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石油化工、航空、航天和核电等高技术部门中均有大量的装备在高温环境下工作,长期的服役引起设备和管道材料力学性能一定的劣化,如何评估材料的服役状态及预测在役高温构件的剩余寿命等问题成为亟待解决的难题。由于传统的无损检测方法和取样试验方法都存在很大的局限性,特别是针对一些不便取样在役构件或焊缝、热影响区等难于取样分析的场合。
小冲孔蠕变试验,又称微型圆片弯曲试验,是一种利用微型试样进行试验从而获取材料高温力学性能的新型方法,它兼具无损(半无损)和取样简便双重优势,在众多领域获得了广泛的应用。但目前国内外关于如何应用小冲孔蠕变试验技术预测在役高温构件剩余寿命的研究还处于一个起步阶段,没有取得突破性的进展。
本文利用积累的材料常规蠕变试验和小冲孔蠕变试验数据,研究完全基于小冲孔蠕变试验技术的在役高温构件剩余寿命估算方法,主要研究内容和结论如下:
(1)针对不同氩气流量保护下的小冲孔蠕变试验,研究了Cr5Mo耐热钢新材料在550℃-404N和650℃-189N两个条件下的小冲孔蠕变试验过程中高温氧化对试验的影响,并根据试验和分析结果确定试验中合理的氩气流量值,由此奠定精确的小冲孔蠕变试验基础。试验结果表明,随着氩气流量的增加,试样表面形成的氧化层趋于完整,试样剩余金属厚度和试验断裂时间均逐渐增加。研究证实了合理的氩气流量可有效的防止试验过程中试样的氧化。
(2)通过试验研究和有限元数值模拟计算表明,小冲孔蠕变试验与单轴蠕变试验参数之间均存在一定的关联关系,由此建立小冲孔蠕变试验载荷F与应力σ等蠕变损伤方程,从而奠定了小冲孔蠕变试验技术剩余寿命预测估算方法的研究基础。
(3)针对在役Cr5Mo耐热钢新材料及蠕变时效处理后材料的小冲孔蠕变试验结果,提出引进表征在役材料损伤程度的损伤因子,利用已研究的小冲孔蠕变试验和单轴蠕变试验关联关系,推导了损伤因子的蠕变方程;由此研究了完全基于小冲孔蠕变试验技术的在役高温构件剩余寿命估算方法,而无须对在役材料再进行常规蠕变试验辅助研究。