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前言1

第一章高温过程及其材料的损伤1

1.1高温高压：现代过程工业面临挑战1

目 录1

1.2石油化学工业4

1.2.1炼油过程4

1.2.2乙烯裂解过程9

1.3化肥工业15

1.3.1原料气的制备16

1.3.2氨的合成20

1.4.1火力发电高温工艺23

1.4发电过程高温工艺23

1.4.2先进的核电技术28

1.5航空航天高温过程33

1.6其他高技术高温过程38

1.6.1超临界水氧化技术38

1.6.2生物质能的利用40

1.7高温设备设计与延寿的科学问题43

参考文献47

第二章蠕变力学基础50

2.1蠕变的概念50

2.2蠕变及蠕变破坏的物理机制55

2.3单轴蠕变特性的描述59

2.4短时试验结果向长时的外推：参数外推方法63

2.4.1基础设计数据的表述问题63

2.4.2以率型方程为基础导出的参数65

2.4.3经验参数67

2.4.4参数外推的精度69

2.5单轴蠕变试验结果向多轴应力状态的推广71

2.6结构蠕变问题的求解74

2.6.1 二力杆结构的蠕变应力74

2.6.2受内压厚壁圆筒的稳态蠕变解79

2.7近似分析方法：参考应力法84

2.8蠕变变形控制准则及破断韧性86

2.9蠕变寿命的预测91

2.9.1 变应力和变温度条件下蠕变损伤的累积92

2.9.2加速试验问题95

参考文献96

第三章损伤理论及结构损伤力学行为99

3.1损伤及连续损伤理论100

3.1.1损伤的定义100

3.1.2 有效应力的定义102

3.1.3应变等价性原理102

3.1.4损伤演化的描述方法104

3.2 Kachanov-Robatnov的损伤理论105

3.3.1 本构方程与多轴损伤应力110

3.3 多轴应力状态下的本构关系110

3.3.2 多轴应力状态对韧性的影响114

3.4物理损伤蠕变理论117

3.5各向异性损伤的张量描述121

3.5.1有效损伤张量121

3.5.2有效应力和损伤有效应力的张量表示124

3.5.3蠕变损伤模型125

3.5.4耦合损伤的各向异性蠕变模型129

3.5.5与实验结果的比较131

3.6受损结构的力学行为134

3.6.1结构损伤的研究方法134

3.6.2 二力杆结构的蠕变损伤135

3.6.3承压圆简的蠕变损伤140

参考文献143

第四章高温下裂纹扩展与断裂的原理146

4.1蠕变裂纹扩展的基本特点146

4.2裂尖蠕变区148

4.3大范围蠕变的裂尖应力场的描述152

4.4 小范围蠕变条件下的裂尖应力场的描述156

4.5蠕变裂纹扩展速率的描述160

参考文献167

第五章高温腐蚀169

5.1高温腐蚀环境与腐蚀现象169

5.2金属／介质反应的热力学173

5.2.1氧化物形成自由能174

5.2.2氧化热力学181

5.3金属氧化的动力学183

5.3.1氧化动力学规律183

5.3.2氧化膜厚度与金属当量温度关系185

5.4氢腐蚀189

5.5高温渗碳与碳化腐蚀研究195

5.5.1高温渗碳195

5.5.2高温渗碳损伤198

5.5.3金属尘化腐蚀203

5.6液态金属腐蚀207

5.6.1液态金属对热管材料的腐蚀试验208

5.6.2腐蚀机理的分析209

5.7其他高温腐蚀及高温腐蚀环境下的材料选择213

参考文献216

第六章疲劳、蠕变和腐蚀的交互作用220

6.1疲劳－蠕变及与环境交互作用的基本概念220

6.2等温条件下的蠕变－疲劳交互作用227

6.2.1线性损伤累积法则228

6.2.2应变变程划分（SRP）模型229

6.2.3频率划分（FS）模型与频率修正损伤函数（FMDF）模型232

6.2.4连续损伤力学方法233

6.2.5基于微观物理机制的模型235

6.3蠕变－疲劳评定方法的比较236

6.4环境－蠕变－疲劳交互作用241

6.5热机械疲劳的寿命预测技术246

6.5.1热机械疲劳的概念与一般分析方法246

6.5.2热机械疲劳寿命的详细分析方法250

参考文献252

