复杂加载条件下压力容器典型用钢疲劳蠕变寿命预测方法

第45卷第2期2009年2月

机械工程学报

JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING

Vol.45N o.2

Feb. 2009

DOI：10.3901/JME.2009.02.081

复杂加载条件下压力容器典型用钢

疲劳蠕变寿命预测方法*

陈学东范志超江慧丰董杰

(合肥通用机械研究院国家压力容器与管道安全工程技术研究中心合肥 230031)

摘要：针对多轴应力状态，探讨压力容器典型用钢16MnR缺口试样的高温疲劳与循环蠕变交互作用行为，在延性耗竭理论和损伤力学基础上，建立一种半寿命平均位移速率寿命预测模型，采用该方法对不同缺口半径试样的高温疲劳寿命进行了较好的预测。针对多级加载条件，研究316L钢的循环变形行为，探讨疲劳蠕变与动态应变时效之间的耦合作用，在延性耗竭理论基础上，建立非线性损伤演化模型，考虑多级加载时的载荷历程效应，提出一种新的损伤累积准则，采用该方法对二级加载条件下的疲劳蠕变寿命进行了较好的预测。

关键词：多轴多级疲劳蠕变损伤寿命预测

中图分类号：O346.2 TG142.33

Creep-fatigue Life Prediction Methods of Pressure Vessel Typical Steels

under Complicated Loading Conditions

CHEN Xuedong FAN Zhichao JIANG Huifeng DONG Jie

(National Engineering Technology Research Center on PVP Safety,

Hefei General Machinery Research Institute, Hefei 230031)

Abstract：With emphasis on complicated loading conditions, i.e. multi-axial loading condition and multi-step loading condition, creep-fatigue behavior and life prediction methods are investigated for typical steels of pressure vessels. As to multi-axial loading condition, the interaction behavior between high temperature fatigue and cyclic creep is discussed for 16MnR notched specimens and a mean displacement rate life prediction method is proposed on the basis of ductility exhaustion theory and damage mechanics. By this method, high temperature fatigue lives are well predicted for specimens with different notch radiuses. As to multi-step loading condition, cyclic deformation behavior is investigated for 316L steel and creep-fatigue interaction coupled with dynamic strain aging effect is also discussed. Based on the ductility exhaustion theory, a nonlinear damage evolution model is developed. Moreover, a new damage cumulated rule is proposed with the load history effect taken into account. By using this model, 2-step creep-fatigue lives are well predicted.

Key words：Multi-axis Multi-step Creep-fatigue Damage Life prediction

0 前言

高温环境下长期服役的压力容器在设计和安全评定时除了要考虑疲劳损伤、蠕变损伤及疲劳蠕变交互作用损伤外，还要考虑多轴载荷、多级载荷

* “十一五”国家科技支撑计划专题(2006BAK02B02-02)和安徽省优秀青年基金(08040106827)资助项目。20081118收到初稿，20081225收到修改稿等复杂条件对承压设备寿命的影响。

本课题组在“十五”科技攻关期间，主要针对压力容器典型材料开展了高温疲劳及疲劳蠕变交互作用行为研究[1-3]，分别从能量、韧性、延性角度提出了几种高温疲劳蠕变寿命预测和损伤评估方法[4]。但前期研究并没有考虑复杂应力状态和复杂加载历史对疲劳及疲劳蠕变行为的影响，而实际承压设备的缺口或应力集中部位始终是整个结构的薄

机械工程学报第45卷第2期82

弱环节，是影响结构寿命的关键因素。虽然目前有很多高温多轴疲劳寿命预测方法，如等效应变法、能量法[5]、临界平面法[6]等，但大都要涉及到材料精确的本构关系，若此时高温疲劳过程中还伴随着循环蠕变现象，则其本构模型更为复杂，目前建立的各种本构模型尚无法对其进行很好描述[7-8]。因此研究多轴载荷下常用材料的疲劳蠕变行为及便于应用的寿命预测方法非常重要。此外，复杂的温度和载荷波动将引入载荷历程效应，此时若采用工程上常用的线性寿命分数法[9]，寿命预测结果误差往往较大，要么偏于危险，要么过于保守。而连续损伤力学可用非线性的方式累积疲劳蠕变损伤，从而能够计及载荷历程效应，因而在常温变幅疲劳及高温常幅疲劳蠕变寿命预测等方面得到了一定应用[10-12]，但针对高温变幅载荷下的疲劳蠕变寿命预测方面的研究还很少。因此，针对复杂加载情况，研究发展基于非线性连续损伤力学的疲劳蠕变寿命预测方法具有重要意义。

