电厂高温材料常用寿命预测方法概述

第7期电厂髙温材料常用寿命预测方法概述 3 第29卷第7期2008年7月Vol. 29 No. 7Jul. 2008 1 理论研究电厂高温材料常用寿命预测方法概述赵 强I,程 路2,王艳繭2,林均品2,林 志2,何建平2(1 北京国电篇通科役发展材限责任公61 北京市.102401 ；2北京科技大学新金属材料国家重点实鲨室北京市J00083)摘 对电厂髙温材料的寿命预测方法进行了概述的述了以持久强度为指标的寿命预测、以蠕变fit为 需标的寿命预测、微观组织蜕化评定这3种预测方法的原理及应用范陶并对其进行了分类及转征说明。关键词电厂;髙温材料；寿命预测中图分类号：TK28, TB35 文献标志硏：A 文章编号:1000-7229 (2008 ) 07-0001-03第7期电厂髙温材料常用寿命预测方法概述 3 第7期电厂髙温材料常用寿命预测方法概述 3 英金咬目：国农自於科于基金(11290036)牧權日期：2008-01-15作耆简介：赵 S(198t-),男頤士研究生工程邮.主要从事电厂件等力面的工作。0引言近年来，许多大容锻的电厂机组相继建成。电厂 的蒸汽管道为机组的关键部件，随着运行时间的延 长，准确预测蒸汽管道的使用寿命显得十分重要。1以持久强度为指标的寿命预测最原始、最直接的方法就是将老化材料的力学 性能指标与原始力学性能进行比较，衡星其寿命的 变化主要有尊温线法和时间-温度空数法。1.1等温线法1.1.1零温直线法等温直线外推持久强度的经验公式为：(1) 式中tr断裂时间,h;a试验应力,MPa；A.B材料常数。在同一温度.不同应力水平下进行蠕变或持久 强度试验.可获得1组应力和蠕变速度或应力和断 裂时间数据，然后选用经验公式(】)，两边取对数用 最小二乘法拟合，求出相应的常数。从而可根据所要 求的蠕变速度或断裂时间外推出蠕变极限或持久强 度极限。等温点线外推法是一种近似的外推方法。长时 间试验结果表明在双对数坐标中持久强度曲线形 状并非总是一条直线有时会出现转折，甚至会岀现 2次转折叫因此用此法进行外推时外推时间限制 为一个数最级.即不大于最长试验时间的10倍，外 .推结果才有相对的可靠性。1.1.2等温抛物线外推法对于试验点在双对数坐标中呈缓慢变化的曲线 情况可用抛物线方程：(2) 式中ir断裂时间,h；c.d与材料有关的系数。用最小二乘法求出系数C和d,从而外推岀规 定断裂时间的持久强度。L2时间-温度参数法时间-温度参数法杲通过在较高温度下的短期 试验结果，外推较低温度下长期强度的一种方法。由 于试验温度提高，持久强度曲线转折点出现的时间 提前故外推结果可能包括转折点的影响。常用的时 间-温度参数式有2类：一类是以速率过程为基础， 如L-M和K-D参数式；另一类是纯经验型，如M- H.G-S.S-A和M-B等参数式。121 L-M参数式呛)*1筋)(3)式中P(a)热强参数杲应力的函数;T试验温度，K；tt断裂时间,h； c材料常数。其中,+1回)=88+021和+哪(7(4)将(4)式化为四元线性方程：皿(5)方程(4)和(5)之间的变鈕关系如表1所示。每根试样试验后均可得到1组数据(74). 由此即可建立1个方程，取5根试样可建立5个方 程,组成方程组。解该方稈组，便可求得c值。LM1持久外推方程与四元拔性方程的变及 系数关系转换参数式中的c值确定以后，可算出一系列试验点的 热强参数化从而可以绘出(Iga)-P综合参数曲线。 外椎持久强度时，首先应根据预测点的温度和断裂 时间按LM参数式算出预测点的P值，再从综合 参数曲线上査出与之相应的应力值，该应力值即为 外推的持久强度极阪。122 K-D参数式(6)式中T试验温度，K；R普适气体常数,J/(molK)；Q与应力无关的材料蠕变激活能，待 定常数。K-D参数式的多项式为：1 口F 卄c】lgr化希化JgV+ RtEiIO仃)进行多项式回归计算求解Q值。