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摘 要

为了提高发电厂的热效率，减少能源的消耗及CO₂的排放，现代发电技术日益向高温、高压方向发展,在这种苛刻的环境下，材料经常承受循环热载荷和机械载荷，因此对材料热机械疲劳(Thermal Mechanical Fatigue)问题的研究具有重要的理论意义和实用价值。本文详细论述了金属材料的热机械疲劳试验与研究现状，分析了金属材料的热机械疲劳特性，并利用有限元软件ABAQUS对P92马氏体耐热钢T型和Y型管道在热机疲劳载荷下的行为进行对比分析，结果表明Y型管道对热机疲劳载荷更加敏感，敏感部位位于水平接管和分支管道的连接部位的内表面。

关键词：热机械疲劳；P92马氏体耐热钢；T型、Y型管道；有限元方法；

ABSTRACT

In order to improve the thermal efficiency of the power plant, reduce energy consumption and CO₂ emissions, increasing of temperature and pressure has become the trend for power plants. In this critical environment, materials often subject to the cyclic thermal loading and mechanical loading, therefore it has important theoretical significance and practical value to investigate the thermal mechanical fatigue (TMF) behavior of materials. This paper presents a study on TMF behavior of P92 T-piece and Y-piece pipe at the most critical working fluctuations. Pressure and temperature in isothermal, IP and OP conditions were all performed to investigate the most dangerous working condition and the location of the dangerous region. In order to investigate the effect of isothermal, IP and OP loadings on T-piece pipe and Y-piece pipe, finite element models (FEM) of P92 T-piece and Y-piece pipe were also developed. The evolution of failure based on the peak hoop stress and equivalent cumulative plastic strain was investigated.

Key words: Thermal-mechanical fatigue; P92 steel; T-piece and Y-piece pipe; Finite element model

目录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 课题背景及研究目的与意义 1

1.2 马氏体耐热钢 1

1.2.1 马氏体耐热钢的发展 1

1.2.2 P92马氏体耐热钢的组织特性及强化方式 2

1.3 P92马氏体耐热钢的高温性能 3

1.3.1高温蠕变性能 3

1.3.2 热机械疲劳性能 4

1.4 有限元软件ABAQUS简介 4

1.5 主要研究内容 5

第二章 Cyclic plasticity model 6

2.1 引言 6

2.2 Cyclic plasticity model 简介 9

2.2.1 流动率和屈服准则 9

2.2.2 运动硬化和各向同性硬化准则 10

2.3 Cyclic plasticity model 验证 10

2.3.1 有限元模型 10

2.3.1 有限元分析结果与讨论 11

2.4 本章小结 12

第三章 T型与Y型接管热机疲劳分析 13

3.1 引言 13

3.2 有限元模型描述 13

3.2.1 T型接管 13

3.2.2 Y型接管 14

3.3 热机疲劳载荷描述 14

3.4 本章小结 16

第四章 模拟结果与讨论 17

4.1 引言 17

4.2 T型接管模拟结果与分析 17

4.2.1 应力模拟结果与分析 17

4.2.2 应变模拟结果与分析 18

4.2.3 总结与讨论 20

4.3 Y型接管模拟结果与分析 21

4.3.1 应力模拟结果与分析 21

4.3.2 应变模拟结果与分析 23

4.3.3 总结与讨论 24

4.4 T型接管与Y型接管模拟结果比较 25

4.5本章小结 26

第五章 总结与展望 27

参考文献 28

致谢 32

第一章 绪论

1.1 课题背景及研究目的与意义

现代工业的发展方向以高速、高温、高压为主,疲劳问题对现代工业设备的安全有着很大的威胁^[1]。其中最常见的疲劳失效形式为复杂应力状态下的热机械疲劳失效,因为热机械疲劳失效包括应力应变循环载荷、温度循环载荷、蠕变载荷等,目前对这种复杂的过程的认识还没有一个完整的概念,对它的物理和力学模型的讨论也没有一个统一的定论^[2]。因此对热机械疲劳问题的研究具有很大的工程和实际意义。

目前，关于热机械疲劳研究的对象主要集中在一些特定的金属材料，比如粉末高温合金FGH95和FGH96、热作磨具钢，E319铸铝合金、20g材料等，或者是一些机械设备中的具体部件，如发动机中的活塞杆、泵中的涡轮叶片等等。但是对于管道连接中，不同接头形式下的热机械疲劳的敏感性的研究相对较少。因此，本文从不同管道连接形式在热机械疲劳载荷作用下的敏感性入手，研究不同管道连接形式在热机械疲劳作用下的热机疲劳行为。借助有限元分析进行模拟得到研究结论。

1.2 马氏体耐热钢

1.2.1 马氏体耐热钢的发展

马氏体耐热钢以其优异的综合性能，在超临界电站的主要材料中得到了广泛的应用。上个世纪80年代的橡树岭国家实验室（ORNL）已经在开发一种改良型9Cr₁Mo耐热钢，加入V，Nb、N等元素的析出强化钢的蠕变断裂强度在600℃接近100 MPa，650℃接近45 MPa ^{[ 3-4 ]}。此后的改进型9Cr₁Mo钢以T91/P91（薄壁管T91和厚壁管 P91）的形式在美国测试和材料协会（ASTM）耐热钢等级标准中被列出。在上世纪90年代，日本推出P92耐热钢（日本品牌：NF616）。这种钢对P91基础上添加了1.8%（质量分数，下同），减少了5%钼，使材料在 600 ℃的蠕变断裂强度超过了 115MPa。在同一时期，欧洲也开发了一种耐热钢E911钢，其中包含1% W和1%的钼，其蠕变断裂强度接近P92钢^{[ 3 - 5 ]}。

1.2.2 P92马氏体耐热钢的组织特性及强化方式

组织特性：

P92钢的结构和低碳马氏体的结构基本一致，铁素体是它的基体组织，但有所不同的是在板条状马氏体晶内，马氏体相变产生了大量的亚晶，这些亚晶形成了比较完整的位错网络；合金碳化物弥散分布于晶间和晶界之中，碳化物主要有两种形式，分别为 M₂₃C₆型和 MX型，板条界和板条内析出碳化物粒子,大多呈短条形^[6-8]。在热处理（高温回火）之后，正常组织为细的回火板条形马氏体,马氏体板条在高温回火时并不发生板条解体的再结晶，而仅仅发生高温回复转变。

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