本文针对多轴应力状态，通过不同缺口半径试样的高温疲劳试验，研究了疲劳与循环蠕变共同作用下的循环行为，在延性耗竭理论和损伤力学有效应力概念基础上，建立了一种半寿命平均位移速率寿命预测模型；针对多级加载条件，开展了316L 钢单级和两级疲劳蠕变试验，探讨了疲劳蠕变与动态应变时效之间的耦合作用，在延性耗竭理论基础上，建立了一种非线性损伤演化模型，并考虑载荷历程效应，提出了一种新的损伤累积准则，采用该方法对二级加载条件下的疲劳蠕变寿命进行了较好的预测。

1 多轴应力状态

1.1缺口及光滑试样的循环蠕变行为

材料为热轧态16MnR钢，其化学成分(质量分数)为：0.14C、0.27Si、1.32Mn、0.004S、0.012P、0.07Ni、0.06Cr、0.018Ti，Fe为基体金属。沿轧制方向取样，制成光滑试样和不同半径的半圆形缺口试样，在MTS-809试验机上进行高温疲劳试验，温度为420 ℃，环境为实验室大气。试验方式为应力控制、脉动循环(应力比R=0)、正弦波加载。

机加工后的缺口试样不可避免地会偏离原来设计尺寸，为提高寿命预测精度，对各试样缺口实际半径、缺口偏心距进行了测量。同时为简化起见，以16MnR钢420 ℃时的单调拉伸应力应变关系代替复杂的应力－循环蠕变本构关系，并采用ANSYS 有限元软件计算缺口根部的应力分布。光滑试样和缺口试样的高温疲劳试验结果如下表所示。

试验得到典型的应力位移迟滞回线如图1所示，可以看出，迟滞回线在整个寿命期间内不封闭、不稳定，而且发生了循环蠕变现象。

表缺口及光滑试样高温疲劳试验参数及结果

试样编号

n 缺口根部

设计半径

R D/mm

缺口根部实

际半径

R/mm

缺口偏心距

e/mm

名义最大

应力

σNmax/MPa

名义最小

应力

σNmin/MPa

加载频率

f /Hz

缺口根部最

大轴向应力

σy/MPa

平均位移速率

m

s&/(10–9m/周)

疲劳寿命

N f /周

1 1.25 1.28 0.1

2 280 0 3.0 561 11.90 18

953 2 1.50 1.55 0.23 260 0 3.0 539 5.67 29

838 3 1.50 1.59 0.26 250 0 3.0 538 2.79 43

566 4 1.75 1.95 0.38 230 0 3.0 512 6.06 29

741 5 1.75 1.80 0.19 220 0 3.0 504 0.31 134

819 6 2.00 2.05 0.23 210 0 3.0 536 2.10 33

276 7 2.00 2.06 0.26 200 0 3.0 501 0.15 168

097 8 2.00 2.06 0.13 210 0 3.0 573 34.40 3

651 9 2.25 2.14 0.30 220 0 3.0 568 4.32 17

693 10 2.25 2.28 0.24 190 0 3.0 562 13.50 10

163

11 －－－490 0 4.3 － 1 310.00 2 188

12 －－－480 0 4.0 －291.00 8

341 13 －－－470 0 4.0 －110.00 27

302 14 －－－460 0 4.5 －31.90 91

863 15 －－－450 0 4.6 －32.50 78

494 16 －－－440 0 4.5 －11.40 144

743 17 －－－430 0 4.0 － 5.58 238

362 18 －－－420 0 4.8 －7.99 320

614