高温高压汽缸连接螺栓松驰损伤失效机理研究

第２８卷第２期　江　西　科　学　Ｖｏ１．２８　Ｎｏ．２　２０１０年４月　ＪＩＡＮＧＸＩ　ＳＣＩＥＮＣＥ　Ａｐｒ．２０１０　文章编号：１００１—３６７９（２０１０）０２—０２３１—０４　高温高压汽缸连接螺栓松驰损伤失效机理研究　章国顺，余素珍　（江西电力职业技术学院，江西南昌３３００３２）　摘要：为确保火电厂高温高压状态下的汽缸结合面不漏气，必须对连接螺栓松驰失效进行分析。提出了火电　厂高温高压汽缸连接螺栓应力松驰、蠕变损伤及其二者交互作用的特征和机理，以及松驰后的剩余弹性应力　不应低于最小密封应力和应控制塑性变形量即不过大也不过早产生。　关键词：高温高压；连接螺栓；松驰失效；损伤变量　中图分类号：０３４６．５；ＴＢ３０２．３　文献标识码：Ａ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ａ　Ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ　Ｄａｍａｇｅ　Ｆａｉｌｕｒｅ　Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　Ｂｏｌｔｓ　Ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ　Ｈｉｇｔ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　Ｈｉｇｈ—ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｃｙｌｉｎｄｅｒｓ　ＺＨＡＮＧ　Ｇｕｏ—ｓｈｕｎ．ＹＵ　Ｓｕ—ｚｈｅｎ　（Ｊｉａｎｇｘｉ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｖｏｅａｔｉｏｎｌ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｊｉａｎｇｘｉ　Ｎａｎｃｈａｎｇ　３３００３２　ＰＲＣ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ　ｍａｋｅ　ｓｕｒｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ　ｓｕｒｆａｃｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｐｏｗｅｒ　ｐｌａｎｔｓ’ｃｙｌｉｎｄｅｒｓ　ｕｎｄｅｒ　ｈｉｇｈ—　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｈｉ【ｇｈ—ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｗｉｌｌ　ｎｏｔ　ｌｅａｋ，ｉｔ　ｉｓ　ｎｅｃｅｓｓａｒｙ　ｆｏｒ　ＵＳ　ｔｏ　ａｎａｌｙｓｅ　ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ　ｄａｍａｇｅ　ｏｆ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ　ｂｏｌｔｓ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｕｔｓ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｂｏｌｔｓ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ　ｈｉｇｈ—ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ—ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｃｙｌｉｎｄｅｒｓ　ｉｎ　ａ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｐｏｗｅｒ　ｐｌａｎｔ．