基于应变分类的高温结构蠕变设计准则研究
发布时间：2019-08-16 17:27
【摘要】：由于蠕变效应的存在,使得高温高压工况下服役设备的安全性面临着更高的挑战。以往的高温结构设计方法中,主要是通过限制结构中的应力以保证其强度,但是结构在长时蠕变下会产生大量变形,这些变形一方面消耗了部件的延性,另一方面可能会导致结构发生功能性的失效,因而限制应力并不能充分地保证结构的安全。为此在高温标准中提出了应变设计的相关条款,ASME BPVC第1II卷NH分篇和法国核容器RCC-MR中均对高温结构的非弹性薄膜应变和非弹性薄膜+弯曲应变提出了限制。但是这些条款目前存在一些争议,例如没有考虑这些应变限制条款在含有高应力多轴效应的结构中以及焊缝结构中的适用性和保守性。上述标准中讨论的薄膜应变和薄膜+弯曲应变并不能直接获得,需要对选取路径进行线性化处理后得到,而针对这些分类应变的求解,国内目前还没有系统的介绍和算例。为此,本文总结了在ABAQUS中应变线性化的计算流程,并编写了Matlab语言辅助进行应变张量的求解,通过算例证明这一套求解方法是有效且准确的,在本文后续的研究中使用该方法求解分类应变。随后本文使用含有损伤参量的蠕变本构方程,模拟了550℃下316不锈钢管道的蠕变和550℃下的316不锈钢焊接管道的蠕变,在分析模拟结果时比较了根据损伤判定的结构失效时间和按应变设计条款认定的结构失效时间,以考核应变设计条款的保守性和适用性。在模拟316焊接管道的蠕变时,研究了不同的热影响区蠕变性能以及焊接坡口角度对分类应变结果的影响。得到了如下结论：1.对于本文模拟的316管道,在考虑应力多轴效应后,ASME NH和RCC-MR中给出的应变限值是保守的。以这些限值认定结构失效时,可以保证结构中的损伤未达到临界值,因此以上应变设计条款可以用于含有应力多轴效应的结构设计。2.无论是非焊接结构还是焊接结构,薄膜应变的限值总是最先达到,而此时薄膜+弯曲应变未达到限值,因而薄膜应变是首要的考核指标。3.316焊接管道的蠕变模拟结果显示,焊接结构中的分类应变结果对热影响区性能和焊接坡口的变化不敏感,因而ASME NH中的应变设计条款对焊接结构而言可能并不适用,但鉴于这些条款中给出的分类应变限值较小,因而校核结果仍然是保守的。
【图文】：
图１．１蠕变应变随时间变化的曲线逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｃｒｅｅｐ邋ｓｔｒａｉｎ邋ｖｓ．邋ｔｉｍｅ逡逑图１．１是蠕变应变随时间的变化曲线示意图，按不同特征大致分为初始加载阶段和逡逑蠕变Ｈ阶段。初始加载阶段的时间较短，载荷较低时该阶段为弹性加载，载荷较高时材逡逑料屈服而发生塑性变形。随后的蠕变主要分为Ｈ个阶段；蠕变第一阶段，该阶段由于材逡逑料的强化作用蠕变速率逐渐降低，持续时间随载荷的大小而变化；蠕变第二阶段，这一逡逑阶段的特点是蠕变速率较为稳定，可Ｗ认为蠕变速率是常数；蠕变第Ｈ阶段为加速阶段，逡逑在这一阶段试样变形加快，部分截面预缩最终导致断裂。Ｗ上为典型蠕变曲线的几个阶逡逑段，该蠕变曲线的形状会有随试验载荷及温度的变化发生一定的变化Ｗ。逡逑了解材料的蠕变行为并准确的描述这一行为，对于高温结构的设计是非常重要的，逡逑目前描述蠕变行为的理论主要有基于蠕变力学的描述方法、基于连续介质损伤力学的方逡逑法和参数外推法等。逡逑１．２．１基于蠕变力学的描述方法逡逑当加载条件为固定载荷时
