（化工过程机械专业论文）高温主蒸汽管道损伤及寿命评估方法研究.pdf

硕士学位论文 摘要 高温主蒸汽管道是热电厂关键的构件之一，准确地预测其安全运行寿命是热 电厂普遍关心的重要问题。本文基于有限元分析和硬度测量，对扬子石化公司热 电厂高温主蒸汽管道进行了损伤及寿命评估。本论文在编制的管单元和三维实体 单元的损伤有限元分析子程序的基础上，通过蠕变和损伤耦合的a b a q u s 有限 元分析软件，对主蒸汽管道及其局部构件的损伤情况进行了模拟分析，得到了管 道的应力和损伤分布情况。通过高温时效试验，蠕变持久试验，金相分析和显微 硬度测量等手段，建立起硬度，温度，应力和寿命几者的关系，实现对对高温主 蒸汽管道的寿命预测。 本文的主要研究内容和结论如下： ( 1 ) 通过5 4 0 下进行的1 0 c r l 订0 9 1 0 管材的蠕变试验，得到了该温度下 材料的蠕变和断裂参数，采用基于损伤力学本构方程的用户子程序与a b a q u s 软件耦合，模拟分析了高温主蒸汽管道及其局部构件的的损伤情况，从结果可以 看出，主蒸汽管道应力和损伤较大的部位多发生在结构不连续的弯头和三通管 处，异径管的损伤最大处为细端过渡处外表面，三通管的损伤最大发生在接管外 截交线的顶部。 ( 2 ) 1 5 万小时后主蒸汽管道最大损伤值与临界损伤值的比值为0 4 3 ，表明 该管道服役1 5 万小时的损伤为4 3 缅，还可以继续服役2 0 万小时。异径管在1 0 万小时后的损伤值与临界损伤的比值达到了o 9 6 ，接近为l ，意味着异径管在此 位置完全损伤破坏。而对于1 5 万小时后的三通管，损伤值与临界损伤值的比值 达到1 ，接头完全失效。 ( 3 ) 综合主蒸汽管系线及其局部构件的应力和损伤变化情况，高温服役过 程中管道发生的应力再分布实际上由于损伤发展变化而致，即初始应力最大部位 通常会产生最大损伤，随着损伤加剧，最大应力部位发生转移，并致使其他部位 损伤发展。 ( 4 ) 不同温度不同时间下的时效试验表明材料的硬度值随着温度的升高和 时间的延长而逐渐降低，前期变化比较大，后逐渐趋于缓和。金相分析结果则主 辫 摘要 要表现为珠光体的球化和碳化物的聚集，1 0 c r m 0 9 l o 由初始铁素体和珠光体的 原始组织逐渐变为铁素体和碳化物组织。 一 ( 5 ) 根据时效试验的数据，采用最小二乘法回归，得到了1 0 c f m 0 9 1 0 钢主 蒸汽管道的硬度与回火参数l 之间的函数关系：根据高温蠕变持久试验的数据， 采用最小二乘法回归，得到了l a r s o n m i l l e r 参数和应力硬度的函数关系。前者 可以用来推测已知服役时间的管材的平均服役温度，后者则可以对主蒸汽管道的 寿命进行分析预测。 关键词：主蒸汽管道高温损伤寿命有限元硬度 硕士学位论文 a b s t r a c t l i f ea i l dc r e 印d 锄a g ep r e d i c t i o no f 也e 恤s t e 锄p i p e l i l l ea tl l i g ht e m p e 船：t u r ei n m ey h g z ip e 仃o - c h e n l i c a lp ( ) 惯p l a mw e r ec o n c e m e d 也r o u 曲廿l e 痂缸t ee l e m e n t m e t l l o da i l dt l l eh a r d l l e s sm e s s i m em c t h o di nt l l i sp 聊f 0 rt h ej e i n i t ee l e m e n t m e m o d ，t 1 1 es 臼e s s 锄dc r e 印d a m a g ed i s t r i b u t i o no f l es 缸e 锄p i p e l i l l e 锄di t sl o c a l p a r t s 、e r e 孤a y l z e du s i i l ga b a q u s u s e rs u b r o u t i n ew m c hi sc o m p l i e d 蠡”c o m 叫i n g t t l ed a m a g eo f 吐l ep i p ee l e m e n to r3 ds o l i de l e m e n t f o r 廿l eh 砌n e s sm e a s u r e m e n l o d ，t l l eh i 曲咖e r a t u r ea g i n gt e s t ，l l i 曲t e n l p e r a t u r ec r e 印龇1 d 曲哈s sm p t u r et e 瓯 i n j c r o s 细l c n l r ee x 锄i n a ：t i o n 卸dm i c r o h 鲫d n e s sm e 嬲u r e m e n tw e r eb a r r i e do u t ，锄d 也e r e l a t i o i l s l l i pa b o u tm eh 础e s s ，t e m p e 舭，s n e s sa n dl i f ew 鹞o b t 萄n e d ，a c c o r d i r 坞t 0 w h i c hm el i f eo fn l e 妣锄p i p e l i i l e 、舔p r e d i c t e d t h em a i nc o n t e n t sa n d c o n c l u s i o n so f l ed i s s e r t a t i o na r es u m m 耐z e da sf b l l o 、s ： ( 1 ) 1 kc r e e p 锄d 胁衄ec o n s t a 芏l t so f1 0 c r m 0 9 1 0w t 髓o b t a i n e