高温装置结构完整性保障关键基础问题的研究

面向典型高温装置（如超超临界电站、乙烯裂解装置、核装置）结构完整性技术的迫切需要，以材料－结构一体化并行处理为学术指导思想，在现代损伤理论、断裂理论和分析计算技术的基础上，一方面力图突破现有高温断裂理论的局限，研究外因拘束和内因拘束对高温断裂的影响，发展服役结构性能评价的测试方法，建立拘束效应的高温结构安全判据，为高温装置的安全设计提供新的分析手段，为预测性检测和维修提供理论基础。另一方面，研究损伤-裂纹耦合条件下复杂结构极限承载能力，构建损伤-断裂理论统一框架下的失效评定图，建立材料-结构一体化的高温装置失效评价方法，最终形成一套独具特色、在国际上具有较高学术影响的高温结构安全评价理论与方法。

面向典型高温装置结构完整性技术的迫切需要，项目组成员致力于结构完整性评定基础理论、先进测试/监测技术、工程应用三个层面的研究，圆满完成了项目的预期计划。在理论层面，主要工作包括：（1）高温蠕变裂尖拘束效应。突破了现有高温断裂理论的局限，提出了一个新的蠕变裂尖拘束参数R，发展了考虑拘束效应的高温结构安全判据，建立了实验室试样蠕变裂尖拘束与实际高温管线拘束的关联，为纳入裂尖拘束效应的高温结构完整性评定和寿命预测方法提供了力学基础；（2）复杂载荷条件下材料/结构的损伤评价。从蠕变疲劳过程中材料微观组织结构演化入手，通过对传统棘轮理论的改进，提出了描述微观物理机制的主要状态参量与循环本构模型，从而形成了高温蠕变疲劳复杂载荷条件下构件的寿命预测新方法和新理论；基于化学－力学－材料相互关系的合理描述，形成了复杂交变载荷与腐蚀环境的交互作用描述模型；（3）高温结构安全评价。通过复杂载荷下裂纹扩展分析和数值模拟，修正了长期沿用的多轴应力下的蠕变－损伤本构模型及多裂纹干涉－合并准则，提出了高温断裂新参量；基于原位疲劳试验技术，系统研究了高温下焊接接头的多尺度裂纹扩展行为，描述了局部裂纹方向改变对裂纹扩展行为影响的微观机制，形成了高温焊接接头疲劳寿命预测新模型；（4）高温涂层的结构完整性评价。建立了残余应力相关的涂层结构断裂理论，发展了涂层结构热－力完整性评定体系，初步构建了微观结构－残余应力－性能的理论框架。在技术层面，突破了高温损伤与断裂的非传统试样的测试新方法，形成了若干非传统高温构件损伤、断裂测试系统和技术原型，为复杂环境下高温构件的结构完整性评价奠定了基础。在应用层面，项目组积极推进研究成果的转化，例如所建立的高温强度分析方法支持了新型紧凑式换热器的开发，应用于超超临界汽轮机转子、汽缸的结构优化和材料优选。.项目实施以来共发表学术论文57篇，其中SCI检索论文46篇，申请国家专利25项，其中授权专利12项。项目组成员荣获国家技术发明二等奖1项、省部级自然科学一等奖1项、省部级科技进步一等奖2项，国际焊接学会Henry Granjon奖1项、国际学术会议优秀论文奖4项。培养博士研究生9名，硕士研究生15名，作国际学术会议邀请报告19次。