考虑G相致损作用的高温结构损伤机理与设计准则研究

Oriented to the petrochemical and other energy industries, damage mechanism and design concept of the manifold component will be investigated. Influence of complex factors such as temperature, time and stress on the microstructure evolution and the nucleation, growth and coalescence behavior of the steel will be discussed using creep multi-sample test，and time–temperature–transformation (TTT) curve of the steel will be obtained. After developing a new cavity growth model considering the effect of G-phase, the physical damage mechanism of the material and the damage classification evaluation method will be proposed. Based on the notch creep test, multiaxial creep constitutive model considering the effect of G-phase on creep damage will be established in order to analyze creep damage evolution of the manifold component. Then, the creep design criterion of the high-temperature component is proposed consequently. The contents of this proposal reflect the intersection of mechanics，physics, chemistry and material science. It is expected to clarify the damage mechanism and the basic rules of damage evolution of the material in service environment, and propose creep design criteria for the engineering structure. It is also believe to provide important support for improving the significant equipment level in the advanced process manufacturing industry and ensuring the long-term safe and reliable operation of steam reformer furnace.

本课题面向石油化工等能源工业领域，针对高温环境下集气管材料的高温损伤机理与设计准则开展研究。采用蠕变多试样法，探究温度、时间和应力等多因素作用下材料微观组织演化及晶界孔洞化规律，提出材料的时间-温度-转变（TTT）曲线，建立虑及G相致损作用的孔洞长大模型，揭示材料的物理损伤机制，提出基于微结构特征的材料损伤分级评价方法；在多轴蠕变试验基础上，通过考虑G相析出对蠕变损伤的影响，构建新的与损伤耦合的多轴蠕变本构模型，实现对结构内部蠕变损伤演化规律的科学描述，提出高温结构的蠕变设计准则。本项目研究内容体现了力学、物理学、化学和材料等多学科领域的交叉，可望阐明服役环境下材料的损伤机理及损伤演化的基本规律，提出结构蠕变强度设计准则，为提升我国现代流程工业重大装备水平和保障我国高参数蒸汽转化装置的长周期安全运行提供支持。

鉴于我国高参数蒸汽转化炉在装置极端化和大型化后的设计制造技术尚未完全掌握以及国内对其出口关键部件的研究尚处于起步阶段，本项目以热壁集气管材料（20Cr32Ni1Nb合金）为研究对象，围绕试验研究、损伤机理分析、本构模型构建、损伤演化发展和强度准则建立等基础难题展开研究，以期探究高温结构损伤机理，并建立设计准则。具体研究内容和主要研究成果为：（1）通过开展恒载荷蠕变试验研究，掌握了材料的高温性能和蠕变变形行为；同时建立了材料的时间-温度-转变（TTT）曲线，揭示了NbC向G相转变的微观机理及特征元素的迁移规律，阐明了材料组织损伤演化规律。（2）通过分段蠕变试验研究，揭示了蠕变孔洞的形核、长大和合并规律及物理损伤机制；在此基础上，基于扩散和幂率蠕变耦合控制孔洞长大理论，建立新的孔洞长大模型。（3）考虑碳化物粗化(含G相损伤)和孔洞形核与长大对20Cr32Ni1Nb钢蠕变损伤的影响，提出了基于sinh函数和双损伤机制的蠕变损伤本构模型，开发了相应的材料参数优化程序，实现了蠕变损伤本构模型中材料参数的自动全局寻优。（4）对于集气管结构而言，在长期蠕变过程中，薄膜应变率先达到ASME-NH标准中的应变设计极限值，而此时薄膜+弯曲应变未达到临界值，因此薄膜应变是首要考核指标。本项目中，20Cr32Ni1Nb高温合金材料微观组织结构的演化规律及 G 相致损机理的探明是一个重大突破，为国产材料的改进和升级奠定了重要的理论基础，具有重要的科学意义；同时，研究成果可直接应用于我国高参数蒸汽转化炉集气管的服役性能评价和结构可靠性评估，为今后集气管的安全运维提供了科学指导，具有重要的工程应用价值。在资助期内，在审或发表标注论文15篇(3篇论文在审)，其中SCI 已收录6 篇；协助培养博士研究生1名，硕士毕业生4名(已毕业2人)；项目主持人获第十届中国机械工程学会压力容器分会优秀博士学位论文创新奖, 入选内蒙古自治区高等学校青年科技人才发展计划。