1.23纯经验型时间-温度经验参数式常用的有M-H.G-S.S-A和M-B等参数式，应 用的方法和L-M.K-D参数式相同，将试验数据应 用于给定的模型,求出未知参数，然后利用模型进行 寿命预测。1.2.4最小约束法最小约束法数学形式为：1 筋+4丹7)1 筋+H7)=G(lge)(8)最小约束法的特点是函数H7)、G(lg”)的具体形 式根据试验数据确定，不受既定形式的约束。因此， 必须用站西数的计算方法。此方法是：首先对变斌 t.T.a在试验区域内均匀选择若干点sTjgj.ku 1、2、3),称为站点，然后根据试验数据设法给出站 点相应的函数值。对于不在站点上的测试点可用内 插法或外推法来决定站函数值(站函数的计算方法 比较复杂)。站函数确定以后，即可按式(9)计算岀断 裂时间：1+47)2以蠕变量为指标的寿命预测利用持久强度.蠕变极限外推材料的长期寿命, 没有考虑材料蠕变曲线形状。不同的钢可能具有同 样的断裂寿命但可能具有不同的轴变曲线形状。为 了较精确地预测高温部件的蠕变寿命.必须考虑材 料嫦变曲线的形状。这样就可以获得在一定条件下 的蠕变性能特征值获得全面的信息充分利用蠕变 试验资源以下为应用较为广泛的2种方法。 2.1修正。法si以往的寿命评估仅以端变断裂点数据以及第2 阶段最小速率曲线数据为基础，没有以端变曲线的 全过程数据为基础，因此外推的蠕变寿命幅度与精 度受到了限制。采用Wilshire和Evans的0法则可 更精确地描述材料的蠕变过程，从而可更精确地外 推蠕变寿命。0方程与蠕变速度的关系如式(10)：砖仇(1y)+8乂亠1)(10)采用了精确的恒应力蠕变实验确定4个0参数 值后材料任何时间的蠕变曲线可由式(10)描述，用 较短时间的蠕变实验外推到10万h的纸变性能。我国在20世纪80年代后期进行了采用0函数 法评估高温部件材料寿命的研究,提出了修正的0甬 数法评估低应力媽变条件下部件材料寿命的方法并 建立了国内常用材料12CrlMoV钢、10CrMo910等材 料的修正0函数待征方程：*旳阀宀1)(11)&法修正方程更多地考虑了低合金钢恒载荷蠕 变曲线的待点，在低应刀作用下嫦变第1阶段很不 明显，因而可用(11)式描述蠕变曲线。根据&血 3个参数与应力和温度的关系，可用高应力实验得 到梢确的厲4血数据。可将趴、6计算值和实验 值进行对比，并据此外推到低应力蠕变曲线。此法已 经在8个电厂应用其评估寿命的效泉较好。 2.2逐步外推法评怙关键部件实际残余寿命通常国内外采用试验室蠕变试验来预测电厂髙 温部件材料的运行寿命然而材料的寿命并不等于 部件的寿命。蠕变曲线的逐步外推法是把埔变损伤 概念与蠕变变形相联系，由此通过在线测址电厂爲 温部件(如主蒸汽管道)运行过程中的实际蠕变变形 fit,并用这些实测数据外推蠕变曲线。这时,外推的 蠕变曲线整体上是有较大偏差的.但在已测变形数 据点附近的外推值的精度是令人满意的。因此利用 已有数据至少可预测未兴一段时间内材料的变形行 为。而当时间达到下一段时间时，又有新的数据补充 进来进行预测再下一段的材料变形行为。经过这样 一个逐步的外推预测过程，可以对高温构件的整个 工况运行过程进行在线将确监测和预测其变形行为 及寿命。图1为实际测最和不同阶段预测的试验部 件线变曲线对比。这种嫦变曲线逼近法或逐步外推法对于电厂蒸汽管逍这类可以随时实测蠕变变形的 部件是非常有实用意义的，其突岀的优点是：(1) 充分发挥嫦变曲线外推的优点，对蠕变变 形的发展情况进行估算而不仅是寿命的估算。(2) 可逐步预测和外推.毎次预测R是外推1 个使用周期，而不是外推幣个寿命，大大提高了预测 和外推的准确性。(3) 不只是适用纯蠕变，即有机械疲劳或热疲 劳应力存在，只要变形仍以蠕变变形为主，这种外推 方法就是有效的。对于嫦变温度和应力波动造成的 影响，也可以根据典型的蠕变温度和应力计算得到 蠕变曲线进行估算。(4) 可在符合实际运行工况的条件下进行预测 和外推。