第七章高温下结构有限元分析基础256

7.1非线性有限元方程一般解法256

7.1.1非线性有限元方程256

7.1.2非线性有限元方程的解法257

7.1.3弹塑性有限元分析方法263

7.2弹性蠕变损伤问题267

7.2.1理论公式267

7.2.2蠕变应变和损伤增量的积分格式269

7.2.3热弹性蠕变边值问题的有限元基本方程275

7.2.4数值实施275

7.3热弹塑性蠕变损伤分析276

7.3.1热弹塑性蠕变问题的等向强化模型276

7.3.2热弹塑性蠕变分析中的几个关键问题280

7.3.3循环加载下热弹塑性蠕变分析284

7.4厚壁圆筒高温蠕变损伤数值模拟实例289

参考文献294

第八章高温下焊接结构完整性295

8.1高温下焊接结构的失效及其研究方法295

8.1.1高温下焊接接头失效的基本类型295

8.1.2焊接接头蠕变性能的研究进展及基本方法300

8.2焊接接头蠕变应力分析305

8.2.1承压焊管的蠕变应力分析305

8.2.2 AISI 316承压焊管的蠕变应力分布特征311

8.2.3焊接试样上蠕变应力分布特征314

8.3焊接接头的蠕变损伤模拟319

8.3.1蠕变损伤本构方程的确定319

8.3.2不同材料二力杆的损伤演化特征321

8.3.3典型焊接接头的蠕变损伤模拟324

8.3.4对焊接接头设计容限的讨论330

8.4焊接接头的高温断裂力学问题337

8.4.1 材料蠕变性能不匹配对裂尖断裂力学控制参量的影响338

8.4.2带焊缝试样的蠕变断裂参量343

8.4.3 考虑材料不匹配影响后的焊缝材料蠕变扩展速率347

8.5焊接接头局部变形的测量方法349

8.5.1石英光纤用于高温变形测量的研究350

8.5.2基于数字图像处理的高温局部变形测量351

8.5.3典型焊接接头局部变形的测量354

参考文献361

9.1高温承压管的蠕变损伤计算369

第九章高温结构的概率损伤与维修规划369

9.2高温炉管的蠕变损伤概率计算模型375

9.2.1蠕变损伤概率计算的基本原理376

9.2.2随机参数的选取376

9.2.3随机损伤方程的建立376

9.2.4蠕变损伤慨率计算步骤383

9.2.5 主要参数的不确定性383

9.2.6蠕变损伤的Monte Carlo计算方法390

9.2.7蠕变损伤慨率计算解的精度考核391

9.3 高温炉管的寿命预测与可靠性评估393

9.3.1均值一次二阶矩394

9.3.2 高温构件概率损伤图PDD397

9.3.3高温构件寿命的慨率计算398

9.4高温构件最优预防维修周期402

9.4.1 化工设备的维修规划技术402

9.4.2维修性的基本慨念405

9.4.3维修策略406

9.4.4最优维修周期模型408

9.4.5高温构件的最优预防维修周期415

9.4.6加热炉最优预防维修周期421

参考文献423

第十章高温结构完整性评定规范427

10.1.1常温下的含缺陷结构完整性评定规范428

10.1 含缺陷结构完整性评定规范概论428

10.1.2高温下的含缺陷结构完整性评定规范431

10.2 早期高温环境下结构寿命评估方法432

10.2.1美国ASME N-47案例433

10.2.2法国RCC-MR规程437

10.3 国外含缺陷高温结构完整性评定规范439

10.3.1英国R5规程439

10.3.2英国BS7910：1999规程447

10.3.3法国RCC-MR规范的附录A16452

10.3.4德国双判据图方法455

10.4 含缺陷高温结构评定的失效评定图法457

10.4.1 评定步骤458

10.4.2材料的蠕变断裂韧性462

10.4.3 工程算例464

10.5我国高温结构完整性评定技术进展468

10.5.1技术背景468

10.5.2 时间相关失效评定图技术（TDFAD）470

10.5.3蠕变失效评定的判定条件473

10.5.4 三级评定技术路线477

参考文献481

附录484

附录一 二力杆蠕变损伤的Runge-Kutta求解程序484

附录二 高温蠕变条件下承压圆筒的损伤分析程序491

索引505