一種超超臨界鍋爐異種鋼管焊接接頭壽命評估方法技術

一種超超臨界鍋爐異種鋼管焊接接頭壽命評估方法：(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展速率之間的數(shù)學關系；(2)采用多項式對da/dt-a曲線進行擬合，求得最大曲率點即可獲得蠕變裂紋擴展的轉折點a；(3)確定轉折點處的裂紋長度a后，求得與異種鋼焊接接頭管道壁厚S和初始裂紋長度a0差(S-a0)的比值a/(S-a0)，進而獲得異種鋼焊接接頭在高溫高壓條件下蠕變裂紋擴展的壽命損耗為a/(S-a0)；通過從轉折點處的裂紋長度a與管壁厚度S之間進行數(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展剩余壽命。本發(fā)明專利技術具有較嚴密的物理和理論依據(jù)，壽命預測與實際吻合度較高。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】
【專利摘要】：(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展速率之間的數(shù)學關系；(2)采用多項式對da/dt-a曲線進行擬合，求得最大曲率點即可獲得蠕變裂紋擴展的轉折點a；(3)確定轉折點處的裂紋長度a后，求得與異種鋼焊接接頭管道壁厚S和初始裂紋長度a0差(S-a0)的比值a/(S-a0)，進而獲得異種鋼焊接接頭在高溫高壓條件下蠕變裂紋擴展的壽命損耗為a/(S-a0)；通過從轉折點處的裂紋長度a與管壁厚度S之間進行數(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展剩余壽命。本專利技術具有較嚴密的物理和理論依據(jù)，壽命預測與實際吻合度較高。【專利說明】
本專利技術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 擴展壽命預測方法。
技術介紹
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長一段時間內，在整 個電力生產(chǎn)中仍占據(jù)著主導地位，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)，即提高進入汽輪機的蒸汽壓力和溫度，因此，超 (超）臨界火力發(fā)電機組得到了大力發(fā)展。 火力發(fā)電機組蒸汽參數(shù)，如溫度、壓力的提高，對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格的要求。與此同時也出現(xiàn)了一系列新型耐熱鋼材料， 例如了91、了92、冊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 紋或因熱處理不當而造成的各類缺陷。 在長時間高溫或超溫下，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，而且還與材料內部帶有的缺陷有 關。隨著時間的不斷延長，材料中已有的蠕變孔洞在晶粒邊界上易于形核，孔洞將會擴連形 成新的較大孔洞，長大到一定程度后就慢慢的連接在一起形成蠕變孕育裂紋，最后聚集成 微裂紋或者宏觀裂紋。 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 內應力。電站鍋爐的特點之一就是高溫高壓，因此，對于電站鍋爐的承壓部件還受到由高溫 應力下產(chǎn)生的蠕變應力。長期在高溫或超溫下運行，對已形成細小裂紋的異種鋼焊接接頭， 裂紋尖端的應力復雜，存在一個蠕變損傷區(qū)域，蠕變損傷區(qū)域會進一步擴大、擴展。蠕變裂 紋擴展中，裂紋尖端蠕變損失不斷擴大，微裂紋逐漸形成次主裂紋，當次主裂紋達到臨界， 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展。整個過程就是這樣不斷重 復的積累蠕變損傷，往復不斷向前擴展，直至斷裂。 目前，國內外對電站鍋爐管及管道蠕變壽命的預測多采用基于力學性能數(shù)據(jù)的外 推技術法和與蠕變過程相關的方法，如空洞形核及生長、游離碳化物成分等金相特征變化 的計量技術。基于力學性能數(shù)據(jù)的外推技術經(jīng)歷了參數(shù)外推方法，持久強度等溫線線性外 推方法。 