Q345R钢高温损伤的疲劳特性研究*

李其 孙 萍 陈 猛

（东北石油大学机械科学与工程学院）（中国石油天然气股份有限公司大庆炼化分公司)

0 引言

Q345R钢是压力容器专用钢板，广泛应用于石油、化工、能源及运输等行业。该类设备的工作条件复杂，要在高温、高压的工况下运行。Q345R钢的使用温度上限一般不超过400℃。在较高的温度环境下，或在非正常的工况下，压力容器设备有可能在400℃操作温度下短期运行，这样就可能发生超温事故,对材料造成短时间高温损伤。然而，该压力容器设备往往在下一个检修期到来之前还必须继续使用。因此，研究Q345R钢短时高温损伤对设备安全运行造成的影响无疑是很有益的[1]。

本研究应用疲劳强度理论和累积损伤理论，通过静拉伸试验测得高温损伤后Q345R钢的机械性能 （即静特性），去推测Q345R钢的疲劳特性曲线，提出了一种在用Q345R钢服役期限的确定方法，为炼油化工厂安全使用Q345R钢材料提供了科学的理论依据

1 Q345R钢的材料性能

1.1 Q345R钢的高温损伤试验

本试验用的试件取自在役压力容器设备的预留板材加工制成。为了研究Q345R钢高温损伤后的性能变化，将Q345R钢材料置于自动加热并控温的加热炉内，温度加热至800℃、900℃、1000℃和1100℃。在4种不同的温度下分别保温12 h。12 h后停止保温，让试件在加热炉内空冷至常温，然后把经过不同温度损伤的Q345R钢材料加工成静拉伸标准试样，测定其力学性能[2]。

1.2 Q345R钢高温损伤后的力学性能测试

将高温损伤后的Q345R钢材料按照金属材料室温拉伸试验方法[1]制成标准试样，在拉力试验机上测试试样的屈服强度、抗拉强度以及断面收缩率[3]。从4组高温损伤后的Q345R钢材料中，每组取3个试样进行试验，测得的结果见表1。

表1 高温损伤后Q345R钢的机械性能

2 由静特性推测其疲劳特性的原理

通常，金属构件的疲劳性能应当通过实验室试验来确定。但是，有时所需要的有关特性却得不到，以致不得不用其他可获得的特性或由现有设备能迅速求得的特性去推测它们。目前有关金属构件疲劳特性的推测，主要有以下3种方法：（1）以应力为基础； （2）以塑性应变为基础； （3）以全应变为基础。关于Q345R钢的疲劳问题，应采用以全应变为基础的方法，通过试验测得高温损伤后Q345R钢的静特性来推测其疲劳特性。对于以全应变为基础的疲劳问题，其方程式为[4]：

弹性应变幅和塑性应变幅与疲劳寿命Nf之间存在如下关系：

式中c——疲劳延度指数；

εf′——疲劳延度系数；

σf′——疲劳强度系数；

E——杨氏模量；

2Nf——发生疲劳破坏时的载荷反响次数，即2倍的疲劳寿命；

b——疲劳强度指数。

对于式 （2），以塑性应变值域表示：

对于韧性金属，疲劳延性指数c近似为常数，这里取c=-0.6；R代表的是试样断裂后的断面收缩率ψ[2]。

对式 （3）两边取对数可得：

对于大多数金属，这两个疲劳强度特性参数可取下列近似值[5-6]:

3 高温损伤后Q345R钢疲劳特性推测

现在用上面提出的不同温度下的抗拉强度σb和断面收缩率 ψ 代入式 （6）、 式 （8） 和式 （9），计算出疲劳延性系数ε′f、疲劳强度系数σf和疲劳强度指数b，将计算出的数据列入表2。

将计算出的疲劳延度系数ε′f、疲劳强度系数σf和疲劳强度指数b代入式 （4），计算出每个总应变幅Δε值对应的Nf值，计算结果见表3。随后可制成疲劳特性曲线[4]。这些由静特性推测出的疲劳特性数据，是确定在用Q345R钢服役期限的重要依据[5]。

表2 由静特性推测的高温损伤后的Q345R钢疲劳特性参数

表3 由静特性推测的Q345R钢服役期限

4 累计损伤因子的确定

累计损伤规律大致可以分为修正线性累计损伤和线性累计损伤两个方面，其中以Miner线性累积损伤理论应用最为广泛[6-7]。Miner线性累积损伤理论假定构件的每一个载荷循环都会消耗掉一定的有效寿命，所消耗掉的总寿命与各载荷下的周次比的总和成正比关系，当周次比的总和等于1时，构件会发生破坏失效。用方程式表达，失效发生时有

其中：n1，n2，…，nn表示在应力水平为 1，2，…，n 时的周次，而N1，N2，…，Nn是从零件疲劳曲线上得到的应力水平为1，2，…，n时的失效周次[8]。

对于Q345R钢材料，由已使用的年限可得到其损伤因子D为：

通过对试验数据整理可知，损伤因子D与载荷的大小和应用的次序有关。

5 结束语

通过实测高温损伤后的Q345R钢材料机械性能数据表明：Q345R钢材料的疲劳强度的变化主要取决于其塑性变形。Q345R钢材料的疲劳延度系数ε′f随着损伤温度的升高而降低，从而使Q345R钢材料的疲劳寿命降低。

本文利用高温损伤后的Q345R钢材料的静特性推测其疲劳特性，提出一种在用Q345R钢高温损伤后服役期限的确定方法，其研究成果对炼油化工厂科学、合理地使用压力容器具有重要意义。

[1]晏燕,刘安中,周道祥,等.16MnR钢高温损伤的力学性能研究 [J].合肥工业大学学报 （自然科学版），2011,34(6):827-829,953.

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