專利名稱：高溫部件蠕變壽命的測(cè)試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)電廠高溫下使用部件的蠕變壽命的測(cè)試方法。
對(duì)于前者，人們研究的較多，而對(duì)于后者，國(guó)內(nèi)外的系統(tǒng)研究很少，高溫連續(xù)服役后材料的抗蠕變能力改變的規(guī)律是什么，如何定量而連續(xù)的描述部件材料老化過(guò)程對(duì)使用壽命的影響等關(guān)鍵問(wèn)題，一直沒(méi)有確切的解釋和相應(yīng)理論模型。人們?cè)谔幚泶祟悊?wèn)題時(shí)一般認(rèn)為材料的本質(zhì)蠕變壽命總壽命是基本不變的，即可以用傳統(tǒng)殘余壽命＝新材料總?cè)渥儔勖?已使用時(shí)間的簡(jiǎn)單關(guān)系來(lái)描述使用后的殘余壽命。研究幾乎全部集中在溫度、應(yīng)力等因素對(duì)新材料總?cè)渥儔勖绊懙哪Ｐ吞接懮?，著名的Larson-Miller法或K-D法，均是普遍采用的理論模型。實(shí)際上，本質(zhì)蠕變壽命是強(qiáng)時(shí)間相關(guān)的，不是一成不變的，其變化是隨著材料的逐漸老化而逐漸降低的過(guò)程，是與材料狀態(tài)密切相關(guān)的變量，這一基本觀點(diǎn)越來(lái)越被大家所認(rèn)識(shí)。近年來(lái)，隨著部件老化規(guī)律的逐漸揭示，材料老化對(duì)部件使用壽命的影響也越來(lái)越受到重視，迫切需要開(kāi)發(fā)新的更為客觀反映壽命本質(zhì)的高溫部件壽命預(yù)測(cè)技術(shù)。以往國(guó)際上通用的高溫部件壽命評(píng)估方法即Larson-Miller法或K-D法，Larson-Miller法基本方程為式(1)的形式，即T(C+logtr)＝f(σ)這一模型公式考慮了溫度T、應(yīng)力σ、壽命tr之間的三變量相互關(guān)系，用于研究新材料的蠕變特性，是合理的。但這一模型未考慮部件材料的老化過(guò)程，因而導(dǎo)致采用這一方法評(píng)估長(zhǎng)期服役部件的壽命時(shí)其結(jié)果存在嚴(yán)重的缺陷與誤差，采用傳統(tǒng)的L-M方法得出的結(jié)果遠(yuǎn)高于部件的真實(shí)壽命，如電廠過(guò)熱器管實(shí)際使用壽命常常遠(yuǎn)低于理論計(jì)算的結(jié)果。由于材料的老化狀態(tài)未加考慮，只能被動(dòng)地采用安全系數(shù)進(jìn)行修正，而采用多大的安全系數(shù)最合適是不確定的，因此使得人為因素影響急劇放大，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際相比必然存在很大的誤差，這種誤差的不確定性，直接導(dǎo)致了壽命評(píng)估結(jié)果可靠性低的后果。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是首先采用模擬爆管試驗(yàn)機(jī)或持久強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)，選擇不同老化程度及未老化的新材料為樣品，在480～630℃系列溫度變化、10～110MPa系列應(yīng)力變化下對(duì)樣口進(jìn)行蠕變斷裂加速模擬試驗(yàn)，得到不同的蠕變斷裂時(shí)間即壽命時(shí)間的結(jié)果；采用多項(xiàng)式回歸分析法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，首先得到未老化新材料的模型關(guān)系式T(20+logtr)＝Ca+A1logσ+A2log2σ+A3log3σ，式中A1，A2，A3為L(zhǎng)arson-Miller常數(shù)、T為溫度、σ為應(yīng)力，同時(shí)得到同一材料老化因子Ca的初始值；采用老化特征參數(shù)測(cè)量方法定量描述不同樣品的老化程度，將每一樣品的試驗(yàn)溫度代入T(20+logtr)＝Ca+A1logσ+A2log2σ+A3log3σ得到每一樣品唯一的老化因子Ca值，并統(tǒng)計(jì)老化特征參數(shù)與老化因子值Ca之間的表達(dá)式Ca＝f(HB、σb、E——)式中HB為布氏硬度、σb為材料的抗拉強(qiáng)度、E為材料組織變化的級(jí)別，根據(jù)其中某一個(gè)特征參數(shù)的檢驗(yàn)結(jié)果即可換算出老化因子，式中A1，A2，A3為L(zhǎng)arson-Miller常數(shù)；利用材料老化因子Ca對(duì)經(jīng)典L-M參數(shù)法模型進(jìn)行修正，采用回歸分析法形成溫度T、應(yīng)力σ、壽命時(shí)間tr、老化因子Ca之間的四變量關(guān)系，即將Larson-Miller法的基本方程T(C+logtr)＝f(σ)進(jìn)行修正，得到材料老化程度對(duì)蠕變壽命的影響表達(dá)式T(C+logtr)＝f(σ)+Ca；將每一個(gè)樣品的試驗(yàn)溫度T、應(yīng)力σ和老化程度即老化因子Ca代入，T(C+logtr)＝f(σ)+Ca中即可得到該試樣的蠕變使用壽命。
