摘 要：针对火电厂常用高温高压螺栓材料25Cr2Mo1V钢常因松弛失效导致脆性断裂事故这一现象，从损伤力学观点出发，结合无损探伤理论，提出用超声波与声发射特性评估火电厂高温高压汽缸连接螺栓松弛损伤失效方法，并使所测损伤参变量实现量化。
关键词：超声波；定量评估；火电厂；螺栓；松弛失效
1 螺栓松弛损伤失效常规分析方法及损伤力学观点
由于耐热钢螺栓，在运行工况下，长期承受高温和应力作用时，它处于松弛与蠕变过程中，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，松弛和蠕变损伤可看作是材料中位错、孔穴、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，松弛和蠕变损伤则表现出一些局部区域产生碳化物MO2C或MO23C5、石墨区，形成碳化物网与球化区，构成孪晶界、挤入槽、滑移带和石黑化区等金相微观图象。若按力学观点从宏观角度来看，松弛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或劣化。若按热力学观点从耗能角度来看，松弛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弛和蠕变损伤的力学分析时，应着重针对因松弛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。
2 描述受损材料的内部状态变量
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，其内部萌生孔穴、孔洞和微裂纹及其扩展，从而导致螺栓的有效承载截面积逐渐减小，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弛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弛和蠕变（实质上是粘塑性状态）损伤所致的细观缺陷数目众多、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D的定义，从受损伤材料介质中取出任一损伤微体元（如图1所
示），它是一个宏观尺度范围内的受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被引用。若假设被法向 规定的该单元任一截面的全面积为S，而因松弛与蠕变损伤在该面积S内产生的受损面积为SD，则可将比值D＝SD／S定义为损伤变量沿该截面法线方向的分量。若比值SD／S与截面的方向无关，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SD／S与该截面的方向n有关，则此情况下的损伤变量具有张量性质，属各向异性损伤问题。因此，力学中描述受损伤材料的损伤状态之损伤变量，可以是标量、矢量、二阶张量或四阶张量等，可用它来概括描述损伤性状。
钢螺栓在高温和一定预紧应力作用下拉伸引起越来越大的蠕变应变εp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少，另一部分受损面积随即增大。为了切实反映这种松弛与蠕变损伤性状，基于连续损伤力学引入有效应力概念，由图1可知，若作用在全面积S上的力为F，则σ＝F／S。定义D＝SD／S，那么有效承载面积为 ，而有效承载面积上作用的有效应力为：
3 用超声波与声发射特性表征钢材的损伤变量
科学实验表明，声波在材料中的传播速度与材料的弹性模量等密切相关。因此，材料受损伤会引起声波在材料中传播速度的改变。这样就可以通过测定声波速度来估算材料的损伤程度。
当声频大于20kHz时，各向同性材料（如钢材）中的声速与其弹性常数（E、G、υ、λ）和密度ρ具有下述关系：
纵向声速
式中 ρ为材料密度；E为材料弹性模量；G为材料剪切弹性模量；v为材料泊松比；λ为材料拉梅常数。
受损伤材料的纵向波速vL与横向波速vT同受
大量实验证实，无损材料与受损材料的密度变化甚小，可忽略不计，则由式（3）与（5）求得横向波速的变化来确定的一个损伤变量为：
同样考虑到式（6）可由（2）与（4）求得用纵向波速的变化来确定另一个损伤变量为：
由上式（6）、（9）和（10）可见，ΨG与ΨE皆为标量的损伤连续性因子，通常可用单标量的损伤连续性因子Ψ来表示材料各向同性损伤性状，即
如果用声发射仪及其技术来检测材料的损伤时，由于材料受力变形时内部微缺陷发展长大，将释放应变能，其中一部分是以高频应力波的形式发射与传播，称其为声发射，这种声能量经过换能器及前置放大器加以处理与记录，从而依它可推断材料内部组织结构变化与损伤劣化状况。基于声发射特性（声能量）可建立起材料损伤变量表达式为
D＝Ω／Ωm（13）
式中 Ωm为零件材料（或试件）破坏时总的声发射能量，Ω为其所检测时刻的声发射能量。
将25Cr2Mo1V钢螺栓无损原材料和运行26280小时受损材料制成的标准拉伸试件，在室温（20℃）下做拉伸疲劳试验，利用INSTON1342材料试验机加、卸载，采用MBS8000超声波测试系统测量超声波波速，横波探头频率为5MHz，其直径为6．35mm，探头与试件表面之间的耦合，采用专用应变胶（或502胶、无机结构胶）粘胶，其厚度约为0．1mm薄膜。测试的部分数据列入表1。 
通过表1所列超声波测试的25Cr2Mo1V钢的受损性状可以看出，钢材的塑性应变与其损伤在不同距离上的交互作用，是引起材料劣化且使材料产生应变软化效应的基本原因。采用超声波技术测试钢材损伤情况，可使所测损伤参变量实现量化，其测试方法简捷，能考虑损伤对材料参数、传播速度的影响，切实全面地体现钢材实际特征，是贴近实际的检测方法。如果能在加载与卸载过程中都进行超声波跟踪测量，可对加载与卸载过程中损伤情况进行比较，将会发现塑性应变累积增大及其演变，累积达到其临界值后其损伤会突然剧增，将致使钢材开裂脆断。
4 结论
通过超声波检测，可以定量地分析25Cr2Mo1V钢的受损性状，从而实时地检测并评估火电厂高温高压汽缸连接螺栓松弛损伤失效阶段，这对于正在服役机组、调峰机组或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，也具有重大理论意议。 参考文献：
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