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1、结构强度研究高温结构蠕变与断裂评价的若干关键问题涂善东?华东理工大学承压系统安全科学教育部重点实验室,上海?摘要?本文简要介绍了现代高温装置的发展现状,认为高温装置的安全保障是后工业文明时代所无法回避的问题。为了实现重大高温装备的设计制造和安全运行,文中提出要致力研究高温材料蟠变老化过程的物理化学动力学机理、拘束下的高温断裂理论,建立多损伤机制下的高温结构失效评价方法。?离温装? 的安全性一后工业文明时代无法回避的问题?世纪?年代,原油价格大涨导致了世界性的能源危机,迫使人们对传统社会经济发展模式进行了反思,经济、高效的理念和原则在现代工业装置设计与运行中日益受到重视,进而导致了发电、石油、化
2、工的工艺向着高温、高压和大型化趋势发展。进入?世纪以来随着能源短缺、环境恶化问题的日益严竣,可持续发展成为人类共同的理念,进一步促进了相关工艺向更高参数发展,以提高装置的效益,达到节约资源和保护环境的目的。当前典型高技术工艺过程的温度与压力如表?所示。表?典型高技术工艺过程的温度与压力冬川超超临界电站高温气冷堆核电站乙烯裂解制氢转化炉石油炼制航空发动机技术煤汽化与液化固体氧化物嫩料电池? ?熔盐碳酸盐燃料电池? ?单机组的功率已达?以只 】?,蒸汽温度采用? ?一?,压力达?一?堆芯出口温度在?伽旧以上炉管最高设计温度达到? ?,压力为? ?田?炉管设计温度为驯扣,压力达? ?加氢反应装置的温
3、度达? ?,压力可高达? ?,?推重比? ?以上的发动机,其涡轮前进口温度最高达? ? ?汽化温度? ? ?,液化温度一? ?,环境?氢、水蒸汽、一氧化碳、硫化氢、固体微粒电池在? ? ? ?工作,启动、关闭和负载波动时产生的相当大的热应力如果以瓦特时代第一台蒸气机的操作温度?略高于? ?开始将机器的典型工作温度相对于时间作一条曲线,如图?所示? ? ,我们可以看出人类的现代文明史?工业文明?,实际上也是机器工作温度不断升高的历史。进入? ?世纪人类后工业文明的时代,装置的温度、压力和腐蚀环境更加严苛,导致生产装置的风险增大。己有高温装置的诸多事故教训? ? ,刀,使人们认识到如不能很好保障高
4、温装置的安全性,上述高技术工艺过程也就无法实现。因此可 以说高温装置的安全可靠性是后工业文明时代所无法回避的问题。结构强度研究? ?一一一成石石 匕匕燮些引丁丁 ? ? ? ? ?湮湮习? ? ? 一一, 盔尹生? ? ?二二二名舀一一一一一? ? ?一? ?甘?曰? ? 驴肠芭, 甘?艺日肖? ? ? ? ? ?叮图?机器操作温度的演变历史实现上述提及的高参数是对科学家和工程师们提出的严竣挑战?对于高压问题,在经典的强度理论和先进计算机技术的支持下,一般承压设备的强度设计得到了很好的保证,人们已可以较少担忧高压所带来的威胁。但是比之于高压技术,高温所带来的问题则要复杂的多,如高温下材料的损伤
5、或老化是随时间而渐变的过程,因此高温构件的破坏预测涉及时间尺度和空间尺度?尺寸?外推的双重复杂性,尤其是负荷波动、环境复杂的条件下,有多种损伤机制交互作用,目前还缺乏足够的支持数据和合适安全评价方法。常规的结构安全性评定规范没有考虑高温环境下结构失效机制的特点,因而不能用于高温结构的完整性评定。美国机械工程师协会? ? ?年发行的?州田 ? ? ? ? ? ?后称为? ? ? ? ?,? ?年经增补修订后改为? ?,? ?年纳入规范正文? ? ?是世界上第一部有关高温结构设计的标准。但其总体上是基于经典强度理论,套用传统设计方法,缺乏精确寿命预测模型或长时蠕变试验的支持,也没有纳入现代高温断裂