本發(fā)明還可采用老化特征參數(shù)測(cè)量方法定量描述不同樣品的老化程度，還可將每一樣品的試驗(yàn)硬度代入T(20+logtr)＝Ca+A1logσ+A2log2σ+A3log3σ中得到每一樣品唯一的老化因子Ca值，并統(tǒng)計(jì)老化特征參數(shù)與老化因子值Ca之間的表達(dá)式Ca＝A+B(HB)n式中A、n、B為材料常數(shù)；利用材料老化因子Ca對(duì)經(jīng)典L-M參數(shù)法模型進(jìn)行修正，采用回歸分析法形成溫度T、應(yīng)力σ、壽命時(shí)間tr、老化因子Ca之間的四變量關(guān)系，即將T(20+logtr)＝Ca+A1logσ+A2log2σ+A3log3σ進(jìn)行修正得到材料老化程度對(duì)蠕變壽命的影響表達(dá)式T(20+logtr)＝A+B(HB)n+A1logσ+A2log2σ+A3log3σ，將每一個(gè)樣品的試驗(yàn)溫度T、應(yīng)力σ和老化程度即老化因子Ca代入T(20+logtr)＝A+B(HB)n+A1logσ+A2log2σ+A3log3σ中即可得到該試樣的蠕變使用壽命，其中C為材料常數(shù)。
由于本發(fā)明將可定量測(cè)量的老化特征參數(shù)作為影響壽命的與時(shí)間相關(guān)的變量因子，通過(guò)試驗(yàn)?zāi)M其影響規(guī)律，從而得到了高溫部件蠕變壽命的老化因子修正結(jié)果。
選擇實(shí)際使用后得到的不同老化程度的12Cr1MoV鋼管樣，首先采用定量老化程度測(cè)試方法評(píng)定每一根管樣的老化程度，未使用新材料的老化程度為零，蠕變失效管樣的老化程度為100％。
對(duì)每一老化程度的樣品，在恒定溫度T下進(jìn)行變應(yīng)力模擬試驗(yàn)和恒定應(yīng)力應(yīng)力σ下的變溫度模擬試驗(yàn)，得到一組蠕變斷裂時(shí)間tr數(shù)據(jù)。示于

圖1。
采用多項(xiàng)式回歸分析的統(tǒng)計(jì)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，首先給出新材料的統(tǒng)計(jì)關(guān)系式，得到老化因子初始值(老化程度為零)和其他系數(shù)；分別將每一模擬試驗(yàn)樣品溫度T、應(yīng)力σ、斷裂壽命時(shí)間數(shù)據(jù)代入T(20+logtr)＝Ca+A1logσ+A2log2σ+A3log3σ，得到唯一的老化因子Ca值；采用回歸分析方法，統(tǒng)計(jì)給出每一樣品的老化因子與老化程度之間的關(guān)系，示于圖2。
圖1中灰色數(shù)據(jù)點(diǎn)為新材料的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，黑色數(shù)據(jù)點(diǎn)為使用后不同老化程度狀態(tài)下材料的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，顯然，老化數(shù)據(jù)與新材料數(shù)據(jù)不在同一個(gè)數(shù)據(jù)帶內(nèi)，老化程度越明顯，試驗(yàn)數(shù)據(jù)越向下移動(dòng)而遠(yuǎn)離數(shù)據(jù)曲線。這表明，采用原始新材料得到的壽命預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)曲線，只能預(yù)測(cè)新部件的使用壽命，不能直接用來(lái)外推已老化材料的斷裂壽命，其誤差將隨老化程度的增加而逐漸變大，而采用本發(fā)明則可以較好的模擬實(shí)際情況，評(píng)估計(jì)算結(jié)果也更準(zhǔn)確。
