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1、硕士学位论文高温蒸汽环境对电站锅炉管材料应力腐蚀裂纹扩展影响研究The Role of High Temperature Steam on SCC Crack Growth Rate of Boiler Tube Material in Power Plant年 月II硕士学位论文高温蒸汽环境对电站锅炉管材料应力腐蚀裂纹扩展影响研究硕士研究生：导 师：申请学位：工学硕士学科：动力工程及工程热物理专业：热能工程所 在 学 院：能源动力与机械工程学院答 辩 日 期：年 月授予学位单位：华北电力大学华北电力大学硕士学位论文摘 要 金属材料高温下的性能是限制先进超（超）临界机组发展的关键问题，其中锅炉
2、管材料在极端高温高压超临界水环境中的应力腐蚀开裂问题尤为关键。在极端恶劣工况下，一旦结构材料发生开裂问题就会导致严重的安全事故，直接影响发电机组的安全可靠运行。因此，着手研究锅炉管材料在高温蒸汽环境下应力腐蚀裂纹裂纹扩展的影响机理十分必要。论文对镍基合金Inconel 625在700、725、750下，溶氧量08000ppb高温蒸汽环境进行了两组应力腐蚀裂纹扩展试验研究，采用恒应力强度因子力学加载，并利用直流电位降法（DCPD）对开裂速率进行在线监测。实验结束后将试样拉断，利用扫描电镜SEM观察断口微观形貌。实验结果表明，镍基合金Inconel 625 试样断口均呈现出典型沿晶应力腐蚀开裂形貌
3、。温度升高、溶解氧含量增大均加速了裂纹扩展的进程，溶氧量小于4000ppb时，裂纹扩展速率变化较为缓慢；当溶氧量从4000ppb增加到8000ppb时，裂纹扩展速率急速上升。高温蒸汽中试样的裂纹扩展速率略高于高温空气，并且在温度越高的情况下，蒸汽环境相比于空气环境中裂纹扩展速率的倍数越小。在裂尖应变理论基础上，以高温氧化作为裂纹扩展的控制因素之一，对镍基合金Inconel 625裂纹CGR进行模型推导，分析了不同模型中材料裂尖应变的敏感度。并在700、750空气、蒸汽条件下，对材料裂纹扩展速率进行计算。发现温度和介质环境均加速了裂纹扩展的进程。同时，将实验结果与理论计算结果对比分析，发现基于G
4、ZH模型下实验数据点很好地贴合理论曲线，并且不同的温度条件下，同种材料裂纹尖端处的特征长度r0均存在不同的最佳值。关键词：锅炉管材料；高温蒸汽；裂纹扩展速率；应力腐蚀开裂研究AbstractHigh temperature performance of metal materials is the primary problem of the development of advanced ultra-supercritical units. And stress corrosion cracking(SCC) of boiler piping materials operating in s
5、upercritical water environment is especially critical. The structural material cracking problem can lead to serious safety accidents under extremely atrocious conditions, which directly affect the safe and reliable operation of the generator unit. Therefore, it is necessary to study stress corrosion
6、 cracking mechanism of boiler piping materials in high temperature steam environment.In this paper, a SCC crack growth rate test on a compact tension specimen of nickel based alloy Inconel 625 was conducted in high temperature steam at 700, 725, 750, respectively. The dissolved oxygen content was co
7、ntrolled at 08000ppb. The crack growth rate during the test was measured using direct current potential drop (DCPD) technique. After the test, specimen were snapped and observed by scanning electron microscope(SEM). The results showed the fractures of all specimens presented typical intergranular st
8、ress corrosion cracking morphology. The crack growth rate was increasing with the temperature improved. So as with the dissolved oxygen (DO) content. When the DO content was under 4000ppb, the crack growth rate increased with the increasing of the dissolved oxygen, but when the DO content was more t
9、han 4000ppb the increasing rate slowed down. And crack growth rate of metal in high temperature steam was a little more than that in high temperature air. In the case of the higher temperature, steam environment compared to air environment in multiples of crack growth rate was smaller. At the crack
10、tip strain theory, based on the high temperature oxidation, as one of the control factors of crack propagation, the nickel base alloy Inconel 625 crack growth rate model was derived, analyzed the sensitivity of the crack tip strain of material in different models. The crack growth rate at 700 and 75
11、0 was calculated for the materials under the condition of air and steam, the results showed that both temperature and steam environment accelerated the process of crack propagation. Meanwhile, compared with experimental data, the model based on GZH was well joint theoretical curve. Besides, the opti
12、mal values of characteristic length of crack tip r0 was quite different at different temperature.Keywords: boiler tube material，high temperature steam，crack growth rater，stress corrosion cracking studies47华北电力大学硕士学位论文目 录摘要IABSTRACTII第1章 绪论11.1 研究背景11.1.1 先进超超临界机组发展11.1.2 先进超超临界机组高温部件应力腐蚀开裂问题及危害21.2
13、国内外研究现状31.2.1 国外应力腐蚀研究现状31.2.2 国内应力腐蚀研究现状51.3 应力腐蚀开裂机理简述51.3.1 应力腐蚀开裂51.3.2 应力腐蚀理论模型71.4 本文主要研究内容10第2章 应力腐蚀裂纹扩展实验方案设计112.1 直流电位降法测量原理112.2 实验回路设计112.2.1 水化学回路系统112.2.2 加热控制系统132.2.3 力学加载系统142.2.4 数据采集系统152.3 实验材料和实验步骤162.3.1 实验材料162.3.2 实验步骤172.4 本章小结19第3章 高温蒸汽环境裂纹扩展实验结果讨论203.1 Y1-Inconel 625应力腐蚀开裂实
14、验结果与分析203.1.1 裂纹扩展速率结果分析223.1.2 温度对裂纹扩展行为的影响233.1.3 介质环境对裂纹扩展行为的影响253.2 Y2-Inconel 625应力腐蚀开裂实验结果与分析263.2.1 裂纹扩展速率结果分析283.2.2 溶氧量对裂纹扩展行为的影响283.3 本章小结31第4章 应力腐蚀裂纹扩展速率模型计算324.1 基于不同裂尖应力场的裂尖应变模型324.2 基于裂尖应变理论的裂尖应变速率公式理论推导344.3 力学与环境氧化交互作用下的裂纹扩展模型计算354.3.1 基于氧化动力学的裂纹扩展模型推导354.3.2 裂纹扩展速率预测计算364.3.3 实验数据对比
15、394.4 本章小结40第5章 结论与展望415.1 结论415.2 展望42参考文献43攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果48致谢49华北电力大学硕士学位论文第1章 绪 论1.1 研究背景在全球工业发展新浪潮的快速推进环境下，人们对能源的需求骤然增加。21世纪以来，风能、太阳能、生物质能、核能等新能源技术得到很大改进，但仍存在一定的技术问题，新能源技术的发电总量远远不能满足我国对电力的需求。有关统计表明，截至2014年底，我国的发电装机容量13.6亿千瓦，同比增长8.7%1。其中，我国发电装机容量中火电为9.15亿千瓦(含煤电8.25亿千瓦、气电0.55亿千瓦)，占全部装机容量的67.4%，比2013年降低1.7个百分点2。燃煤发电在未来很长时间以内依旧是我国电力供给的主要路径。但是燃煤发电带来的环境问题不容忽视，大量CO2的排放成为全球变暖的关键因素，以及SO2、粉尘对人体健康造成了严重的影响等等。国民经济的发展与资源环境之间的矛盾愈发突出，如何实现燃煤电站节能降耗具
