《Materials》：Research on Damage Evolution Laws and Life Prediction of 12Cr1MoVG Heat-Resistant Steel Under Different Thermal Shock Cycles
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摘要：当火电机组在深度调峰和变负荷工况下运行时，锅炉换热面耐热材料会因频繁的热冲击而遭受加速的疲劳损伤。为掌握火电机组关键设备高温耐热钢的热冲击损伤演化规律，基于12Cr1MoVG耐热钢开展了塑性应变模拟分析。通过数值模拟，研究了热冲击持续时间、热应力演化、等
摘要：当火电机组在深度调峰和变负荷工况下运行时，锅炉换热面耐热材料会因频繁的热冲击而遭受加速的疲劳损伤。为掌握火电机组关键设备高温耐热钢的热冲击损伤演化规律，基于12Cr1MoVG耐热钢开展了塑性应变模拟分析。通过数值模拟，研究了热冲击持续时间、热应力演化、等效塑性应变（PEEQ）累积、损伤穿透深度与疲劳寿命之间的耦合关系。结果表明：延长热冲击持续时间会增加材料的热应力，使失效深度从2.24 mm增加至2.6 mm，并加速材料不同深度处PEEQ的累积速率，理论寿命从1.82 × 105次循环降低至1.72 × 105次循环；延长低温保持时间会降低材料的热应力，使失效深度从2.24 mm减小至2.03 mm，并减缓材料不同深度处PEEQ的累积速率，理论寿命从1.81 × 105次循环增加至1.94 × 105次循环。研究结果可为火电关键设备高温高压材料疲劳损伤与寿命评估提供参考。
论文解读：12Cr1MoVG耐热钢热冲击损伤演化与寿命预测研究
一、研究背景与问题提出
全球能源行业正加速向清洁低碳方向转型，可再生能源并网比例的不断提高对电力系统的灵活性和稳定性提出了新的要求。煤电作为我国基础电力和系统调节的重要电源，正逐步从常规基荷运行向灵活调峰和调频服务转变，深度调峰运行和快速负荷变化已成为火电机组日益普遍的运行工况。频繁的负荷波动使锅炉换热面承受反复的温度变化和热冲击，这会加速耐热材料的结构退化和疲劳损伤，进而增加长期运行的安全风险。
已有研究主要通过数值模拟、试验测试和失效分析等手段对高温承压部件的热疲劳与失效机制进行了探索。例如，Zhao等人研究了主管道承压管道的高周热疲劳，发现温度波动频率显著影响焊缝附近的温度衰减；Zhang等人报道了结构约束引起的二次应力与循环热应力共同导致低压旁路疏水管道的泄漏失效；对锅炉过热器管和高温疏水部件的失效分析进一步表明，循环热载荷可促进裂纹萌生、裂纹扩展和结构退化。在材料退化方面，He等人研究了深度调峰条件下耐热钢的失效行为，Wang等人对服役280,000小时后的12Cr1MoV过热器管进行了分析，发现力学性能退化伴随蠕变空洞和宏观裂纹。Man等人系统研究了12Cr1MoVG钢的高温力学与蠕变行为，Shen等人表征了400–800°C热老化后12Cr1MoVG钢的微观结构和力学退化。
然而，已有研究大多聚焦于服役后失效分析、裂纹萌生与扩展、腐蚀退化或长期蠕变行为，针对反复热冲击引起的渐进损伤演化仍缺乏定量表征，特别是热应力演化、等效塑性应变累积、损伤穿透深度与疲劳寿命退化之间的耦合关系尚未被充分阐明。此外，单个热循环参数如高温热冲击持续时间和低温保持时间对塑性应变沿厚度方向演化及理论疲劳寿命的影响也缺乏系统研究。因此，该研究通过热-力有限元分析系统研究了12Cr1MoVG耐热钢的热冲击损伤演化，评估了热冲击持续时间和低温保持时间对热应力演化、不同深度处PEEQ累积、损伤穿透行为和理论疲劳寿命的影响，发表在《Materials》期刊。
二、主要技术方法
