2.吉林省吉林市中国石油吉林石化分公司,长春 132021）
摘 要：复杂环境下锅炉受热面的失效机理及寿命预测，既有可预测的规律性，也有不可预测的随机因素。因此针对复杂应力多物理量耦合下材料的高温蠕变损伤、微观损伤机理、氧化皮生长等相关科学问题的研究，将对我国超临界燃煤机组的安全经济运行提供理论依据。
关键词：复杂环境；锅炉；受热面；失效机理
复杂环境下锅炉受热面的失效机理研究是燃煤锅炉受热面安全运行及寿命评估的核心，问题复杂且涉及学科众多，一直是国内外研究的热点及难点。高温蠕变方面，国内外对材料的单轴实验已经积累了大量的成果，但是对于多轴应力状态下的蠕变失效的机理研究甚少，致使理论模型难以与实际运行工况相符合。
1 蠕变概述
蠕变是材料在保持应力不变的条件下应变随加载时间而增大的现象，发生蠕变的温度因材料不同有很大的差异，通常不大于0.3-0.4倍的溶化温度。蠕变过程大致可以分为3个阶段，即蠕变第一阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段。材料在蠕变过程中，微观组织也在发生着明显的变化，蠕变过程的三个阶段，不同的蠕变机制单独或耦合作用，最终导致材料的失效。通常情况下，蠕变机制可分为扩散和位错两种。扩散蠕变理论的第一种形式为Nabarro-Herring，大多发生在高温度低应力水平下，晶体内的空位沿平行于应力晶界面的方向扩散，大量原子聚积在垂直于晶界面的面上；扩散蠕变理论的第二种形式为Coble蠕变，多发生在低温低应力下，原子沿晶界扩散使得、晶粒沿应力方向被拉长。位错蠕变理论主要是山于滑移面上的位错移动使得材料发生性变形，位错蠕变很大程度上取决于加载应力。
2 蠕变寿命损耗机理分析
材料微观机理的研究最终统一到对蠕变本构模型的研究中去，纵观国内外学者的对蠕变本构模型的研究，大体可以分为三种：经典塑性力学、孔洞长大理论和连续损伤力学。
2.1 经典塑性力学
在高温构件强度设计和剩余寿命评估方面，经典塑性力学发挥了巨大的作用。HaiTy和Spence把蠕变应变描述为应力、时间和温度的函数，为以后蠕变本构模型的描述打下基础，其中Norton的应力指数方程得以广泛使用。多轴蠕变的实验结果表明各向同性均质物体的蠕变是剪切应力主导的过程。
2.2 孔洞长大理论
从微观上看，材料中总是存在一定的缺陷，如点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷，即空位、位错、晶界、孔洞、夹杂等。高温下靭性材料的破坏通常被认为是孔洞绕夹杂物或第二相粒子形成、长大和聚合的结果。Cane等认为，孔洞的长大在材料蠕变时效中占据主导地位，即在高温构件失效的整个过程中，孔洞长大经历的时间要远远大于孔洞的形成与聚合。：》Hull与Edward指出，夹杂粒子与基体的聚合力小，在外力的作用下夹杂物与基体分离后发展成为孔洞。Edward认为，品界滑移是造成孔洞聚合的因素之一。孔洞生长机理可分为三种：扩散控制孔洞生长、塑性控制孔洞生长和受约束孔洞生长。Hull等提出，孔洞生长速率受到孔洞形状和扩散过程的影响，孔洞生长率由空位化学势梯度决定。Hales总结出孔洞生长机制对断裂时间和应变影响的完整描述。
2.3 连续损伤力学
损伤过程是不可逆的热力学过程，损伤材料存在一个应变能密度和耗散势。材料在微观层面上是离散的，中间有很多的夹杂物、第二项粒子或孔洞。连续损伤力学是将具有离散结构的损伤材料理想为连续介质模型，以不可逆热力学为基础，在材料的蠕变本构模型中引入损伤变量，描述从材料内部损伤到出现宏观裂纹的过程，唯象地导出材料的损伤本构模型，达到对高温部件断裂应变和寿命进行预测的目的。Kachanov于1958年首次提出了连续损伤力学的概念，Rabotnov在此基础上提出了有效应力的概念，即损伤出现后有效承载面积变小，使得有效应力增大，将损伤与应力应变关系耦合，得出可以描述蠕变加速阶段的K-R本构模型。连续损伤力学的发展使得数值模拟损伤演化过程成为可能，通过模拟，可以获得蠕变实验无法提供的应力应变位移数据，为分析蠕变损伤机理发展奠定基础。
由于几何尺寸、载荷和热约束的影响，实际工程构件多受到多轴应力状态。为了描述实际构件的蠕变失效行为，需要将单轴蠕变本构模型推广到多轴蠕变状态。对于多轴本构的描述可以归纳为两大类：一类是含单个变量的多轴蠕变损伤本构模型，该损伤变量不区分不同微观损伤机理，是材料退化的一个总括；一类是含多个损伤变量的多轴蠕变损伤本构模型，以区分不同的蠕变损伤机理的影响，能够更好的描述材料高温蠕变失效机理。
对于单变量多轴蠕变本构模型，可分为两种：Lemaitre本构和Kachanov-Rabotnov本构。前者基于Lemaitre的不可回复热力学理论，后者则是直接将经典的Kachanov-Rabotnov单轴本构推广到多轴蠕变状态，即把单轴应力状态下的控制损伤增长的作用应力替换为受最大主应力和von-Mises应力共同作用的等效应力。王飞等以Lemaitre模型为基础，对工作在650℃下的某航空发动机用高温钛合金材料IMI834的高温蠕变和蠕变断裂行为进行了研究，研究结果表明多轴应力状态加速了蠕变损伤的累积，从而降低了材料的蠕变断裂寿命。Kwon利用K-R模型研究Durehetel055和2.25CrlMo钢在550℃下的蠕变断裂行为，研究发现控制Duretel055钢的多轴断裂应力准则是等效应力和骨点应力共同控制。Chen利用K-R模型及ABAQUS有限元软件对0.5Cr0.5Mo0.25V铁素体钢弯管和三通在530℃的蠕变应变容限进行了分析，研究发现ASME Code Case N-47规范有时偏于保守，有时偏于危险，理论上讲，三通达到使用年限时应该进行更换，而弯头的使用寿命可以适当延长。这一结论对于在役高温构件的安全评定和寿命预测有着非常重要的指导意义。
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