6、理论和结构失效评价方法,因此也不可能解决高温装置使用 中的寿命与安全性问题。目前许多高温工程项目正在我国大规模建设,仅超超临界电站,截至? ?年底,发电设备制造企业承接和投标的以沁?等级超超临界机组? ?台,?刃? 超超临界机组? ?台,已有?台? ?力?超超临界机组投入商业运行,这种建设规模与速度是世界上其他国家所难以想象的,然而今后给我们带来的挑战与压力也是不言而喻的。?高温材料长时峨变寿命的预测问题高温条件下,材料的损伤或老化是时间相关的过程,如何预测高温材料长时间运行后的损伤和剩余寿命是工程中必须解决的问题。亦即?人们在实验室里进行的试验一般都在数千小时至数万小时,而实际高温构件一般要
7、服役? ?年一? ?年以上乃至更长时间,那么如何应用有限时间内得到的结果来预测? ?,的? ?, ? ? 小时后材料的状态呢?传统的方法是基于? ? ? ?方程及 由此导出的外推参数,如? ? ? ?参数。长期的实践表明,这一方法对于部分高温材料在? ?,的?小时以内的外推 尚有一定的精度,但对更长时间的寿命外推,就可能造成数倍乃至数十倍的寿命预测误差。如图?所示为铁素体热阻钢在高温下长期运行后强度 降低的示意图? ? ,材料运行? ,? ?小时后,其强度发生非线性的下降,这是一般线性外推方法所难以预测的。阿累尼乌斯? ? ? ? ? ? ? ? ? ?是? ?年的诺贝尔化学奖得主,基于大量实
8、验研究,他提出了反应速率常数与温度之间关系的经验公式,该式在均相反应 中几乎适用于所有的基元反应和大多数复杂反应【,? ?川。其假定宏观表征量指前因子和活化能,在适用温度范围内一般为恒定结构强度研究值。其物理意义分别由碰撞理论和建立在统计力学、量子力学以及物质结构之上的活化络合物理论解释。? ?年后的今天,我们不得不要质疑? ? ?公式用于描述材料慢速老化过程的合理性?,?。? ?叩? ? ? ? 从? ?哪。? ? !仰? ? ? ?川?口心陀?叭 ?城已? ?,二气?罗?忍厉 扭? ? ?几? ? ? ? ? ?吻? ?图?铁素体热阻钢长期运行后强度降低的示意图? ? ? ?公式的提出是针
9、对化学反应体系的,从本质上说,材料的损伤或老化过程也是一个化学反应过程,只是在时间尺度上,它是发生在兆秒乃至千兆秒?或? ?天到? ?年?的超慢速化学动力学过程。在高温材料里发生的微观组织的变化实际上是慢速化学反应形成新的产物的过程川】,图?中高温强度在一定寿命后 的下降可以归结为是慢速化学反应的结果。但是材料的损伤或老化过程不是简单的基元反应,而是由一系列不同势垒高度的复杂反应组成的。材料老化时的活化能是由组成复杂反应的基元反应对整个反应 的相对贡献 的大小决定的。材料老化过程中势垒高度随时间变化而变化,同时材料的结构发生变化。从能量角度来描述反应速率,应考虑原子自由运动或有驱动力时的自由运
10、动的影响,以及 由随机移动导致的势垒高度、粘度、? ? ? ?交叉势垒等参量的变化。因此材料老化过程中的活化能是温度? ?与时间的函数,这与经典?行? ?方程的推导前提相悖离。另外,材料的老化过程是发生在兆秒到千兆秒的时间尺度范围内的,而? ? ?方程描述的反应发生时,分子振动在飞秒级时间尺度内发生。即使振动?护步,也仅达到纳秒级时间尺度。这与老化发生的时间尺度相差极大。那么? ? ? ?方程是否还适于分析时间尺度不同的材料老化过程,则需要进一步深入的理论研究与实验验证。再者,不 同的慢速变化过程有不同的动力学机理。变化可能是由一级反应,也可能是由不同时间尺度的多级反应组成的。? ? ? ?方