Ｃｒｅｅｐ　ｄａｍａｇｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｎｄ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｔｈｅｉｒ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｘｅｄ　ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｅｌａｓｔｉｃ　ｓｔｒｅｓｓ　ｓｈｏｕｌｄ　ｎｏｔ　ｂｅ　ｌｅｓｓ　ｔｈａｎ　ｍｉｎｉｍｕｍ　ｓｅａｌｉｎｇ　ｓｔｒｅｓｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｌａｓｔｉｃ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｎｅｉｔｈｅｒ　ｂｉｇ　ｎｏｒ　ａｐｐｅａｒｉｎｇ　ｅａｒｌｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｈｉｇｈ—ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ—ｐｒｅｓｓｕｒｅ，Ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ　ｂｏｌｔｓ，Ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ　ｆａｉｌｕｒｅ，Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　１　高温高压汽缸连接螺栓的受力变　处在高温高压下的钢螺栓，总是在应力松驰　形与松驰特征　条件下工作的。正是由于螺栓的紧固作用，工作　中螺栓上首先承受着防漏汽所施加的一定初始预　在火电厂中，钢螺栓是汽轮机、蒸汽管道和锅　紧弹性应力；其次承受由于高温及其变动形成温　炉系统上广泛使用的重要紧固零件。汽缸结合　度梯度引起的温度应力和高压汽引起的拉应力：　面、管道法兰、各种阀门等都用钢螺栓作为紧固连　再次当加工、安装或折卸不慎造成螺栓偏心引起　接部件。正是由于钢螺栓的紧固作用，使其所连　的弯曲应力；最后由于螺栓本身结构条件如螺纹　接的每个密封结合面上产生一定压力而紧密结　根部性状所决定的应力集中等。在运行工况下，　合，从而确保了锅炉／汽轮机机组系统在运行中不　钢螺栓上承受的上述作用应力，将随运行时间延　漏气，能够安全经济运行。　长而不断降低。与此同时螺栓的总变形受到约束　收稿日期：２００９—１２—０５；修订日期：２０１０—０２—０６　作者简介：章国顺（１９６３一），男，江西南昌人，副教授，主要从事热能动力工程和发配电技术的理论及应用研究工作。　基金项目：赣电科鉴字［２００２］第１３号。　・２３２・　江西科学　２０１０年第２８卷　而维持不变情况下，所产生的弹性变形随运行时　间延长而减小，并由此发生了塑性变形及其逐渐　增大，这种由于塑性变形逐渐增长或弹性变形与　及６０　Ｍｐａ拉应力条件下，经历１１　０００　ｈ测定的蠕　变曲线。从图２可以看出，它较典型清晰表明，蠕　变应变曲线是由瞬时弹性应变（ｏａ段）８　、减速弹　塑性蠕应变（ａｂ段）８　、等速塑性蠕应变（ｂｃ）　应力逐渐下降的现象，就是所谓的应力松驰。钢　螺栓在松驰过程中，实验和实践证明其总应变　和加速塑性蠕应变（ｃｄ）　构成的一条光滑曲线。　它基本上可划分为３个阶段，即第１阶段（０ａｂ）：　不变，但弹性应变　将逐渐转化为塑性应变８。