圖2給出試驗(yàn)得到的老化因子與材料抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系曲線，其中橫坐標(biāo)為不同樣品的老化特征參數(shù)抗拉強(qiáng)度值，縱坐標(biāo)為老化因子值。將試驗(yàn)結(jié)果代入T(20+logtr)＝Ca+A1logσ+A2log2σ+A3log3σ，即可得到確切的12Cr1MoV鋼蠕變壽命計(jì)算公式T(20+logtr)＝A+B(HB)n+A1logσ+A2log2σ+A3log3σ，將每一個(gè)樣品的試驗(yàn)溫度T、應(yīng)力σ和老化程度即老化因子Ca代入T(20+logtr)＝A+B(HB)n+A1logσ+A2log2σ+A3log3σ中即可得到該試樣的蠕變使用壽命，式中tr為壽命時(shí)間，A1，A2，A3為L(zhǎng)arson-Miller常數(shù)、T為溫度、σ為應(yīng)力，Ca為老化因子的初始值，A、n、B為材料常數(shù)。
實(shí)施例2
對(duì)象是某電廠已實(shí)際使用8萬(wàn)小時(shí)嚴(yán)重老化的高溫過(guò)熱器部件，由于使用環(huán)境的差異，管排的34根過(guò)熱器管的老化程度有明顯的差別，造成其殘余壽命也有明顯差異。
采用本發(fā)明對(duì)每根過(guò)熱器管的老化程度進(jìn)行定量評(píng)定；采用鍋爐管金屬壁溫的間接評(píng)價(jià)方法，對(duì)每根過(guò)熱器管的金屬壁溫當(dāng)量溫度進(jìn)行定量評(píng)定；采用鍋爐管周向應(yīng)力計(jì)算方法，對(duì)每根過(guò)熱器管的實(shí)際周向應(yīng)力進(jìn)行定量評(píng)定。
分別采用兩種新舊方法對(duì)同一管排的殘余壽命進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果示于圖3。
由結(jié)果可知，采用不考慮部件老化狀況的傳統(tǒng)L-M方法，依據(jù)溫度、應(yīng)力、斷裂時(shí)間的關(guān)系式，每一根管子的殘余壽命評(píng)估結(jié)果(圖中灰線)在6～101萬(wàn)小時(shí)之間，顯然與實(shí)際情況中大多數(shù)過(guò)熱器管使用壽命不超過(guò)20萬(wàn)小時(shí)的事實(shí)不符。
而采用本發(fā)明的方法，結(jié)果(圖中黑線)為2～6萬(wàn)小時(shí)，比較接近實(shí)際情況。具體的證明是，其中一根殘余壽命預(yù)測(cè)結(jié)果為8600小時(shí)，結(jié)果在9000小時(shí)發(fā)生開(kāi)裂泄漏事故，其誤差僅幾百小時(shí)，表明評(píng)估結(jié)果已十分接近電廠實(shí)際情況。
圖3采用新舊兩種方法對(duì)實(shí)際使用管排中的34根過(guò)熱器管分別進(jìn)行評(píng)估的結(jié)果示意圖，其中橫坐標(biāo)為1～34根管子的編號(hào)，縱坐標(biāo)為計(jì)算評(píng)估的每一管子對(duì)應(yīng)的殘余壽命結(jié)果(小時(shí)數(shù))。
實(shí)施例3在2002年11月采用老化因子修正法對(duì)華能淮陰電廠2號(hào)爐對(duì)流過(guò)熱器進(jìn)行了殘余壽命評(píng)估，基本方法同上。
其中過(guò)熱器熱段下彎頭部位管排共84根管子的壽命評(píng)估結(jié)果如圖4所示。由結(jié)果可知，實(shí)際使用6萬(wàn)小時(shí)后，部分管段的殘余壽命已低于2萬(wàn)小時(shí)，個(gè)別管子的殘余壽命已僅幾千小時(shí)，必須盡快進(jìn)行更換。電廠采納了這一建議，已將過(guò)熱器熱段進(jìn)行了整體更換，保證了設(shè)備運(yùn)行的可靠性。
圖中橫坐標(biāo)為1～84根管子的編號(hào)，縱坐標(biāo)為計(jì)算評(píng)估的每一管子對(duì)應(yīng)的殘余壽命結(jié)果(小時(shí)數(shù))。
實(shí)際評(píng)估實(shí)踐證明，采用本發(fā)明的方法是準(zhǔn)確、安全的。本方法不僅可以應(yīng)用于高溫下使用部件如過(guò)熱器、再熱器、聯(lián)箱、管道、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、汽缸、螺栓等的蠕變壽命評(píng)估，而且可以應(yīng)用于其它行業(yè)的高溫部件狀態(tài)評(píng)估和壽命評(píng)估工作中。
權(quán)利要求
