考虑拘束效应的高温下含缺陷P92管道寿命评估方法研究

摘要

拘束效应是影响含缺陷结构在高温下裂纹起裂和扩展的重要因素。裂纹深度和结构几何尺寸的变化都会引起裂纹尖端拘束效应的变化，从而影响含缺陷结构的剩余蠕变寿命。因此研究拘束效应对蠕变裂纹扩展的影响，建立考虑拘束效应的寿命评估方法，对保证高温下含缺陷结构的安全运行具有重要意义。本文以超超临界火电机组用钢P92钢为研究材料，结合试验手段以及数值模拟技术，定性和定量的研究了拘束效应对蠕变裂纹扩展的影响。
　　利用小冲孔蠕变试验技术，通过和相应的单轴蠕变试验结果进行对比，建立了小冲孔蠕变的载荷和应力以及挠曲变形和应变之间的转换关系，获得了P92钢焊接接头各微区如母材、焊缝金属、粗晶区和细晶区的蠕变性能。
　　采用初始裂纹位于焊接接头不同微区的蠕变裂纹扩展试验，获得了P92钢各微区抗蠕变裂纹扩展能力，得到了蠕变裂纹扩展速率和高温断裂参量C*的关系。在相同的C*值下，最大的蠕变裂纹扩展速率出现在细晶区中，细晶区的蠕变裂纹扩展速率值是母材的2倍左右，主要和这个区域具有比较低蠕变强度和较高的拘束程度相关。
　　基于蠕变连续损伤力学，开发了蠕变裂纹扩展数值模拟技术。有限元计算的裂纹扩展情况和试验结果相一致，还清楚的反映了裂纹扩展过程中裂纹尖端区域蠕变损伤、应力以及应变的变化情况。
　　利用不同裂纹深度以及不同几何尺寸的试样进行了蠕变裂纹扩展试验，结果表明：裂纹深度以及试样几何尺寸变化引起的拘束效应，对蠕变裂纹扩展速率a和C*的关系具有重要影响。随后，利用蠕变裂纹扩展数值模拟技术，获得了不同裂纹深度以及不同几何尺寸试样，在蠕变裂纹扩展过程中裂纹尖端应力以及拘束参量Q的变化情况。建立了基于C*-Q双参量法的修正的蠕变裂纹扩展速率预测方法。与单参量C*的预测结果相比，在同样的C*值下，双参量预测的蠕变裂纹扩展速率值和试验结果具有较好的一致性，可以用来为含缺陷结构提供更准确的剩余蠕变寿命，保证其高温结构完整性。

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第一章 绪论

1.1课题研究背景

1.2高温构件寿命预测的现状

1.3拘束对裂纹扩展的影响

1.4有限元技术在蠕变裂纹扩展应用

1.5焊接接头微区的蠕变性能测量

1.6本文研究内容

第二章 P92钢焊接接头各微区蠕变性能

2.1小冲孔蠕变试验

2.2小冲孔蠕变试验结果及分析

2.3小冲孔蠕变有限元分析

2.4焊接接头各微区的蠕变性能

2.5小结

第三章 P92钢焊接接头各微区的蠕变裂纹扩展性能

3.1蠕变裂纹扩展试验

3.2蠕变裂纹扩展的试验结果

3.3焊接接头各微区蠕变裂纹扩展性能的表征

3.4小结

第四章 蠕变裂纹扩展数值模拟技术

4.1三维的蠕变裂纹扩展数值模拟技术

4.2二维的蠕变裂纹扩展数值模拟技术

4.3基于理论模型的蠕变裂纹扩展速率预测方法

4.4小结

第五章 拘束效应对P92钢蠕变裂纹扩展的影响

5.1裂纹深度引起的拘束效应对蠕变裂纹扩展的影响

5.2试样几何尺寸引起的拘束效应对蠕变裂纹扩展的影响

5.3考虑拘束效应预测蠕变裂纹扩展行为的讨论

5.4本章小结

第六章 结论

参考文献

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