高温紧凑式回热器材料蠕变参数的试验研究.pdf

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1、第39卷第2期化工机械143高温紧凑式回热器材料蠕变参数的试验研究。刘。波“黄聪刘帆雷鸣庄法坤周帼彦(华东理工大学机械与动力工程学院)摘要采用三点弯小试样方法，对高温紧凑式回热器用材P91在600％。不同栽荷下进行了3组蠕变试验．蠕变曲线具有明显的第一、二阶段，且第二阶段持续时同长。3组(P，d，)在双对数坐标系里呈线性关系，验证了三点弯小试样预测蠕变参数的可行性，但具体参数之间的转换关系式仍有待深入研究。关键词高温材料P91蠕变参数三点弯小试样中圈分类号TQ050．4’7文献标识码A文章编号0254-6094(2012)0220143204提高能源利用效率、降低能耗已成

2、为建设节能型工业生产体系的关键所在，由此开发了各种高效的工艺流程。为适应不同的工艺条件和操作工况，各种形式的紧凑式换热器被广泛应用于石油、化工和航空领域，并取得了显著的经济效益，如板式、板翅式、螺旋板式、翅片管式以及热管式换热器等¨1。需要指出的是，以往针对紧凑结构圆热器的研究往往只关注其热交换效率，而忽略了高温、高压条件下其结构自身强度及高温行为等问题。随着工作温度和介质压力的不断升高，紧凑式回热器的内部核心构件，即板翅结构在长期运行过程中不可避免地发生了蠕变变形、萌生裂纹和蠕变断裂现象，致使回热器失效，由此可见，蠕变是高温回热器失效的主要形式口。。可以预见，紧凑结构回

3、热器的高温力学行为将直接决定其长期服役的安全可靠性，并直接影响着离薪技术的推广和应用。因此，研究紧凑式回热器的赢温强度，可以为设备的寿命预测提供保障，对于冀在设计寿命内的正常运行具有重要意义，但其换热单元结构紧凑、体积小¨i，高温下材料的蠕变参数难以通过直接在设备上取标准试样的试验方法获得。因此，必须开发非传统的小试样蠕变试验方法，笔者以此为基础，选取常用高温材料P91作为试验材料，采用三点弯小试样方法进行蠕变试验。1试验简介1．1传统单轴拉倬蠕变试验传统的单轴拉伸试验采用标准试样获取材料的高温性能。文献[4]中推荐的标准圆形横截面蠕变试样总长185mm，原始直径lOmm

4、。为制备标准试样，需要在原设备上大量取材，这对在役设备来讲是不允许的”-。1．2小冲孔杆蠕变试验小冲杆试验(SmallPunch，SP)兼备无损和取样两种优势¨1。sP试验是在核能工业材料的应用背景下提出的，历经二十多年的发展，其应用越来越广泛。但是，Sp试验法仍存在试验装置、试样及试验过程参数等方面不统一的问题，这使得各实验室得出的结果有较大差异，可比性差。“JCM"J指出sP试验的结果对试样的厚度相当敏感，即使相差很小也会导致结果有一定的偏差。陈玉新等¨o通过对SUS304材料的小冲孔蠕变试验研究指出，‘载荷、温度、试样厚度和环境是小冲孔试验的主要影响因素，对试验结果

5、影响很大。1．3三点弯蠕变试验XuBX等一1提出采用三点弯方法测量材料蠕变性能，建立三点弯试样与标准试样蠕变参数的解析表达式，其采用非对称的弯曲模型。马渊睿等¨驯通过三点弯小试样试验，推导出Nor一·华东理工大学校级大学生刨薪项目(X0943)和国家自然科学基金项目(50905060)。·★刘渡，男，1988年li月生，硕士研究生。上海市，200237。144化工机械2012焦ton方程蠕变参数的理论公式，实现了与传统单轴拉伸蠕变试验结果之间的转换，通过三点弯有限元模拟分析，验证了三点弯试验获得材料蠕变性能的可行性，通过模拟分析可知模拟结果对小试样的尺寸偏差相当敏感。由以

6、上分析可以发现，三点弯小试样测量蠕变参数理论上是可行的，但是三点弯长时蠕变试验数据尚少，因此笔者进行了该项试验。2试验装置和试样试验在高温电子塌变试验机CSS-3902上进行。3组试验温度均设定为600。C，参照文献[4]设定试验误差。试验期间3组试验载荷与平均温度的绝对误差见表1。表1蠕变试验载荷与温度的绝对误差P91钢是20世纪70年代由美国橡树岭实验室和美国燃烧工程公司冶金材料实验室合作研制成功的¨“；该钢种自1983年被ASTM认可以来，已被许多国家承认¨⋯。国内外诸多学者致力于t'91钢的蠕变性能及其焊接工艺的研究¨“。1989—1990年我国开始试制Tgl／P

7、91钢¨⋯，如今P91的生产技术早已成熟，其化学成分见表2¨“。表21：'91钢的化学成分％本试验试样与夹具的力学模型如图1所示，虚线示意试样变形后的形状。试样采用P91材料，夹具用Inconel625材料制成。试验采用对称加载模式，为减小局部应力，将试样与夹具的接触面加工成圆弧状。{、一一∞叩L-!垒一图1三点弯小试样力学模型3数据处理典型的蠕变曲线分为初始阶段、第二阶段和第三阶段。实际工程上常常忽略短暂的初始阶段和复杂的第三阶段，通过应力和应变描述第二阶段。对于金属材料，蠕变应变速率与应力之间并非线性关系，最常见的关系式是