分回路c 即取试样的边界围线。蔡其巩对上式进行了证明，得出这种定 义和前一种定义一样具有同样的效果，但后一种定义具有明显的物理意义：对于 浙江工业大学碗 j 学位论文第1 7 页 线弹性体，积分即为裂纹扩展力，亦即应变能释放率：对于弹塑性体而者，积 分是表示两个外形相同、裂纹尺寸相近的试件，在单调加载到相同的载荷或相同 的位移时所接受的形变功差率。 在断裂韧性试验中，由于固定面和自由面边界条件的简化，使得，积分表达式 可简化为： 扛土b k o a ) ( 1 8 ) 2 2 高温断裂力学基本原理 大多数金属材料在高温下受到应力载荷从而产生了瞬时弹性应变后，接着还 会产生一种缓慢而连续的应变，这就是蠕变。蠕变断裂包含了个潜伏期，其后 为裂纹扩展期，裂纹扩展的蔓延可以导致结构的破坏f 9 2 4 例2 6 1 。 当我们考虑第二阶段弹性蠕变时，其裂纹尖端场与弹塑性材料的裂纹尖端场 有很强的相似性【2 7 i 。对于弹塑性材料的裂纹尖端场，我们用j 积分来度量其强弱。 对于第二阶段弹性蠕变时的裂纹尖端场，我们在j 积分的基础上发展了c 积分 。它是确定弹性蠕变裂纹尖端奇异场强度的载荷参数。参考，积分表达式，c n 胤 ， 其中 d = r 剐( 2 0 ) 日 为单位厚度上的载荷p 通过相应的位移率所做的功率。在这点上c 积分可被看 作为路径无关的能量率积分。 目前有很多方法用来计算载荷参数c 以及裂纹扩展速率作为c + 函数的关系 l a n d e s 和b e g l y 2 9 1 采用了一种试验技术来确定c 。在这种方法中，针对不同 浙江工业人学硕i + 学位论立：第1 8 页 的恒定位移速率采用了多个试件。第一步，把单位裂纹平面厚度及裂纹长度上的 载荷尸作为时间的函数进行测量。第二步，正交作图表示这些数据，以便对固定 的裂纹长度产生一个作为位移速率函数的载荷。曲线下的面积为单位裂纹平面厚 度上做功速率u 。第三步，作出对应于裂纹长度的裂纹扩展速率曲线。第四步， 画出u 与裂纹长度的关系曲线，曲线的斜率即为c 。第五步，按照第三步的曲线 绘出裂纹扩展速率作为c 函数的函数关系曲线。 对于弹塑性材料，用估算确定j 的方法也可推广为从测量p a 曲线确定c 。 例如，与弹塑性断裂力学类似，假定每个裂纹尖端及每单位裂纹平面厚度上的广 义载荷p 与对应的位移速率的关系具有分离变量的形式： p=厂(d)g()(21) 其中厂( o ) 仅为几何尺寸的函数，g ( ) 是的函数而与a 无关。又因： c 一胤 ， 其中u：广pd(23) 联合2 1 、2 2 、2 3 式可得c + 的表达试为： 乳一严k - 卯磊d 、a d = 孑c ， ( 2 4 ) 其中b 为剩余韧带宽度，且 ，7 ：一鱼f 竺 ( 2 5 ) 忙一f i 瓦上 这样一来从p 一曲线确定c 的问题就成为确定玎的问题了。对于幂硬化蠕 变材料，可以有关系试： d ：旦p 门+ 1 p = c b ( a b ) 1 7 ” ( 2 6 ) ( 2 7 ) 浙江工业大学硕l 学位论文 第1 9 页 将2 7 式代入2 5 式可得：”：竺! 将2 6 、2 8 式代入2 4 式，得到： c ：尘兰丝 n + 1b ( 2 8 ) ( 2 9 ) 在有助于高温延性蠕变变形的条件下进行试验时，许多材料对切口不敏感。 在这种条件下，由于裂纹尖端的大程度钝化，裂纹尖端的奇异性没有特殊的重要 性。在这种环境下经常使用蠕变分量的标准应力分析方法。这种方法的思路是使 物体中的蠕变变形与简单蠕变试件中的变形建立联系。 