送个区域旁边是热影响区（ＨＡＺ），在这个区域材料被加热，虽然没有融化但相当于经逡逑过了快速的热处理，因此该区域的组织和性能均发生了变化；剩余的材料不受影响，即逡逑为母材（ＰＭ）。图１．２是巧巧９１钢ＨＡＺ中各种亚区域的细分和形成过程。逡逑ｍ逦ｓｏｌｉｄｉｆｉｅｄ邋ｗｅｌｄ逦ｇ－邋，逦ｉ邋＾N。逡逑３逦＾邋ｓｏｉｉｄ－ｉｉｑｕｉｄ邋ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ邋ｚｏｎｅ邋＾逦＾逦逦逦逡逑Ａ邋ｃｏａｒｓｅ邋ｐｒｉｏｒ邋ａｕｓｔｅｎｉｔｅ邋ｇｒａｉｎｓ＋‘、ｗｏｏ—邋Ｘ逦？？？？？Ｌ＋Ｙ逡逑￡逦：：＼邋ｆｉｎｅ邋ｐｒｉｏｒ邋ｄｅｌｔａ邋ｆｅｒｒｉ悟邋ｇｒ＾ａｉｎｓ逦逦．逦（逦＊逦＇－－逡逑＾逦：ｉ邋＼逦ｊＣＧＨＡＺ．；逦ｙ逡逑客逦：：：＼邋ｇｒａｉｎ邋ｇｒｏｗｔｈ邋ｚｏｎｅ逦。00＿逦／！逡逑ｉｉ邋；Ｖ邋逦逦ｔ；…：邋ｙ逡逑ｇ邋重邋＼ｇｒａｉｎ邋ｒｅｆｉｎｅｄ邋ｚｏｎｅ邋熙夬．；逡逑ｉ；邋：邋ｉ逦＼邋邮邮解fB畴８。。＾；逦逦逦逦逦逦逦逡逑：：逦：：＼＾ｖｅＭｅｍｐｅ巧ｄ邋巧９虹。逦．逦：逦＿邋邋逦逡逑—＼邋ｉｌ邋ｉ邋ｇ逡逑Ｉ邋？逦？邋Ｉ邋］邋ｆ邋Ｉ邋ｉ｜ｉ＇ｉ邋■画邋１，１邋＇．１邋Ｉ逡逑Ｈｅａｉ邋Ａｆｆｅｃｔ邋食邋Ｃｌ邋之邋ｏｎｅ逦0逦０，，２逦０，４逦０，６逦０，８逦１逡逑＜逦？朗ｒｂｏｎ邋（ｗｌ％３逡逑图１．２邋ＰＣｒ）９１钢中的ＨＡＺ区域的细分和形成过程示意图逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｚｏｎｅｓ邋ｏｆ邋ＨＡＺ邋ｉｎ邋ａ邋ｗｅｌｄ邋ｏｆ邋Ｐ（Ｔ）９１逡逑送样的焊接组织结构同样存在于Ｐ９２和ＰＩ２２等铁素体耐热钢（ＣＳＥＦ）中，一般而逡逑言
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG407;TG142.71
本文编号：2527560
【图文】：
图１．１蠕变应变随时间变化的曲线逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｃｒｅｅｐ邋ｓｔｒａｉｎ邋ｖｓ．邋ｔｉｍｅ逡逑图１．１是蠕变应变随时间的变化曲线示意图，按不同特征大致分为初始加载阶段和逡逑蠕变Ｈ阶段。初始加载阶段的时间较短，载荷较低时该阶段为弹性加载，载荷较高时材逡逑料屈服而发生塑性变形。随后的蠕变主要分为Ｈ个阶段；蠕变第一阶段，该阶段由于材逡逑料的强化作用蠕变速率逐渐降低，持续时间随载荷的大小而变化；蠕变第二阶段，这一逡逑阶段的特点是蠕变速率较为稳定，可Ｗ认为蠕变速率是常数；蠕变第Ｈ阶段为加速阶段，逡逑在这一阶段试样变形加快，部分截面预缩最终导致断裂。