一種超超臨界鍋爐異種鋼管焊接接頭壽命評(píng)估方法
【專利摘要】一種超超臨界鍋爐異種鋼管焊接接頭壽命評(píng)估方法：(1)基于裂紋尖端蠕變損傷連續(xù)累積過程，采用NSW-MOD理論模型，確立蠕變損傷累積過程與裂紋擴(kuò)展速率之間的數(shù)學(xué)關(guān)系；(2)采用多項(xiàng)式對(duì)da/dt-a曲線進(jìn)行擬合，求得最大曲率點(diǎn)即可獲得蠕變裂紋擴(kuò)展的轉(zhuǎn)折點(diǎn)a；(3)確定轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的裂紋長(zhǎng)度a后，求得與異種鋼焊接接頭管道壁厚S和初始裂紋長(zhǎng)度a0差(S-a0)的比值a/(S-a0)，進(jìn)而獲得異種鋼焊接接頭在高溫高壓條件下蠕變裂紋擴(kuò)展的壽命損耗為a/(S-a0)；通過從轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的裂紋長(zhǎng)度a與管壁厚度S之間進(jìn)行數(shù)值積分得到異種鋼焊接接頭在高溫高壓條件下蠕變裂紋擴(kuò)展剩余壽命。本發(fā)明具有較嚴(yán)密的物理和理論依據(jù)，壽命預(yù)測(cè)與實(shí)際吻合度較高。
【專利說明】一種超超臨界鍋爐異種鋼管焊接接頭壽命評(píng)估方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種超超臨界鍋爐異種鋼管焊接接頭在高溫高壓條件下的蠕變裂紋 擴(kuò)展壽命預(yù)測(cè)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 我國是以煤炭為主的能源國家，火力發(fā)電在目前及未來相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，在整 個(gè)電力生產(chǎn)中仍占據(jù)著主導(dǎo)地位，依然是最重要的電力來源。目前世界上各國火力發(fā)電 提高效率的途徑主要是通過提高蒸汽參數(shù)，即提高進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽壓力和溫度，因此，超 (超）臨界火力發(fā)電機(jī)組得到了大力發(fā)展。
[0003] 火力發(fā)電機(jī)組蒸汽參數(shù)，如溫度、壓力的提高，對(duì)鍋爐高溫承壓部件抵抗蠕變、高 溫氧化和腐蝕等性能都提出了更嚴(yán)格的要求。與此同時(shí)也出現(xiàn)了一系列新型耐熱鋼材料， 例如了91、了92、冊(cè)3(：、511?從304!1等為代表的新型馬氏體、奧氏體耐熱鋼，成為超（超）臨界 機(jī)組再熱器、過熱器等承壓部件的主要使用材料。奧氏體耐熱鋼主要用于設(shè)備的高溫部位， 而從成本方面考慮，較低溫部位仍然采用馬氏體耐熱鋼。因此，對(duì)于高溫受熱面，異種鋼管 道焊接接頭也是顯而易見的。這些材料在制造加工、安裝及使用過程易出現(xiàn)凹坑/凹痕、裂 紋或因熱處理不當(dāng)而造成的各類缺陷。
[0004] 在長(zhǎng)時(shí)間高溫或超溫下，電站鍋爐中的高溫受熱部件易發(fā)生蠕變應(yīng)變。蠕變失效 不僅與材料本身的性能、在高溫下抵抗蠕變的能力有關(guān)，而且還與材料內(nèi)部帶有的缺陷有 關(guān)。隨著時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，材料中已有的蠕變孔洞在晶粒邊界上易于形核，孔洞將會(huì)擴(kuò)連形 成新的較大孔洞，長(zhǎng)大到一定程度后就慢慢的連接在一起形成蠕變?cè)杏鸭y，最后聚集成 微裂紋或者宏觀裂紋。
[0005] 由于異種鋼焊接接頭、母材以及各母材熱影響區(qū)的熱膨脹系數(shù)、持久強(qiáng)度等性能 相差懸殊，在高溫下存在蠕變性能的差異，焊接接頭各區(qū)域之間的材料受阻礙而膨脹產(chǎn)生 內(nèi)應(yīng)力。電站鍋爐的特點(diǎn)之一就是高溫高壓，因此，對(duì)于電站鍋爐的承壓部件還受到由高溫 應(yīng)力下產(chǎn)生的蠕變應(yīng)力。長(zhǎng)期在高溫或超溫下運(yùn)行，對(duì)已形成細(xì)小裂紋的異種鋼焊接接頭， 裂紋尖端的應(yīng)力復(fù)雜，存在一個(gè)蠕變損傷區(qū)域，蠕變損傷區(qū)域會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大、擴(kuò)展。蠕變裂 紋擴(kuò)展中，裂紋尖端蠕變損失不斷擴(kuò)大，微裂紋逐漸形成次主裂紋，當(dāng)次主裂紋達(dá)到臨界， 朝著有利方向的次主裂紋相互連接，最后形成主裂紋向前擴(kuò)展。整個(gè)過程就是這樣不斷重 復(fù)的積累蠕變損傷，往復(fù)不斷向前擴(kuò)展，直至斷裂。