，而　且二者基本上是同时与等量发生的，如图１所示。　图１松弛过程中弹性及塑性应变与时间的关系　基于图１所示的松驰特征，那么，可将松驰过　程的主要条件描述为：　占　ｅ　４－Ｅ＝ｐ常数　、　运行工作温度江常数　｝　（１）　螺栓所承受作用应力　≠常数Ｊ　对于高温高压汽缸结合面钢螺栓，当已知汽　轮机的运行工作温度ｆ＝５４０℃是一常数，螺栓在　开始运行前承受一定初始预紧力作用，它产生一　定的总应变占，由这个总应变中的弹性应变占　产　生的初始应力促使螺栓将上、下汽缸结合面互相　压紧而不致漏汽。　科学实验与生产实践充分表明，耐热钢螺栓　的松驰和蠕变有密切关系，可以认为，其高温应力　松驰过程就是在高温与一定应力作用条件下发生　蠕变的过程，这是因为高温下该应力水平由于塑　性变形的不断增加而随时降低，就如同材料在高　温及一定应力作用条件下，即使该作用应力低于　材料的屈服极限，也会随着时间的延续而缓慢地　产生不可逆塑性变形，这就是所谓的蠕变。这实　质上反映出高温下钢材在受力变形过程中，其内　部晶体组织沿晶界滑移，从而引起其塑性变形随　时间延续而不断增加，与此同时所产生的作用应　力水平则随塑性变形不断增加而逐渐降低。因　此，发生松驰与蠕变的主要原因是高温和一定作　用应力条件下钢材产生了塑性变形的缘故。对于　钢螺栓欲使抗松驰与蠕变性能好，其关键问题是　设法控制其塑性变形既不过大也不过早产生。　钢螺栓的蠕变变形过程，也可以用蠕变曲线　来描述，如图２所示就是２５Ｃｒ　Ｍｏ　Ｖ钢在５４０　ｏＣ　是弹性应变为主也有少量塑性应变又是蠕变初始　期，可以认为是弹性蠕变阶段；第Ⅱ阶段（ｂｃ）：主　要是等速塑性应变可称为等速塑性蠕变阶段；第　Ⅲ阶段（ｃｄ）：全部是加速塑性应变可称为加速蠕　变断裂阶段。从上述３个阶段可看出，在第１阶　段其蠕变速度较大，但随着时间增长而很快减少　并趋于一稳定最小值；在第Ⅱ阶段及其蠕变速度　是以恒定等速进行蠕变，则ｂｃ线段近似斜直段，　可用ｂｃ线的倾角　的正切表示其稳定蠕变阶段　的蠕变速度，它是整个蠕变过程速度最小的。通　常所说的电力行业标准《火力发电厂金属技术监　督规程》（ＤＬ４３８－－Ｏ１）中规定的蠕变速度指标，就　是指第１Ｉ阶段的蠕变速度，它是设计、管理和监　督高温金属部件的依据。在第１ＩＩ阶段中蠕变是　加速进行的，其蠕变速度迅速增加着直至突然陡　升到ｄ点断裂。在第１ＩＩ阶段所经历时间，相对于　第１Ｉ阶段所经历时间短得多，大约是１／３的时　问，但其所产生的塑性变形却大于第１与Ⅱ阶段　之和。上述蠕变曲线的几何形状，清晰地反映出　２５Ｃｒ：Ｎｏ　Ｖ钢在高温高压下的蠕变特征。　图２　２５Ｃｒ２Ｍｏ。Ｖ钢蠕变曲线　实验还证实，各种耐热钢在不同温度与应力　条件下，所测得的蠕变曲线并不相同，基本上蠕变　曲线几何形状是随应力大小与温度高低而发生变　化的。一般规律是，当温度升高或应力增大时，蠕　变过程加快进行，等速蠕变第Ⅱ阶段会消失，这　时蠕变只有第１与Ⅲ阶段，耐热钢会在很短的时　间内发生蠕变断裂；反之，当温度降低或应力减小　时，蠕变过程延缓进行，等速蠕变第Ⅱ阶段显著增　长，温度过低（小于４５０℃以下）或应力过小（低　于１０　ＭＰａ以下）时，甚至不发生蠕变第Ⅲ阶段，　这时耐热钢及其零部件不会发生蠕变断裂。这也　第２期　章国顺等：高温高压汽缸连接螺栓松驰损伤失效机理研究　・２３３．　是不同的运行工况条件下，耐热钢具有不同的蠕　变特征。火电厂设计、管理和监督人员，应充分了　Ｄ的定义，从受损伤材料介质中取出任一损伤微　体元如图３所示，它是一个宏观尺度范围内的受　解各种耐热钢的上述基本蠕变特征，扬长避短，善　于利用其蠕变特性来采取适用技术措施，大力改　进锅炉／汽轮机机组正常安全经济运行的可靠度。　损伤材料的损伤微体元，其尺寸足够大以致于可　含大量的微缺陷，但它又十分地小，可以看作是一　个材料介质点，以致于连续损伤力学的概念可以　２　受损钢螺栓内部状态的损伤力学　描述　火力发电厂耐热钢螺栓，在运行工况下，长期　被引用。