离心压缩机叶轮用钢X12Cr13应力腐蚀和疲劳特性研究

发布时间：2020-11-03 13:27

　　 离心压缩机叶轮用钢X12Cr13是一种德国钢号表示的Cr13型半马氏体不锈钢,与国内12Cr13型不锈钢类似,在加工性能和耐腐蚀性能等方面表现良好,是制造输送天然气管道用离心压缩机叶轮的材料之一。有关其应力腐蚀(Stress Corrosion,SC)和疲劳特性的研究罕见于国内外文献。本文以离心压缩机叶轮流场数值模拟为研究起点,以慢应变速率拉伸(Slow Strain Rate Tension,SSRT)试验、简化升降法疲劳试验为基础,辅以点蚀形核与转变的有限元数值模拟,通过理论研究、数值模拟和试验测试等相结合的方法综合评价叶轮用钢X12Cr13应力腐蚀和疲劳特性。本文的研究能够在结合离心压缩机叶轮流场的前提下,对叶轮用钢X12Cr13的应力腐蚀敏感性、疲劳特性、点蚀裂纹演变、应力腐蚀和疲劳断口形貌等方面有清晰的认识;对叶轮材料的选择及其失效形式提供分析依据,对防止叶轮应力腐蚀和疲劳断裂事故、保证生产工作安全有序进行有重要意义。首先,利用三维建模软件SolidWorks对离心压缩机叶轮及其流道进行三维建模,利用ANSYS ICEM网格划分软件进行计算模型网格划分,然后采用ANSYS FLUENT软件对叶轮流域进行数值模拟,得到叶轮带缺陷叶片表面的压力场、速度场变化情况。以楔形缺陷流场为例,来近似分析叶片裂纹处的流场变化,结果表明靠近缺陷尖端处的流场压力和速度相对较大,对微裂纹扩展有促进作用。其次,以ABAQUS 6.14软件为基础,对棒状拉伸试样在拉伸过程中点蚀坑处的应力应变分布规律进行了有限元模拟。通过设置不同形状的点蚀坑,如半球形、半椭球形、锥形和弹头形等,对比研究得出在相同拉伸载荷下,相同坑口直径的点蚀坑,因为形状的不同其应力应变大小会有不同,但应力最大的位置基本在坑底附近,弹塑性应变最大的区域均在坑肩位置;半椭球形点蚀坑的应力集中系数K与形状系数S存在近似线性关系,当坑口直径相同时,点蚀坑的应力集中受自身深度的影响严重;利用“生死单元技术”对半椭球形点蚀坑的生长过程模拟研究发现,在生长过程中应力最大值始终在坑壁靠近坑底位置,弹塑性应变最大区域均在坑肩处,但是塑性应变较大的区域在试样周向上逐渐出现不连续现象并且在垂直于拉伸方向上不断变窄,起始裂纹很可能出现在两侧坑肩及坑底位置。然后,利用均匀设计方法设计了组合环境变量下的X12Cr13不锈钢SSRT试验。根据内积功J和断裂时间t的计算结果来看,不锈钢的应力腐蚀敏感性在六种设置环境中都有很强的表现,其应力腐蚀敏感性随着H2S浓度的变化没有明显差异,而C02的存在会在一定程度上抑制不锈钢的应力腐蚀倾向;在试验条件下,未达到H2S临界温度时,温度升高会促进应力腐蚀,超过H2S临界温度时,应力腐蚀敏感性会随温度继续升高而略微降低;应力腐蚀敏感性受压力的影响较小,并且没有明显的变化趋势。通过对试样断口形貌分析,试样断口均具有应力腐蚀断口形貌,穿晶断裂、沿晶断裂和混合型断裂均存在,随着试验环境的变化,试样断口也具有不同的微观形貌;在断口能谱分析中,断口成分中含有较多的S和C的氧化物,并且随着腐蚀环境的不同,各元素含量也有较大变化。最后,采用简化升降法疲劳试验方法,测试了 X12Cr13不锈钢在应力比R=0.1时的疲劳特性曲线,得出其疲劳强度约为抗拉强度的0.5倍;X12Cr13不锈钢的疲劳寿命受正应力比R的影响显著,随着正应力比R的增大,不锈钢会明显提高其疲劳寿命;在同一应力比R下,最大载荷的变化不会明显影响疲劳试样断口形貌的类型;在相同的最大拉伸载荷条件下,正应力比R越大,试样断口的断面形貌也越细密、光滑。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH452
【部分图文】：