[0006] 目前，國內(nèi)外對(duì)電站鍋爐管及管道蠕變壽命的預(yù)測(cè)多采用基于力學(xué)性能數(shù)據(jù)的外 推技術(shù)法和與蠕變過程相關(guān)的方法，如空洞形核及生長(zhǎng)、游離碳化物成分等金相特征變化 的計(jì)量技術(shù)?；诹W(xué)性能數(shù)據(jù)的外推技術(shù)經(jīng)歷了參數(shù)外推方法，持久強(qiáng)度等溫線線性外 推方法。
[0007] 參數(shù)外推法需要對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，缺乏較嚴(yán)密的物理和理論依據(jù)，故其壽命 預(yù)測(cè)主要是經(jīng)驗(yàn)的，而且一般試驗(yàn)是在一定溫度、載荷下進(jìn)行的，采用此方法預(yù)測(cè)壽命顯然 與實(shí)際不相符合。持久強(qiáng)度等溫線線性外推方法是采用提高應(yīng)力和溫度的方法得到材料短 時(shí)的應(yīng)力和斷裂時(shí)間及溫度之間的關(guān)系，再外推出長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)力和斷裂時(shí)間及溫度之間的關(guān) 系，這種外推方法是目前高溫部件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)方法，但是由于預(yù)測(cè)技術(shù)對(duì)工作應(yīng)力比較敏 感，蠕變壽命和應(yīng)力的關(guān)系頗受質(zhì)疑，因此，這一技術(shù)用于高溫部件的壽命評(píng)估存在較多不 足。
[0008] 超超臨界火力發(fā)電機(jī)組高溫部位采用不同的耐熱鋼，在焊接以及使用過程中，導(dǎo) 致焊接接頭的成分、組織結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能差異變大，在焊接接頭存在比較高的應(yīng)力集中，抵 抗蠕變的性能逐漸弱化，蠕變孔洞形核易于形成，并長(zhǎng)大聚集成微裂紋，易產(chǎn)生蠕變損傷失 效。因此，上述方法對(duì)于異種鋼焊接接頭蠕變裂紋擴(kuò)展壽命的預(yù)測(cè)結(jié)果會(huì)有較大的出入。
[0009] 本發(fā)明特點(diǎn)是基于裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)，認(rèn)為蠕變損傷機(jī)理控制著蠕變啟裂、裂 紋擴(kuò)展直到失效的整個(gè)過程，根據(jù)蠕變裂紋擴(kuò)展的理論模型結(jié)合數(shù)值模擬方法確定在高溫 高壓條件下裂紋加速擴(kuò)展的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，來評(píng)判異種鋼焊接接頭的剩余壽命。對(duì)發(fā)電廠金屬監(jiān) 督及壽命管理，無論從經(jīng)濟(jì)性，還是從安全運(yùn)行以及如何合理地安排檢修周期考慮，預(yù)測(cè)對(duì) 火力發(fā)電機(jī)組的長(zhǎng)周期運(yùn)行安全具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題，就是提供一種超超臨界鍋爐異種鋼管焊接接頭壽命 評(píng)估方法，其具有較嚴(yán)密的物理和理論依據(jù)，故其壽命預(yù)測(cè)與實(shí)際吻合度較高。
[0011] 解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0012] 一種超超臨界鍋爐異種鋼管焊接接頭壽命評(píng)估方法，其特征是包括以下步驟：
[0013] S1建立蠕變裂紋擴(kuò)展模型