若假设被法向元规定的该单元任一截面　的全面积为Ｓ，而因松驰与蠕变损伤在该面积Ｓ　内产生的受损伤面积为．ｓ。，则可将比值Ｄ＝Ｓ。／Ｓ　定义为损伤变量沿该截面法线方向的分量。若比　承受高温和高压应力作用时，它处于松驰与蠕变　过程中，在其钢材内部组织结构中产生各种不同　程度的损伤现象。若按物理学观点从细观角度来　看，松驰和蠕变损伤可看作是材料中位借、孑Ｌ穴、　孔洞、裂隙等不连续微缺陷的萌生和不断长大的　发展结果。若按化学观点从金相角度来看，松驰　和蠕变损伤则表现出一些局部区域产生碳化物　Ｍ０　Ｃ或ＭＯ　Ｃ　、石墨区、形成碳化物网与球化　区，构成孪晶界、挤入槽、滑移带和石墨化区等金　相微观图象。若按力学观点从宏观角度来看，松　驰和蠕变损伤则表现为钢材的强度、刚度、韧度、　弹性、塑性、硬度和粘塑性等一系列高温和常温下　宏观力学性能的降低和劣化。若按热力学观点从　耗能角度来看，松驰和蠕变损伤又可认为是钢材　内部组织结构的一种不可逆的耗散能量的变化过　程。因此，对耐热钢螺栓进行松驰和蠕变损伤的　力学分析时，应着重把因松驰和蠕变损伤所引起　的宏观力学效应及其最终导致断裂破坏的演变规　律提出损伤力学解决方法。　耐热钢螺栓在高温和一定预紧应力作用下，　随着运行时间延续其应力随时降低的同时，其产　生的不可逆蠕变应变也随时增长，这种宏观力学　效应反映出钢螺栓受力变形过程中，其内部萌生　孑Ｌ穴、孔洞和微裂纹及其扩展，从而导致螺栓的有　效承载面积逐渐减小，同时在这些内部缺陷之间　也发生相互作用及其应力与应变重新分布等。为　了很好地反映这种长期松驰和蠕变过程中钢材受　损伤状态，可以引用现代固体力学中连续损伤力　学的内部状态变量来描述。　考虑到钢材内部因松驰和蠕变（实质上是粘　塑性状态）损伤所致的细观缺陷之数目众多、形　状各异、分布不匀、强弱不等的千差万别，连续损　伤力学将这类损伤所致的细观缺陷的存在与演变　时的力学效应，通过引入一抽象的被称为连续损　伤变量的内部状态变量来描述它。对于损伤变量　值Ｓ。／Ｓ与截面的方向ｎ无关，则此情况下的损伤　变量为一标量，属各向同性损伤问题；若比值Ｓ。／　Ｓ．与截面的方向ｎ有关则此情况下的损伤变量具　有张量性质，属各向异性问题。因此，力学中描述　受损伤材料的损伤状态之损伤变量，它可以是标　量、矢量、二阶张量或四阶张量等，用它来概括描　述损伤性状。　图３损伤微元体　对于钢螺栓在高温和一定预紧力作用下拉伸　时，主要是发生应力松驰、弹性变形转化为塑性变　形引起越来越大的蠕变应变　。和萌生孔洞与微　裂纹及其扩展形成滑移并伴有碳化物析出形成碳　化物网状结构等，从而导致螺栓承载截面上一部　分有效承载面积逐渐减小，另一部分受损面积随　即增大。为了切实反映这种松驰与蠕变损伤性　状，基于连续损伤力学引入有效应力概念，由图３　可知，若作用在全面积Ｊｓ上的力为Ｆ，则　＝Ｆ／Ｓ。　定义Ｄ：Ｓ。／Ｓ，那么有效承截面积为：　＝Ｓ—Ｓ。＝　－ｓ（１一　），而有效承载面积上作用的有效应力为：　ＳｉＪＴ＝Ｏ＂　＝尚　（２）　从式（２）可以看出　≥　，当　＝　时为无受损材　料，但当　ｏｃ时为材料即将断裂时刻的应力。　３　应变等效性假设与弹性模量法求　损伤变量　对于受损弹脆性材料，在真实应力作用下，受　损状态的应变等效于在有效应力　作用下虚拟　・２３４・　江西科学　２０１０年第２８卷　的无损状态时的应变，即为应变等效性假设。也　就是用有效应力代替通常的真实应力，受损材料　不论是一维还是二维情况下所有变形行为可用无　形成粘塑性流动过程中，致使晶界产生孑Ｌ洞、碳化　物网及其连接贯通形成微裂纹后继续扩展，从而　构成粘塑性应变不断增大过程中，作用的有效应　损材料的本构关系表达为：　ｏ　－／Ｅ　（３）　力随时间迅速降低。在静态条件下，其损伤随着　塑性应变而变化增大。这样就可求出２５Ｃｒ２Ｍｏ。