研究人员建立了10 mm × 6 mm × 3 mm的代表性管壁局部模型，选取12Cr1MoVG耐热钢作为研究对象，采用温度相关的弹塑性本构关系描述材料行为。有限元网格采用三维八节点热-力耦合缩减积分单元（C3D8T），经网格无关性验证后选用50,274个单元。热冲击暴露表面施加规定的循环温度历史，相对区域施加机械约束以模拟周围管结构的限制。高低温阶段均按瞬态热传导处理，热冲击持续时间和低温保持时间分别设为5、10和15 s进行参数对比。采用Coffin–Manson关系作为对比性疲劳寿命评估方法，塑性应变幅值从有限元结果中提取的循环PEEQ变化计算得到。
三、研究结果
3.1 热冲击持续时间对材料疲劳损伤的影响
研究发现，随着高温热冲击持续时间增加，材料沿厚度方向的损伤穿透深度从2.24 mm显著增加至2.60 mm。材料表面热应力从151.21 MPa增加至158.35 MPa，表面以下1 mm处热应力从148.35 MPa增加至153.16 MPa，表面以下2.5 mm处热应力从142.65 MPa增加至146.76 MPa。延长高温热冲击加速了热量扩散并加深了沿厚度方向的热穿透，提高了材料各深度处的平均热应力，从而增强了局部塑性变形趋势并促进PEEQ累积。在冷却阶段，热收缩改变局部应力状态，进一步促进逐循环塑性应变累积。距暴露表面较远的材料区域仅形成二次温度场，PEEQ累积速率较低，但随着热冲击持续时间增加，2.5 mm深度处的PEEQ累积速率逐渐增大，表明延长热冲击促进了损伤沿厚度方向的更深穿透。
3.2 低温保持时间对材料疲劳损伤的影响
当低温保持时间从5 s增加至15 s时，材料不同深度处的PEEQ累积速率逐渐降低。表面热应力从150.24 MPa降低至146.48 MPa，表面以下1 mm处热应力从148.36 MPa降低至144.48 MPa，表面以下2.5 mm处热应力从143.24 MPa降低至139.85 MPa。热应力的降低使材料更难发生显著塑性变形，导致PEEQ累积速率降低。损伤穿透深度从2.24 mm逐渐减小至2.03 mm。与延长热冲击持续时间相比，增加低温保持时间引起的损伤穿透深度变化相对有限，主要因为低温阶段温度仍高达450°C，材料与周围环境的温差减小导致冷却速率降低，热应力幅值仅发生轻微变化。
3.3 材料寿命预测
当每个循环内高温热冲击持续时间从5 s增加至15 s时，理论寿命从1.82 × 105次循环降低至1.72 × 105次循环。寿命下降主要归因于材料在长时间高温热冲击下持续膨胀，弹性应变无法在短时间内有效恢复，PEEQ累积持续增加，加速了材料损伤累积。当低温保持时间从5 s增加至15 s时，理论寿命从1.81 × 105次循环增加至1.94 × 105次循环。寿命增加主要因为延长低温保持时间使沿厚度方向的温度梯度逐渐减小。研究结果表明，应尽可能避免长时间高温热冲击暴露，而适当增加低温保持时间有助于降低热应力幅值、抑制塑性应变累积并延缓疲劳损伤发展。
四、讨论与结论
研究人员指出，该数值模型存在若干局限性：局部管壁模型无法完全再现管道的曲率、整体结构变形和完整径向膨胀行为；未包含内压载荷，计算得到的应力和PEEQ分布不能代表运行中承压锅炉管的完整多轴应力状态；疲劳损伤公式基于线性累积损伤，未明确考虑非线性载荷顺序相关损伤演化；未考虑蠕变损伤和环境退化效应；缺乏与模拟条件等效的热循环试验直接验证。因此，损伤穿透深度和疲劳寿命值应视为所采用建模框架内的对比性数值指标，而非经试验校准的失效阈值或绝对服役寿命预测。
研究结论如下：（1）增加热冲击持续时间使材料损伤穿透深度从2.24 mm增加至2.60 mm，PEEQ累积速率随热冲击持续时间增加而增大，材料疲劳损伤加速；（2）增加低温保持时间使材料损伤穿透深度从2.24 mm减小至2.03 mm，PEEQ累积速率随低温保持时间增加而降低，材料疲劳损伤演化得到有效延缓；（3）热冲击持续时间从5 s增加至15 s时，理论预测寿命从1.82 × 105次循环降低至1.72 × 105次循环；低温保持时间从5 s增加至15 s时，理论预测寿命从1.81 × 105次循环增加至1.94 × 105次循环。