[0014] 對(duì)高溫材料抗蠕變裂紋擴(kuò)展性能的評(píng)價(jià)，（T類似于彈塑性斷裂力學(xué)中與路徑無關(guān) 的J積分，是經(jīng)過理論嚴(yán)格證明的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)參量，用于穩(wěn)態(tài)蠕變情況下高溫蠕變時(shí)裂紋 尖端區(qū)域應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的描述，也具有路徑無關(guān)的積分特性；此時(shí)用(T來表征裂紋尖端應(yīng)力、 應(yīng)變場(chǎng)的表達(dá)式如下：

【權(quán)利要求】
1. 一種超超臨界鍋爐異種鋼管焊接接頭壽命評(píng)估方法，其特征是包括以下步驟： S1建立蠕變裂紋擴(kuò)展模型 用（T來表征裂紋尖端應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)的表達(dá)式如下：
式中，r表示在裂紋尖端Θ角方向距裂尖的距離；〇(|是屈服強(qiáng)度；；。是相應(yīng)應(yīng)力作用 下的應(yīng)變速率；σ,7(--，"），為角因子，是Θ和n的無量綱函數(shù)；In是考慮應(yīng)力狀態(tài) 的η無量綱函數(shù)，是η的函數(shù)； 基于高溫條件下裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)，穩(wěn)定階段的蠕變裂紋擴(kuò)展速率利用下式來進(jìn)行計(jì) 算，即NSW模型：
式中，r。是裂紋尖端蠕變損失區(qū)大小，與材料的平均晶粒尺寸相等； 4為多軸斷裂韌性：多軸斷裂韌性和單軸蠕變的斷裂應(yīng)變ef相同，斷裂應(yīng)變ef通過 斷裂拉伸試驗(yàn)確定；在平面應(yīng)變的情況下，為ε f/30 ; 把裂紋尖端的應(yīng)力狀態(tài)考慮進(jìn)NSW理論預(yù)測(cè)模型中，即NSW-MOD模型，表達(dá)式如下：
(4); 在NSW-M0D模型中，材料失效首先發(fā)生σ(久《)//(6U) 取得最大值的位置； - -I max 蠕變裂紋擴(kuò)展模型中參數(shù)的計(jì)算 (1) 蠕變應(yīng)變速率 材料發(fā)生蠕變過程分為三個(gè)階段，用于描述穩(wěn)態(tài)階段的蠕變本構(gòu)采用Norton定律來 描述材料的蠕變行為，其表達(dá)式為： ε = Λσ" (5)； σ分別為蠕變過程中的穩(wěn)態(tài)蠕變應(yīng)變率和應(yīng)力；Α，η均為材料蠕變性能參數(shù)； (2) 無量綱函數(shù)Ιη Ιη是考慮應(yīng)力狀態(tài)的無量綱函數(shù)，是η的函數(shù)，在平面應(yīng)變狀態(tài)下的表達(dá)式為：
平面應(yīng)力狀態(tài)下的表達(dá)式為：
(3) 多軸應(yīng)變因子f(9，n) 多軸應(yīng)變因子f( θ，η)和蠕變韌性耗散損傷本構(gòu)方程中相同，基于蠕變孔洞的長(zhǎng)大和 聚集主要取決于材料蠕變強(qiáng)化指數(shù)η以及材料的應(yīng)力三軸度R。； 多軸應(yīng)變因子f( θ，η)其表達(dá)式為：
式中，A = · 應(yīng)力三軸度R。的表達(dá)式為：
式中，σ π為靜水應(yīng)力；σ %為等效應(yīng)力； (4) 蠕變斷裂參量(Τ的計(jì)算 蠕變斷裂參量(Τ通過有限元方法計(jì)算得到，或通過基于參考應(yīng)力方法得到； 基于參考應(yīng)力的方法估算(Τ的表達(dá)式如下：
式中，為參考應(yīng)力；應(yīng)力強(qiáng)度因子Κ計(jì)算通過理論公式計(jì)算得到，或通過數(shù)值計(jì)算 得到； 3蠕變裂紋擴(kuò)展轉(zhuǎn)折點(diǎn)的定義及臨界裂紋長(zhǎng)度的確定 裂紋在持續(xù)擴(kuò)展的過程中，在某一裂紋長(zhǎng)度下致使蠕變裂紋擴(kuò)展速率da/dt突然發(fā)生 變化而加速擴(kuò)展，即裂紋擴(kuò)展的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在該轉(zhuǎn)折點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的裂紋長(zhǎng)度即為相應(yīng)的臨界裂 紋長(zhǎng)度； 