參數(shù)外推法需要對實驗數(shù)據(jù)進行擬合，缺乏較嚴密的物理和理論依據(jù)，故其壽命 預測主要是經(jīng)驗的，而且一般試驗是在一定溫度、載荷下進行的，采用此方法預測壽命顯然 與實際不相符合。持久強度等溫線線性外推方法是采用提高應力和溫度的方法得到材料短 時的應力和斷裂時間及溫度之間的關系，再外推出長時間應力和斷裂時間及溫度之間的關 系，這種外推方法是目前高溫部件設計的基礎方法，但是由于預測技術對工作應力比較敏 感，蠕變壽命和應力的關系頗受質疑，因此，這一技術用于高溫部件的壽命評估存在較多不 足。 超超臨界火力發(fā)電機組高溫部位采用不同的耐熱鋼，在焊接以及使用過程中，導 致焊接接頭的成分、組織結構及力學性能差異變大，在焊接接頭存在比較高的應力集中，抵 抗蠕變的性能逐漸弱化，蠕變孔洞形核易于形成，并長大聚集成微裂紋，易產(chǎn)生蠕變損傷失 效。因此，上述方法對于異種鋼焊接接頭蠕變裂紋擴展壽命的預測結果會有較大的出入。 本專利技術特點是基于裂紋尖端應力應變場，認為蠕變損傷機理控制著蠕變啟裂、裂 紋擴展直到失效的整個過程，根據(jù)蠕變裂紋擴展的理論模型結合數(shù)值模擬方法確定在高溫 高壓條件下裂紋加速擴展的轉折點，來評判異種鋼焊接接頭的剩余壽命。對發(fā)電廠金屬監(jiān) 督及壽命管理，無論從經(jīng)濟性，還是從安全運行以及如何合理地安排檢修周期考慮，預測對 火力發(fā)電機組的長周期運行安全具有非常重要的現(xiàn)實意義。
技術實現(xiàn)思路
本專利技術所要解決的技術問題，就是提供一種超超臨界鍋爐異種鋼管焊接接頭壽命 評估方法，其具有較嚴密的物理和理論依據(jù)，故其壽命預測與實際吻合度較高。 解決上述技術問題，本專利技術所采用的技術方案是： ，其特征是包括以下步驟： S1建立蠕變裂紋擴展模型 對高溫材料抗蠕變裂紋擴展性能的評價，（T類似于彈塑性斷裂力學中與路徑無關 的J積分，是經(jīng)過理論嚴格證明的應力應變場參量，用于穩(wěn)態(tài)蠕變情況下高溫蠕變時裂紋 尖端區(qū)域應力應變場的描述，也具有路徑無關的積分特性；此時用(T來表征裂紋尖端應力、 應變場的表達式如下： 【權利要求】1. ，其特征是包括以下步驟： S1建立蠕變裂紋擴展模型 用（T來表征裂紋尖端應力、應變場的表達式如下：式中，r表示在裂紋尖端Θ角方向距裂尖的距離；〇(|是屈服強度；；。是相應應力作用 下的應變速率；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力場，穩(wěn)定階段的蠕變裂紋擴展速率利用下式來進行計 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變ef相同，斷裂應變ef通過 斷裂拉伸試驗確定；在平面應變的情況下，為ε f/30 ; 把裂紋尖端的應力狀態(tài)考慮進NSW理論預測模型中，即NSW-MOD模型，表達式如下：(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 蠕變裂紋擴展模型中參數(shù)的計算 (1) 蠕變應變速率 材料發(fā)生蠕變過程分為三個階段，用于描述穩(wěn)態(tài)階段的蠕變本構采用Norton定律來 描述材料的蠕變行為，其表達式為： ε = Λσ" (5)； σ分別為蠕變過程中的穩(wěn)態(tài)蠕變應變率和應力；Α，η均為材料蠕變性能參數(shù)； (2) 無量綱函數(shù)Ιη Ιη是考慮應力狀態(tài)的無量綱函數(shù)，是η的函數(shù)，在平面應變狀態(tài)下的表達式為：平面應力狀態(tài)下的表達式為：(3) 多軸應變因子f(9，n) 多軸應變因子f( θ，η)和蠕變韌性耗散損傷本構方程中相同，基于蠕變孔洞的長大和 聚集主要取決于材料蠕變強化指數(shù)η以及材料的應力三軸度R。； 多軸應變因子f( θ，η)其表達式為：式中，A = · 應力三軸度R。的表達式為：式中，σ π為靜水應力；σ %為等效應力； 本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