(5) 可以针对每个部件个体预测和外推，而不 是统计平均外推。(6) 本方法易实现在线预测与监控，并且装置 简单可行。注：图中从I点以前的实88值拟合猖到曲线1由此曲线可外推 到2点再用2点“的实#!值拟合得到曲统2就可由2点外推到3 点再用3点以的的实88但拟合曲线3.此时已絵与实團曲找(实线) 很一致了.就可得到冷确的歿余仔命。ffll实际测和不同阶段预测的试验部件变曲线对比3微观组织蜕化评定法材料在应力作用下的均匀塑性变形反映通常是 应变、应变速率.材料显徽结构和温度的西数叫 在 給定的温度、应力下经过足够长的时间，已经证实 了有些材料将达到稳定的应变速率和显微结构。在 这些参橄中任何波动都使材料的显微结构处于瞬 时阶段的新条件状态下，经过一定的时间后，又达到 新的稳定状态。Hart认为：一个具有一定组织结构 状态的晶体存在一个塑性变形状态(称为硬化状 态)駅性状态方程是具有该显微组织结构骷体的塑 性变形状态表征，是一个状态函数而与它所经历的 变形过程无关。它具有唯-性是只由该品体的组织 结构状态决定的状态函数。这个塑性变形状态可由 该硬化状态下测岀的应力-塑性应变速率关系来表 征，即可用一条应力舉性应变速率e曲线来表 征。由此可以确定该硬化状态下材料在应力作用下 的須性应变行为I鬥。4结束语准确预测高温管道的安全运行寿命趁电厂普遍 关心的重要问題。每种方法都有其优越性，同时也有 其应用的局限性，各种方法都应在保持其原有待征 的前提下完善需要改进的地方。5参考文献1 王栋李余律方钦炉用制与受压元件强度分析M). 北京：中国电力岀皈社.2005.2 Yamada, H., Li. CY. fUle procceecs in plastic deformalion(J. Met Trant,J973.4：2l-36. Hart E.W. Theory of the tensile.Acta Met” !967tVoll5t 351.(4) Hart E.W. Theory for the flw of polycrystalsfl). AcU Met., 1967 b.Vol. 15. 1545(5| Hart EW A phenomenological theory for plastic defonnaiion of polycrysUdline mesbf几 AcU Met.J970 .VoU2.251.第7期电厂髙温材料常用寿命预测方法概述 3 第7期电厂髙温材料常用寿命预测方法概述 3 Common Life Prediction Methods Introduction for Power Plant High Temperature MaterialsZHAO Qiang CHENG Lu2. WANG Yan-li LIN Jun-pin2, LIN Zhi2 ,HE Jian-ping2(1. BeijingGuodian FulongScience&Technology Devel5)mentCo. Ltd.,Beijing 102401.China;X Sute Key laboratory for Advanced Meuli and Malenah, Univeraity of Science & Technology Beijing. Beijing 100088, China)Atetrsct Life pralction methods for power plant high temperature materials are summarized The principles and applicable scopes of three lifeKeywords power pltnl ； high Keropersture maiehal ； life prcdictioo第7期电厂髙温材料常用寿命预测方法概述 3 (责任编辑:何踽)