根據(jù)電站鍋爐實(shí)際運(yùn)行條件，通過式（4)計(jì)算獲得各種不同壁溫與不同內(nèi)壓下的蠕變 裂紋擴(kuò)展速率da/dt，然后采用多項(xiàng)式模型對(duì)da/dt-a曲線進(jìn)行擬合，求得曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)即 可獲得蠕變裂紋擴(kuò)展速率加速的轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的裂紋長(zhǎng)度a ;其中，采用多項(xiàng)式回歸函數(shù)為： da/dN = c0+c1a+c2a2+c3a 3+c4a4+c5a5(ll)； 式中，CQ，Cp C2，C3，C4，C5為擬合系數(shù)； 對(duì)式（11)求解函數(shù)曲線的三階導(dǎo)數(shù)后，求得轉(zhuǎn)折點(diǎn)，然后得到該轉(zhuǎn)折點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的裂紋 長(zhǎng)度a ; 4蠕變裂紋擴(kuò)展剩余壽命評(píng)估 受熱面管的壁厚遠(yuǎn)小于其軸向長(zhǎng)度，因此，含徑向裂紋的受熱面管是最危險(xiǎn)的形式之 一；設(shè)受熱面管壁厚為S，初始裂紋長(zhǎng)度為％ ;通過確定轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的裂紋長(zhǎng)度a后，在經(jīng)歷轉(zhuǎn) 折點(diǎn)后的壽命損耗P為aAS-aJ ;那么，在經(jīng)歷轉(zhuǎn)折點(diǎn)后的蠕變裂紋擴(kuò)展時(shí)間t，即剩余壽 命為：
式中，積分下標(biāo)為轉(zhuǎn)折點(diǎn)處所對(duì)應(yīng)的裂紋長(zhǎng)度a，上標(biāo)為過-再熱器受熱面管壁厚度 S ； S2通過蠕變?cè)囼?yàn)獲得高溫下異種鋼焊接接頭母材、焊接材料以及熱影響區(qū)的蠕變性能 參數(shù)A，n，建立起蠕變本構(gòu)方程，以及獲得高溫下異種鋼焊接接頭母材、焊接材料以及熱影 響區(qū)的性能參數(shù)彈性模量E ;泊松比V、斷裂韌性ε f ; S3根據(jù)式（6)或式（7)計(jì)算In，并通過有限元方法計(jì)算獲得σ(久》)//(武《) 的值； - -I max S4采用有限元方法或理論公式計(jì)算高溫?cái)嗔褏?shù)C%并獲得高溫?cái)嗔褏?shù)(T與裂紋長(zhǎng) 度a的關(guān)系式(f (a); S5將高溫?cái)嗔蚜W(xué)參數(shù)(T與裂紋長(zhǎng)度a的關(guān)系式(f (a)代入式（4)后獲得蠕變裂紋 擴(kuò)展速率da/dt ; S6采用多項(xiàng)式模型擬合da/dt-a曲線，得到曲線的擬合表達(dá)式后求解函數(shù)曲線的轉(zhuǎn)折 點(diǎn)即蠕變裂紋擴(kuò)展速率da/dt加速的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，并獲得該轉(zhuǎn)折點(diǎn)處所對(duì)應(yīng)的裂紋長(zhǎng)度a即臨 界裂紋長(zhǎng)度； S7設(shè)受熱面管道壁厚為S，初始裂紋長(zhǎng)度為％ ;那么在經(jīng)歷轉(zhuǎn)折點(diǎn)a后的壽命損耗P為 a/ (S-a〇)； S8通過式（4)，在轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的裂紋長(zhǎng)度a與管壁厚度S之間進(jìn)行數(shù)值積分，即式（12) 得到蠕變裂紋擴(kuò)展剩余壽命t。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK104156577SQ201410375185
【公開日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年7月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月31日
【發(fā)明者】鐘萬里, 王偉, 李文勝, 汪淑奇, 陳冬林, 鄧平 申請(qǐng)人:廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院, 長(zhǎng)沙理工大學(xué)