[发明专利]一种高铬钢材料热力学响应及疲劳-蠕变损伤的预测方法

说明书

本发明公开了一种高铬钢材料热力学响应及疲劳‑蠕变损伤的预测方法；其包括本构模型建立、材料参数确定、数值积分算法设计以及损伤分析等。与现有技术比较，本发明能准确模拟高铬钢材料在不同加载条件下的热力学响应，并能对材料的疲劳、蠕变以及疲劳‑蠕变的交互损伤进行分析。这将为运行在复杂多变环境下的超临界发电机组构件的寿命预测和安全设计标准提供更为合理可靠的理论模型。

技术领域

本发明涉及高温高压构件在超临界发电机组中使用时的安全设计与剩余寿命预测技术领域，尤其涉及一种高铬钢材料热力学响应及疲劳-蠕变损伤的预测方法。

背景技术

为保障发电机组中的高温高压构件安全稳定运行，构件通常采用抗蠕变合金材料制造。其中高铬钢作为一类新型抗蠕变合金材料，在高温高压条件下具有优良的性能，目前已被广泛应用于超临界电厂的高温高压设备制造中，并被视为制造下一代超超临界发电机组的理想材料。

在高温和复杂加载条件下，高铬钢构件将面临着蠕变、疲劳和氧化腐蚀等不同机制所诱导的损伤问题。科研人员对高铬钢材料的高温蠕变性能和低周疲劳特性都进行了系统的实验研究[1-12]。根据实验结果，可观察到高铬钢材料的高温蠕变具有下述主要特征：1)整个蠕变过程可分为三个阶段，分别为瞬时蠕变、稳态蠕变和加速蠕变阶段[1]，其中稳态蠕变阶段发生在达到最小蠕变率时，持续时间最长；2)材料的最小蠕变速率与应力在一定的应力范围内，在对数坐标中呈线性关系[3,4]；3)平均蠕变断裂时间与应力在一定的应力范围内，在对数坐标中呈线性关系[3,4]；4)高铬钢材料焊接件的蠕变强度远小于其母材的蠕变强度，因此发电机组构件焊接部位的第Ⅳ型蠕变断裂将威胁到设备的总体安全运行[6]。对于高铬钢材料的低周疲劳损伤，研究人员对其在周期载荷条件下的热力学响应也进行了系统的测量，并开展了部分复杂载荷条件下的实验研究。Kim and Lim[7]深入分析了P92钢焊接件在周期梯形波载荷作用下的断裂属性。Marek et al.[8]测量了高铬钢在同相和不同相热力载荷作用下的疲劳寿命。Fourier et al.[9]对不同的高铬钢材料在蠕变-疲劳交互作用下的热力学响应进行了测量和比较。Junak G and Ciésla[10]研究了P91和P92钢在变幅周期载荷条件下的低周疲劳属性。Saad[11]通过恒温循环、加载-停留、热力疲劳等实验，对P91和P92钢的循环塑性应变属性进行了系统的研究。Cui et al.[12]研究了瞬态温度变化对高铬钢疲劳属性的影响。