Ｖ　式（３）中：　为受损材料的应变；　为无损材料的　真实应力；　为受损材料的弹性模量；　为虚拟无　蠕变第Ⅲ阶段的塑性应变速率毒：：Ｆ（　，［１一　Ｄ］）　。而蠕变第Ⅱ阶段应变速率　：＝Ｆ（　Ⅱ／　损材料的真实应变；　为受损材料的有效应力；Ｅ　为无损材料的弹性模量；Ｄ为受损材料的损伤变　量（也称损伤度）。这样由式（３）可知，受损与无　损材料的弹性模量之间具有　：Ｅ（１一Ｄ）关系，　因此受损材料的损伤变量　可表达为：　Ｄ＝１一　Ｅ　（４）　式（４）实质上是一种弹性损伤描述方法。　对于２５Ｃｒ２Ｍｏ　Ｖ钢螺栓，其原材料在无损伤　时的弹性模量　值，２０℃下为２．１７×１０　ＭＰａ，　５５０　ｏＣ下为１．７９×１０　ＭＰａ。当该螺栓安装在高　温５４０　ｏＣ和高压９．８　ＭＰａ汽轮机高压缸结合面运　行一个大修期（约３年）后，在大修时折卸下１根　或几根进行检验，根据国标（金属拉伸试验方法）　（ＧＢ２２８－－８７）和《金属拉伸试验试样》（ＧＢ６３９７—　８６）进行常规短时拉伸试验，在室温（２０℃）时测　得　为１．６８ｘ１０　ＭＰａ，而５４０　ｏＣ时测得　为１．３７×　１０　ＭＰａ。将Ｅ与　值代人式（４）中可求得２０℃　下Ｄ＝０．２３，而５４０℃下Ｄ＝０．２４，这些数据表　明，２５Ｃｒ２Ｍｏ。Ｖ钢螺栓运行一个大修期计２６　２８０　ｈ后，其损伤程度为０．２３—０．２４，呈现出塑性应变　（或６　）约为５５％，但其拉断断口附近，尚未观察　到孔洞或碳化物网状组织结构。　依据试验确定的操作度Ｄ值，再由式（２）可　求知当螺栓运行一个大修期（３年）时材质受损条　件下，它承受的有效应力ｏ　－＝１．３　，真实应力　是由初始预紧应力、９．８　Ｍｐａ蒸汽压力通过汽缸　盖传递到螺栓上的应力以及温度应力等加在一起　时的总应力，螺栓运行３年时承受的作用有效应　力，比设计作用真实应力增大３０％，它势必造成　螺栓随运行时间延续迅速产生过大的累积塑性应　变，从而致使应力也迅速降低到材料的松驰极限　甚至于更低，这时钢螺栓就松驰失效了。　４　用粘塑性特征量方法确定损伤变量　松驰和蠕变损伤，被认为是晶体沿晶界滑移　）“，通常在蠕变常载（　为常数）状态下，　Ⅱ（１　＋　Ⅱ）：ｏｒ（１＋８）。这里ｎ为材料粘性指数，　Ⅱ、　分别为蠕变第Ⅱ阶段开始时的应变与应力，８、　为蠕变第１阶段开始时的应变与应力，　Ⅱ为蠕　变第Ⅱ阶段时应力，可取　Ⅱ＝　＝１．３ｏｒ，　为螺　栓材料的屈服极限，可从有关手册查知。由此可　求得　Ｄ＝１一［（１＋ｓ）／（１＋占Ⅱ）（　／　）　］（５）　根据测定的２５ｃｒ２Ｍｏ。Ｖ钢蠕变拉伸试验２８　０００　ｈ的蠕变曲线及Ｉ、Ⅱ阶段的蠕应变和Ⅱ、Ⅲ阶段　的蠕应变速率以及材料粘性指数，代入式（５）求　得蠕变即将断裂前瞬时的损伤度Ｄ—Ｏ．６８。　５　结论　用损伤力学观点，对受损钢螺栓通过弹性模　量法求损伤变量和用粘塑性特征量方法确定其损　伤度，可以定量地分析２５Ｃｒ２Ｍｏ，Ｖ钢的受损性　状，从而可正确评估火电厂高温高压汽缸连接螺　栓松驰损伤失效阶段，这将对于正在服役机组、调　峰机组或拟将新安装大型和超大型机组的汽缸结　合面连接钢螺栓的正常安全经济运行实时评估都　是十分重要的，这不仅具有重要实用价值，而且对　于推动现代金属材料科学与固体力学中的高温力　学发展，也具有重大理论意义。　参考文献：　［１］电力工业部．火力发电厂紧固件技术导则［ｓ］．北　京：中国电子出版社，１９９１．　［２］　电力工业部．火力发电厂金属技术监督规程［ｓ］．北　京：中国电子出版社，１９９２．　［３］王元东，王文安．蠕变损伤强度理论新准则［Ｃ］．全　国第三届电站金属构件失效分析与寿命管理学术　论文集，１９９１．　［４］　王文安．工程结构抗断设计基础［Ｍ］．武汉：华中理　工大学出版社，１９９０．　［５］熊先仁，马兆伟，郭薇，等．锅炉汽包蠕变疲劳损伤　断裂的描述［Ｊ］．江西科学，１９９８，１６（３）：１４６—１５１．