Ｗ上为典型蠕变曲线的几个阶逡逑段，该蠕变曲线的形状会有随试验载荷及温度的变化发生一定的变化Ｗ。逡逑了解材料的蠕变行为并准确的描述这一行为，对于高温结构的设计是非常重要的，逡逑目前描述蠕变行为的理论主要有基于蠕变力学的描述方法、基于连续介质损伤力学的方逡逑法和参数外推法等。逡逑１．２．１基于蠕变力学的描述方法逡逑当加载条件为固定载荷时
送个区域旁边是热影响区（ＨＡＺ），在这个区域材料被加热，虽然没有融化但相当于经逡逑过了快速的热处理，因此该区域的组织和性能均发生了变化；剩余的材料不受影响，即逡逑为母材（ＰＭ）。图１．２是巧巧９１钢ＨＡＺ中各种亚区域的细分和形成过程。逡逑ｍ逦ｓｏｌｉｄｉｆｉｅｄ邋ｗｅｌｄ逦ｇ－邋，逦ｉ邋＾N。逡逑３逦＾邋ｓｏｉｉｄ－ｉｉｑｕｉｄ邋ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ邋ｚｏｎｅ邋＾逦＾逦逦逦逡逑Ａ邋ｃｏａｒｓｅ邋ｐｒｉｏｒ邋ａｕｓｔｅｎｉｔｅ邋ｇｒａｉｎｓ＋‘、ｗｏｏ—邋Ｘ逦？？？？？Ｌ＋Ｙ逡逑￡逦：：＼邋ｆｉｎｅ邋ｐｒｉｏｒ邋ｄｅｌｔａ邋ｆｅｒｒｉ悟邋ｇｒ＾ａｉｎｓ逦逦．逦（逦＊逦＇－－逡逑＾逦：ｉ邋＼逦ｊＣＧＨＡＺ．；逦ｙ逡逑客逦：：：＼邋ｇｒａｉｎ邋ｇｒｏｗｔｈ邋ｚｏｎｅ逦。00＿逦／！逡逑ｉｉ邋；Ｖ邋逦逦ｔ；…：邋ｙ逡逑ｇ邋重邋＼ｇｒａｉｎ邋ｒｅｆｉｎｅｄ邋ｚｏｎｅ邋熙夬．；逡逑ｉ；邋：邋ｉ逦＼邋邮邮解fB畴８。。＾；逦逦逦逦逦逦逦逡逑：：逦：：＼＾ｖｅＭｅｍｐｅ巧ｄ邋巧９虹。逦．逦：逦＿邋邋逦逡逑—＼邋ｉｌ邋ｉ邋ｇ逡逑Ｉ邋？逦？邋Ｉ邋］邋ｆ邋Ｉ邋ｉ｜ｉ＇ｉ邋■画邋１，１邋＇．１邋Ｉ逡逑Ｈｅａｉ邋Ａｆｆｅｃｔ邋食邋Ｃｌ邋之邋ｏｎｅ逦0逦０，，２逦０，４逦０，６逦０，８逦１逡逑＜逦？朗ｒｂｏｎ邋（ｗｌ％３逡逑图１．２邋ＰＣｒ）９１钢中的ＨＡＺ区域的细分和形成过程示意图逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｚｏｎｅｓ邋ｏｆ邋ＨＡＺ邋ｉｎ邋ａ邋ｗｅｌｄ邋ｏｆ邋Ｐ（Ｔ）９１逡逑送样的焊接组织结构同样存在于Ｐ９２和ＰＩ２２等铁素体耐热钢（ＣＳＥＦ）中，一般而逡逑言
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG407;TG142.71
【参考文献】
相关期刊论文 前2条
1 危洪清;;应用Matlab分析三向应力状态[J];科技信息(学术研究);2006年09期
2 柳晖;徐国平;;拉森-米勒蠕变寿命预测方法的研究[J];上海师范大学学报(自然科学版);2009年05期
本文编号：2527560
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/jinshugongy/2527560.html
教材专著