一種超超臨界鍋爐異種鋼管焊接接頭壽命評估方法，其特征是包括以下步驟：S1建立蠕變裂紋擴展模型用C*來表征裂紋尖端應力、應變場的表達式如下：σij=σ0(C*ϵ·0σ0Inr)1n+1σ~ij(θ,n)---(1);]]>ϵ·ij=ϵ·0(C*ϵ·0σ0Inr)nn+1ϵ~ij(θ,n)---(2);]]>式中，r表示在裂紋尖端θ角方向距裂尖的距離；σ0是屈服強度；是相應應力作用下的應變速率；為角因子，是θ和n的無量綱函數(shù)；In是考慮應力狀態(tài)的n無量綱函數(shù)，是n的函數(shù)；基于高溫條件下裂紋尖端的應力場，穩(wěn)定階段的蠕變裂紋擴展速率利用下式來進行計算，即NSW模型：dadt=n+1ϵf*(C*In)nn+1(Arc)1n+1---(3);]]>式中，rc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；為多軸斷裂韌性：多軸斷裂韌性和單軸蠕變的斷裂應變εf相同，斷裂應變εf通過斷裂拉伸試驗確定；在平面應變的情況下，為εf/30；把裂紋尖端的應力狀態(tài)考慮進NSW理論預測模型中，即NSW?MOD模型，表達式如下：dadt=n+1ϵf(C*In)nn+1(Arc)1n+1σ~(θ,n)f(θ,n)|max---(4);]]>在NSW?MOD模型中，材料失效首先發(fā)生取得最大值的位置；蠕變裂紋擴展模型中參數(shù)的計算(1)蠕變應變速率材料發(fā)生蠕變過程分為三個階段，用于描述穩(wěn)態(tài)階段的蠕變本構采用Norton定律來描述材料的蠕變行為，其表達式為：ϵ·=Aσn---(5);]]>σ分別為蠕變過程中的穩(wěn)態(tài)蠕變應變率和應力；A，n均為材料蠕變性能參數(shù)；(2)無量綱函數(shù)InIn是考慮應力狀態(tài)的無量綱函數(shù)，是n的函數(shù)，在平面應變狀態(tài)下的表達式為：In=10.3(0.13+1n)1/2-4.6n---(6);]]>平面應力狀態(tài)下的表達式為：In=7.2(0.12+1n)1/2-2.9n---(7);]]>(3)多軸應變因子f(θ，n)多軸應變因子f(θ，n)和蠕變韌性耗散損傷本構方程中相同，基于蠕變孔洞的長大和聚集主要取決于材料蠕變強化指數(shù)n以及材料的應力三軸度Rσ；多軸應變因子f(θ，n)其表達式為：f(θ,n)=ϵf*ϵf=sinh[23(n-0.5n+0.5)]/sinh[2σ~mσ~e(n-0.5n+0.5)]---(8);]]>式中，h=σ~m/σ~e;]]>應力三軸度Rσ的表達式為：Rσ=σmσeq=2(σ1+σ2+σ3)3(σ1-σ2)2+(σ2-σ3)2+(σ3-σ1)2---(9);]]>式中，σm為靜水應力；σeq為等效應力；(4)蠕變斷裂參量C*的計算蠕變斷裂參量C*通過有限元方法計算得到，或通過基于參考應力方法得到；基于參考應力的方法估算C*的表達式如下：C*=σref·ϵ··(Kσref)2---(10);]]>式中，σref為參考應力；應力強度因子K計算通過理論公式計算得到，或通過數(shù)值計算得到；3蠕變裂紋擴展轉折點的定義及臨界裂紋長度的確定裂紋在持續(xù)擴展的過程中，在某一裂紋長度下致使蠕變裂紋擴展速率da/dt突然發(fā)生變化而加速擴展，即裂紋擴展的轉折點，在該轉折點處對應的裂紋長度即為相應的臨界裂紋長度；根據(jù)電站鍋爐實際運行條件，通過式(4)計算獲得各種不同壁溫與不同內壓下的蠕變裂紋擴展速率da/dt，然后采用多項式模型對da/dt?a曲線進行擬合，求得曲線的轉折點即可獲得蠕變裂紋擴展速率加速的轉折點處的裂紋長度a；其中，采用多項式回歸函數(shù)為：da/dN＝c0+c1a+c2a2+c3a3+c4a4+c5a5(11)；式中，c0，c1，c2，c3，c4，c5為擬合系數(shù)；對式(11)求解函數(shù)曲線的三階導數(shù)后，求得轉折點，然后得到該轉折點所對應的裂紋長度a；4蠕變裂紋擴展剩余壽命評估受熱面管的壁厚遠小于其軸向長度，因此，含徑向裂紋的受熱面管是最危險的形式之一；設受熱面管壁厚為S，初始裂紋長度為a0；通過確定轉折點處的裂紋長度a后，在經(jīng)歷轉折點后的壽命損耗P為a/(S?a0)；那么，在經(jīng)歷轉折點后的蠕變裂紋擴...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：鐘萬里，王偉，李文勝，汪淑奇，陳冬林，鄧平，
申請(專利權)人：廣東電網(wǎng)公司電力科學研究院，長沙理工大學，
類型：發(fā)明
國別省市：廣東;44