11、程可能适用于某一级反应,也可能对每级反应均不适用。加之高温材料使用时的应力场与化学场 的祸合交互作用【”?,进一步增加了材料老化过程的动力学研究的复杂性。在? ? ? ?方程提出一百余年后的今天,虽然各国的科学家在材料老化的动力学研究方面取得了一定的进展,但对这种慢速或超慢速的化学过程,还没有从根本上解决反应速度的准确计算,尤其是针对高温材料的寿命预测,目前还有许多基本问题尚未解决。如?在时间尺度上,原子水平的飞秒级反应与长达数天、数年的损伤老化过程如何联系在一起?是否可以不改变反应机理,而对老化的慢速过程进行一定的加速?在空间尺度上,老化慢速过程的反应子空间是否可 以在原子或分子水平上辨识
12、出来?在时间尺度与空间尺度上是否有一定的关联?在外因方面,材料承受的应力应变场是如何改变势垒高度,从而加速其老化的化学动力学过程的?实验设备方面,可否开发一种具有高灵敏度和高选择性的仪器,对材料老化过程中的反应物质进行在线的分析与鉴别,从而为明晰反应机理奠定基础。目前的研究现状严重结构强度研究制约了高温材料长时服役性能的预测和相关装备的安全保障。此类问题的解决将有利于实现资源的合理利用,同时使物理化学理论提升到一个新高度,进而推进相关领域的研究进展。?高温断裂理论的发展及存在问题在上世纪? ? 末,人们对材料与结构的高温力学性能进行了大量的研究,承受静载的高温构件的传统设计方法通常是依据光滑试
13、样在恒定载荷作用下获得的蠕变及蠕变持久强度指标。这种设计方法对于不含裂纹的构件而言,基本上是令人满意的。然而由于高温装置制造过程复杂,缺陷检测困难,同时高温材料普遍缺乏长时间试验的强度数据,为此在设计和运行时必须考虑其损伤容限。为此高温断裂力学理论得以发展。用断裂力学方法研究蠕变条件下的裂纹扩展是? ?年由? ? ? ? ? ?等开始的? ? ?,到? ?年? ?等人的文章发表后引起了更多的关注?,刀,面向高温失效控制与时间相关的断裂理论? ? ? ?声? ? ? ?玲? ? ? ? ? 逐渐得以建立。在蠕变裂纹的扩展过程中,特别是在裂纹尖端的小塑性区内,不可避免地要受到与时间相关的非弹性变形
14、和材料的组织变化等因素的影响,从而使问题变得比较复杂。在裂纹尖端,可以通过等时应力一应变曲线的概念定义蠕变区域,尽管区域内外蠕变变形均有发生,但区域内的蠕变变形是主导的,而区域外的蠕变变形速率甚小。随着时间的进一步增加,蠕变变形将发展到整个构件,达到一个稳定的状态,即继续发生蠕变而应力状态维持不变,随着蠕变损伤的进一步累积导致蠕变开裂,此后蠕变区域又在一个新的裂纹尖端发生,蠕变区域在原来基础上进一步增大。为 了描述高温下蠕变裂纹的扩展规律,不少学者均作 出了贡献。早期的研究工作采用过净截面应力,弹性应力强度因子?,以及弹塑性?积分等来关联蠕变裂纹扩展速率,但所得结果分散性大,说明它们在时间相关
15、的断裂过程 中不是一个与材料性质唯一相关的量,因而无法描述试样上的裂纹扩展,更不能用于结构断裂行为的预测【,? ?。对于大范围蠕变的情况,可以和塑性时的裂尖应力场作类比,于是蠕变时的裂尖应力应变场亦可表示为?型? ? ? ? ? 。裂尖应力场强度参量?则类同于弹塑性断裂中的与路径无关回路积分? ? ? 。在大范围蠕变的条件下,? 可以根据试样的变形测得。对于许多实验室的试样,在主要的试验时段内,作大范围蠕变条件的假设均可能是适合的,但是有些高温下工作的构件在其设计阶段便充分考虑了蠕变抗力,足 以抵抗大范围的蠕变,因此其裂纹扩展就未必符合大范围蠕变条件的要求,特别是对投用时即存在的裂纹,其扩展总须经过小范围蠕变阶段。在小范围蠕变时,裂纹体裂尖的近场解和稳态解并无大不相同? ? ?,裂尖的应力和应变率场也是? ?型的,但力场强度不能由稳态时的?所描述,需用 ? ? ?来表示之,? ? ?值随时间而变化。? ? ?的一个严重不足是无法像?, ? ?一样可以根据实验测得的加载线位移速 率换算得到。为此,?将? 积分的概念推广至小范围和过渡区的蠕变,提出了?参数【? ? 。在大范围蠕变时,?