w i l l i a m s 和p r i c e 3 0 3 1 3 2 瑚川1 已对很多断裂试件确立了标准应力。他们发现标 准应力实质上与蠕变指数无关，并等价于在物体内应力几乎与r l 无关的点的应力。 他们认为标准应力可近似为： ：p o y ( 3 0 0 )r。j2 了 j 故用来计算c 的关系试可变为： c = 盯可；c 仃阿炫。( 芳) 一。( 争，”) = 盯阿s c 盯可，r c 。- ， 有了c + 的表达试，再根据第五步所述的裂纹扩展速率与c 的函数关系式，我 们就可以计算出在一定时间里裂纹的扩展量。从而就能以此扩展量为依据进行断 裂评定和估计将来寿命。 2 3 结论 本章对常温、高温断裂力学基本原理进行了比较系统的分析，研究了这两类 断裂评定的差异。在评定常温断裂时，首先考虑当前裂纹会不会扩展，即评定构 件目前是否安全：如构件受到疲劳载荷的作用，则我们还应考虑由疲劳引起裂纹 扩展( ( d a d n ) ，) 的情况，即评定构件将来某一时间是否安全。在评定高温断裂 时，我们先评定构件目前的安全性，接着，由于构件产生高温蠕变，随着时间的 浙江 i 业大学砸i j 学位论殳第2 0 负 推移，蠕变应变逐渐增大，同时，裂纹尖端的塑性变形也越来越大，此时，裂纹 就会扩展( d a d t ) ，故我们要评定其在将来某个时候是否仍旧安全。如构件发生 高温蠕变的同时还受到疲劳载荷的作用，则我们在评定其在将来某个时候的安全 性时，应考虑山蠕变、疲劳交互作用所引起的裂纹扩展。 从分析比较可知，构件的蠕变或蠕变疲劳相互作用引起的断裂评定比常温下 的断裂评定要复杂的多。 柏f 江t , j k 尺学坝l 。学他论艾 3 1 引言 第三章石化装置常用高温材料有关性能数据 石化装置多数属于压力容器，它们的工作环境比较恶劣，经常要承受高温、 高压等： 作条件，如加热炉和加氢反应器等。加热炉足石化、发电等工业领域的 重要装置，其内部炉管由于工作需要常常要承受高温、应力腐蚀、疲劳等因素的 影响；加氢反应器的工作温度常常在5 0 0 。c 以上，还要承受氢腐蚀和高压。在如此 苛刻的工作环境下，对容器材料的要求就比较高，比如要求材料耐热、抗氢或硫 腐蚀等。 目前，可用于制造高温、高压压力容器的钢种很多，如1 6 m n r ，0 9 m n 2 v r ， 1 5 m n v r ，1 6 m o ，1 2 c r m o ，1 5 c r m o ，2 5 c r 2 m o v ，3 5 c r m o ，1 4 c r l m o ，1 2 c r l m o v ， 1 c r 5 m o ，1 c r 9 m o 等，但在石油化工行业中常用的材料主要有1 c r 5 m o ，1 c r 9 m o ， 4 c r 2 5 n i 2 0 ，1 2 c r 2 m 0 1 ( 2 2 5 c r - l m o ) ，1 4 c r l m o ( 1 2 5 c r 一0 5 m o ) ，3 0 4 ，3 0 6 l 等几 利，。 为了能对在高温下工作的石化装置含缺陷构件进行安全评定，我们需要它们 在高温下工作时的材料性能数据，其中包括o2 屈服强度( 盯。2 或盯，) 、强度极限 ( 巩) 、弹性模量e 、蠕变应变一时间曲线、断裂应力一时间曲线、和断裂韧性 ( k 。或瓯) 。本章收集了大量有关这方面的数据，并且还对某几种常用材料补做 了高温力学性能数据测试实验，以便验证实测值与标准值是否