1.一種高溫部件蠕變壽命的測(cè)試方法，其特征在于1)首先采用模擬爆管試驗(yàn)機(jī)或持久強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)，選擇不同老化程度及未老化的新材料為樣品，在480～630℃系列溫度變化、10～110MPa系列應(yīng)力變化下對(duì)樣口進(jìn)行蠕變斷裂加速模擬試驗(yàn)，得到不同的蠕變斷裂時(shí)間即壽命時(shí)間的結(jié)果；2)采用多項(xiàng)式回歸分析法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，首先得到未老化新材料的模型關(guān)系式T(20+logtr)＝Ca+A1logσ+A2log2σ+A3log3σ，式中A1，A2，A3為L(zhǎng)arson-Miller常數(shù)、T為溫度、σ為應(yīng)力，同時(shí)得到同一材料老化因子Ca的初始值；3)采用老化特征參數(shù)測(cè)量方法定量描述不同樣品的老化程度，將每一樣品的試驗(yàn)溫度代入T(20+logtr)＝Ca+A1logσ+A2log2σ+A3log3σ得到每一樣品唯一的老化因子Ca值，并統(tǒng)計(jì)老化特征參數(shù)與老化因子值Ca之間的表達(dá)式Ca＝f(HB、σb、E——)式中HB為布氏硬度、σb為材料的抗拉強(qiáng)度、E為材料組織變化的級(jí)別，根據(jù)其中某一個(gè)特征參數(shù)的檢驗(yàn)結(jié)果即可換算出老化因子，式中A1，A2，A3為L(zhǎng)arson-Miller常數(shù)；4)利用材料老化因子Ca對(duì)經(jīng)典L-M參數(shù)法模型進(jìn)行修正，采用回歸分析法形成溫度T、應(yīng)力σ、壽命時(shí)間tr、老化因子Ca之間的四變量關(guān)系，即將Larson-Miller法的基本方程T(C+logtr)＝f(σ)進(jìn)行修正，得到材料老化程度對(duì)蠕變壽命的影響表達(dá)式T(C+logtr)＝f(σ)+Ca；5)將每一個(gè)樣品的試驗(yàn)溫度T、應(yīng)力σ和老化程度即老化因子Ca代入T(C+logtr)＝f(σ)+Ca中即可得到該試樣的蠕變使用壽命。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫部件蠕變壽命的測(cè)試方法，其特征在于所說(shuō)的采用老化特征參數(shù)測(cè)量方法定量描述不同樣品的老化程度，還可將每一樣品的試驗(yàn)硬度代入T(20+logtr)＝Ca+A1logσ+A2log2σ+A3log3σ中得到每一樣品唯一的老化因子Ca值，并統(tǒng)計(jì)老化特征參數(shù)與老化因子值Ca之間的表達(dá)式Ca＝A+B(HB)n式中A、n、B為材料常數(shù)；利用材料老化因子Ca對(duì)經(jīng)典L-M參數(shù)法模型進(jìn)行修正，采用回歸分析法形成溫度T、應(yīng)力σ、壽命時(shí)間tr、老化因子Ca之間的四變量關(guān)系，即將T(20+logtr)＝Ca+A1logσ+A2log2σ+A3log3σ進(jìn)行修正得到材料老化程度對(duì)蠕變壽命的影響表達(dá)式T(20+logtr)＝A+B(HB)n+A1logσ+A2log2σ+A3log3σ，將每一個(gè)樣品的試驗(yàn)溫度T、應(yīng)力σ和老化程度即老化因子Ca代入T(20+logtr)＝A+B(HB)n+A1logσ+A2log2σ+A3log3σ中即可得到該試樣的蠕變使用壽命，其中C為材料常數(shù)。
全文摘要
高溫部件蠕變壽命的測(cè)試方法，采用模擬爆管試驗(yàn)機(jī)或持久強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)，在系列溫度及應(yīng)力下對(duì)不同老化程度及未老化的新材料進(jìn)行蠕變斷裂加速模擬試驗(yàn)，得到不同的蠕變斷裂時(shí)間，采用多項(xiàng)式回歸分析法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到未老化材料關(guān)系式T(20+logt
文檔編號(hào)G01N3/08GK1477383SQ0313431
公開(kāi)日2004年2月25日 申請(qǐng)日期2003年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月23日
發(fā)明者李耀君 申請(qǐng)人:國(guó)電熱工研究院