山东大学硕士学位论文??产生应力腐蚀的三要素［２９］：材料、应力、环境。它们之间的关系如图１－１所示。??应力腐蚀必须具备以下条件才会发生［３（）］：??／?成分?工作应力??（?组织广、残余应力＼??热处理Ｊ＿Ｌ??＼?Ｊ??＾压力??图１－１应力腐蚀开裂三要素（文献［２９］图１－１）??１）金属必须处在相匹配的特定腐蚀环境中，如奥氏体不锈钢在含氯化物溶液??中的腐蚀［３１】。某种合金材料只有在特定的腐蚀介质中才会发生应力腐蚀，应力腐??蚀受介质环境里杂质的影响严重。２）必须有拉应力存在：包括外加应力、相变应??力和残余应力Ｉ３２１等。一般情况下，应力腐蚀中存在一个拉应力临界值，称为应力腐??蚀门槛值Ｘ／ｓｃｃ，并且该值低于材料的屈服强度。金属表面处理产生的残余压应力??对抑制应力腐蚀是有益的，然而也有学者研究发现在特定的条件下，压应力或许也??会导致应力腐蚀３）不锈钢必须具有对应力腐蚀的敏感性，材料不同，敏感??性也不同。材料自身的力学性能或者冷热加工处理工艺等都会影响材料的应力腐??蚀敏感性Ｐ６］，通常情况下强度高的材料，更倾向于发生应力腐蚀。４）应力腐蚀是??一种电化学现象

蚀坑深度必须超过某一临界深度；裂纹扩展速率必须超过点蚀坑的生长速率。在应??用线弹性断裂力学解释应力腐蚀裂纹尖端问题时，这一理论模型存在其自身的局??限性。微观裂纹生长机制如图１－２所示。??Ｃｒａｃｋｉｎｇ??ｐｌａｎｅ?＾?＾?＜?Ｍｉｃｒｏｃｒａｃｋ??ａ??图１－２微观裂纹断裂机制示意图（文献丨６４］图１１）??Ｔｕｍｂｕｌｌ等人［６５＿６８］对点蚀裂纹转变进行了深入的研究。他们结合输入参数的统??计性分布，利用确定性方程建立了叶轮用钢３ＮｉＣｒＭ〇Ｖ应力腐蚀过程中点蚀裂纹??演化确定性模型。他们利用模型预测的点蚀裂纹演变过程与实际试验中的观测结??果相吻合，并且利用有限元模拟分析了圆柱形不锈钢试样中在张紧状态下与单个??腐蚀坑相关联的应力应变分布，将塑性应变局部化到位于试样表面之下的坑壁，模??拟结果表明在静态应力场中点蚀坑的塑性应变率与应力腐蚀相关的特定值相对应，??并与物理方法观测到的结果相吻合。Ｇｅｏｒｇｅ等总结了统一预测局部腐蚀损伤??的确定性和统计性方法的理论基础，通过优化点蚀坑生长函数，建立了点蚀坑与环??境相结合的耦合模型，总结得出点蚀成核理论。黄小光等［７１，７２］将能量学原理应用到??１０??

Ｈｏｍｅｒ等［７３］通过独特的Ｘ射线三维显微图像证实了叶轮钢试样中的裂纹主要发生??在点蚀坑坑肩附近的凹坑／表面交界处，有限元数值模拟表明坑口正下方的坑壁上??应变最大，其几何模型和模拟结果如图１－３和图１－４所示。??｛ａ）ｍ?髮??Ｈｉ?＇??图１－３轴向加载几何模型（ａ试样几何模型，ｂ直径１０〇ｎｍ点蚀坑网格，ｃｌＯＯ＾ｍ半球形??点蚀坑横截面，ｄ５０〇ｎｍ深Ｕ形点蚀坑横截面，文献［７３］图３）??⑷?＿?＿?—?一?２?ＭＫｉｍｕｍ?ｐｒｉＤｃｉｐｏｌ?ｓｔｒｅｓｓ．?ｋ?—?—?７??Ｉ?｜??（ｂ）－??Ｍａｘｉｍｍｎ?ｐｒｉｎｃｉｐａｌ?ｓｔｒａｉｎ．?ｉ?Ｕ＂＾??ｃｒｏＭ－ｓｏｉｉｏｏ?ｖｉｅｗ??ｔ．?Ｂｕ．?ｒ＊？Ｋｌｐａｌ??，ｋ＊？．??、―二??—??图１￣４在７０％ｇｇ．２载荷下直径为６．４ｍｍ圆柱形试样上１００叫Ｔｉ半球形点蚀坑的??最大主应力和最大主应变云图（文献［７３］图２０）??１
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本文编号：2868637