高温焊接结构服役寿命精准评估方法

本项目属高温结构完整性评估领域。

“双碳”战略下，我国能源领域面临新发展格局和运行态势。以先进火电机组主蒸汽管道、第四代核电钠冷快堆和高温气冷堆高温管道为代表的高温核心装备，由于服役环境极端复杂化与设计寿命超长化，失效模式和破坏机理发生重大变化。

高温管道通过焊接方式连接，焊接接头由于各微区组织性能不同以及焊接缺陷存在，成为结构可靠性的最薄弱环节。目前，焊接微区在役性能评价方法缺失，裂纹尖端应力状态变化对结构寿命的重要影响以及复杂环境交互引起的裂纹扩展行为变化的表征等关键瓶颈未得到解决，致使寿命预测精度严重不足，无法满足我国高温结构的自主设计、制造和安全运行需求。

本项目经过系统性研究，解决了三大关键科学问题，主要科学发现如下：

1. 发展了微损伤的取样与测试方法，提出了小冲孔微试样与标准试样之间蠕变性能的数据转化模型，建立了“微损伤取样-小冲孔微试样测试-蠕变性能计算”的高温在役性能评价方法，实现了在役管道焊接接头微区高温性能的微损伤评价。

2. 系统揭示了面内拘束、面外拘束和焊接接头微区蠕变性能差异对蠕变裂纹扩展行为的影响机理，提出了蠕变裂纹扩展新参量Q，建立了C-Q*双参量蠕变裂纹扩展速率预测方法，实现了高温焊接结构蠕变裂纹扩展寿命预测精度的有效提升。

3. 构建了同时反映裂纹扩展机理和扩展性能变化的蠕变-疲劳裂纹扩展数值计算方法，阐明了复杂环境下蠕变损伤、疲劳损伤的竞争性和非线性交互作用机制，建立了纳入裂纹尖端塑性应变幅、应力峰值、应力三轴度及交互作用的蠕变-疲劳损伤模型，实现了蠕变-疲劳复杂环境下裂纹扩展寿命的精准预测。

8篇代表性论文在机械力学领域权威期刊IJF、IJMS、EFM等发表，总他引161次，总被引频次301次。欧盟联合研究中心Holmström教授评价“小冲孔微试样法解决了焊接微区无法制备标准试样进行高温蠕变性能表征难题”；韩国工程院院士Yun-Jae Kim和中国工程院院士涂善东多次正面引用本项目成果并指出“Q参量为当前国际上三个与载荷无关性断裂参量之一，Q已用于含缺陷管道蠕变裂纹寿命计算”，基于C-Q双参量寿命预测方法写入我国电力行业标准。

项目成果在国家能源集团国华电力研究院、中广核集团岭澳核电、国网上海市电力公司等应用，累计直接经济效益175万元。研究成果为高温结构的长寿命可靠性设计与评估提供知识积累、理论基础和技术支撑。

本项目属高温结构完整性评估领域。“双碳”战略下我国能源领域面临新发展格局和运行态势,以先进火电机组主蒸汽管道、第四代核电钠冷快堆和高温气冷堆高温管道为代表的高温核心装备,由于服役环境极端复杂化与设计寿命超长化,失效模式和破坏机理发生重大变化。高温管道通过焊接方式连接,焊接接头由于各微区组织性能不同以及焊接缺陷存在,成为结构可靠性的最薄弱环节。目前,焊接微区在役性能评价方法缺失,裂纹尖端应力状态变化对结构寿命的重要影响以及复杂环境交互引起的裂纹扩展行为变化的表征等关键瓶颈未得到解决,致使寿命预测精度严重不足,无法满足我国高温结构的自主设计、制造和安全运行需求。本项目经过系统性研究,解决了三大关键科学问题,主要科学发现如下：（1）发展了微损伤的取样与测试方法,提出了小冲孔微试样与标准试样之间蠕变性能的数据转化模型,建立了“微损伤取样-小冲孔微试样测试-蠕变性能计算”的高温在役性能评价方法,实现了在役管道焊接接头微区高温性能的微损伤评价。（2）系统揭示了面内拘束、面外拘束和焊接接头微区蠕变性能差异对蠕变裂纹扩展行为的影响机理,提出了蠕变裂纹扩展新参量Q*,建立了C*-Q*双参量蠕变裂纹扩展速率预测方法,实现了高温焊接结构蠕变裂纹扩展寿命预测精度的有效提升。（3）构建了同时反映裂纹扩展机理和扩展性能变化的蠕变-疲劳裂纹扩展数值计算方法,阐明了复杂环境下蠕变损伤、疲劳损伤的竞争性和非线性交互作用机制,建立了纳入裂纹尖端塑性应变幅、应力峰值、应力三轴度及交互作用的蠕变-疲劳损伤模型,实现了蠕变-疲劳复杂环境下裂纹扩展寿命的精准预测。8篇代表性论文在机械力学领域权威期刊IJF、IJMS、EFM等发表,总他引161次,总被引频次301次。欧盟联合研究中心Holmstr?m教授评价“小冲孔微试样法解决了焊接微区无法制备标准试样进行高温蠕变性能表征难题”;韩国工程院院士Yun-Jae Kim和中国工程院院士涂善东多次正面引用本项目成果并指出“Q*参量为当前国际上三个与载荷无关性断裂参量之一,Q*已用于含缺陷管道蠕变裂纹寿命计算”,基于C*- Q*双参量寿命预测方法写入我国电力行业标准。项目成果在国家能源集团国华电力研究院、中广核集团岭澳核电、国网上海市电力公司等应用,累计直接经济效益175万元。研究成果为高温结构的长寿命可靠性设计与评估提供知识积累、理论基础和技术支撑。