氢腐蚀－外加载荷耦合作用下疲劳裂纹损伤演化模型研究

With the development of energy and petrochemical industries, scale-up, high parameters become the develop trend of pressure equipments. High temperature, high pressure and wet corrosive environment make the typical working condition of petrochemical equipments to become a corrosion fatigue condition. Under this condition, even a small defect may grow quickly and repture suddenly, and lead to a catastrophic accident, which becomes the biggest safety hazard of petrochemical indestry. Therefor, the research on damage model which can reflect the coupling interaction of hydrogen corrosion and applied load has important theoretical value and practical significance. In this project, based on the energy method of crack growth, instrumented indentation hardness is used to determin the distribution of hydrogen damage, and the influence of hydrogen damage on crack driving force is studied then. Secondly, the effect of hydrogen damage on crack growth resistance property is studied and an evaluation function is bulit. Finally, consider the effects of hydrogen damage on crack driving force and crack propagation resistance at the same time, a fatigue crack damage model which can reflect the coupling interaction of hydrogen corrosion and applied load is built based on energy method, and this model lays a theoretical foundation for the safety evaluation and life prediction of structures worked in corrosive envrionment.

随着能源和石油化工产业的不断发展，承压设备的大型化、高参数化势在必行。而高温、高负荷及含腐蚀介质的潮湿环境使石化设备的典型工况为腐蚀疲劳工况，在这种工况下，即使很小的缺陷也可能迅速扩展，发生突然断裂，导致灾难性事故的发生，成为影响工业生产安全运行的最大隐患。因此，构造反映氢腐蚀与外加载荷耦合作用的裂纹损伤演化模型具有重要的学术意义和工程价值。本项目从裂纹扩展的能量本质出发，采用仪器化硬度研究氢腐蚀损伤在材料内分布状况，确定氢腐蚀因素对裂纹扩展驱动力的影响规律；研究氢腐蚀环境下材料的抗裂纹扩展的性质，得到氢腐蚀因素对材料抵抗损伤能力下降的评定函数，确定氢腐蚀因素对裂纹扩展阻力的影响规律；最终，同时考虑氢腐蚀因素对裂纹扩展驱动力及阻力的影响，基于能量法构造反映氢腐蚀与外加载荷耦合作用的疲劳裂纹损伤演化模型，为在腐蚀环境中服役的结构的安全评定、寿命评估奠定理论基础。

随着石化设备的大型化、高参数化，腐蚀疲劳工况下的寿命预测、风险评估技术等问题成为了能源产业的热点问题。因此，构造反映氢腐蚀与外加载荷耦合作用的疲劳裂纹扩展模型具有重要的学术意义和工程价值。.静态充氢后试件逐层显微硬度的测试结果表明，硬度-层深曲线与材料内氢含量分布显示出高度一致性，硬度可作为研究氢损伤分布规律的可靠手段。以氢扩散公式为基础，构造了反映腐蚀时间、介质浓度等因素的氢损伤分布模型。.在获取氢含量-氢致应力关系的基础上，根据氢渗透和应力诱导氢扩散理论，推导得到氢腐蚀与外加载荷共同作用下的氢致应力表达式；应用螺栓加载预裂纹试样对腐蚀后的裂尖应力场进行实测。理论与实验结果的对比显示，腐蚀环境中的裂尖应力场不是外加应力与氢致应力的简单叠加，二者是相互影响的耦合关系，计算裂尖实际应力场时应采用迭代计算的方法。经过迭代计算后，实验应力与理论模型吻合较好。.在腐蚀环境中对材料的断裂韧性进行测试，探讨腐蚀因素对裂纹扩展阻力的影响机制。实验结果显示，氢腐蚀使断裂韧性下降40-50%。腐蚀前后材料的弹性模量和压痕模量均未有显著改变，腐蚀未对实验材料的原子间合力产生影响。应用迭代模型计算得到的氢致应力数值与断裂韧性下降量对应的名义应力数值相吻合，腐蚀环境中材料的低外加应力脆断的主要原因为氢致附加应力增大了裂纹扩展驱动力。.基于热力学原理，构造了考虑氢致应力的、反映氢腐蚀与外加载荷耦合作用的疲劳裂纹扩展模型，并应用边界元法模拟了空气及腐蚀环境中的疲劳裂纹扩展过程。结果显示，空气中模拟曲线与实验数据吻合较好；腐蚀环境中，稳定扩展阶段的裂纹扩展曲线与实验数据趋势一致，初期略有差异，这是由于实验数据初期为裂纹初始扩展阶段，而构造的腐蚀疲劳裂纹扩展模型主要描述稳定扩展阶段所导致的。模拟与实验数据最大误差不超过10%，证实本项目所得腐蚀疲劳裂纹扩展模型可用于安全评估、寿命预测等方面，具有实际工程价值。