db y 丘t t i n g c r e 印t e s t 加a t5 4 0 ，锄d 血el l s e rs u b r o u t i n eb a s e d 衄m ed a m a g em e c l l a m c s c o n s t i t u t i v ce 唧t i o n sw 硒c o u p l i i 培谢mt 1 1 ea b a q u ss o n m 鹏，硒ar c s l l l to fw h i c h t l l e 妇a g ea n a j y s i so ft h es t 锄p i p e l i n e 锄di t sl o c a lp a r t sw 勰c o m p l e t e d t h e r e s l l l ts h o wn l a tt l l em a x 曲啪o fs n e s s 趾dd a m a g e0 c c u r r e da tt l l eu n c o n t i n u o u s p a n ：b e n d sa n d 巧o i i l ：t s t h em o s t r i o u s 幽i i l a g el o c a t i o no ft 1 1 e 切p e rp i p ei st l l e o u t e r 角，a eo f 廿l ec o n n e c tp a r t t h ee n d p o i n to fi n ：t e r s e c t i o nl i n ei st t l em a x i n l 啪砌u e l o c a t i o n f o r 也et j o i n tp i p e ( 2 ) 1 kf a t i oo fd 锄a g et 0c r i t i c a l ld a r n a g e 蠡mu 1 es 眦锄p i p e l i n ei so 4 3a 舭r 1 5 0 ，0 0 0 1 1 rs e r v i c e ，w 址c hm e a 仕屺妇n a g eh a sr e a c h e d4 3 锄di tc 趾s e r v ef 斫 锄o t h e r2 0 0 ，0 0 0 hf o r 血et a p e rp i p e ，t 1 1 er a t i o0 fd a m a g et 0 耐t i c a ld a m a g ei s0 9 6 a f b r1 0 0 ，0 0 0 虹c l o s et 0l ，a n di tc 姐b ec o n c l u d e d 也a tt l l et a p e rp i p eh 嬲b e e n d 锄a g e dt o t a l l y f 0 r 也c 巧o i n tp i p e ，位r a 【t i oo f d a m a l g et 0c i i t i c a id a i i l a g ei s 1a f b e r 1 5 0 ，0 0 0 k ，a n dm et - j o i n tp i pl l a sb e 吼峨e dt o t a l l y ，i tc 趾n o tc o n t h l cb es e r v e d ( 3 ) a c c 0 r d i n gt 0t h e 鼬r e s s 觚d 幽i i l a g ed e v e l o p i i l g 删o f t t l es t 陀锄p i p e l i i l e 锄di t sl o c a l p a r t s ，t l l e 鼬陀s s r e d i s t r i b u t i o ni s也er e s u no ft l l e d a i l l a g e i i i a b a s t r a c t d e v e l o p m e n t m a ti st 0s a y 也em a x i m 哪d 锄a g eo f t e no c c 眦sa tm e p a r tw h e r em e m a ) 【i i n u ms t r e s so c c u r r sa tt l l eb e g 喊n g a sm ed 锄a g ed c v e l o p e d ，t h ep a r tw 】忙r e 0 c 伽i r r e d 也em a x i 棚l ms 臼e s sc h a i l g e d ，w 】 l i c hw o u l dr e s u l ti 1 1n l e 姗a g ed e v e l o p m e n t o f 位o m e rp a i t s ( 4 ) t h er e 毗0 fa g i n gt e 啦础池a td i 珏c r e m t 钯i n p 蹦帆r e s 趾dd i 位舱n ta g i l l g t i m es h o w 1 a = tt h e e s sv 2 l l u eo f 也em 种萌a lw a si i e c r e a s e d 丽m 也ei n c r e a s i n go f 恤劬p 倒嘁0 rm ea g 啦胁e ，h o w e v e r ，也eh a r d i l e s sv 丽a t i o nw a sg r e a ta t 觚 a n db e c 锄el i 砌el a t e rg r a d l 珀1 1 y 1 1 1 er e 础to f 也e“c r o 咖衲盯ee x 删0 n m i c a t e d l a t 也en l i c r 0 s n m t u r eo f1o c r m 0 9 1 oh a dc _ h a n g e d 台o mp e a r l i 钯趾df t 0c a r b i d e 觚df e r t i t c ，廿1 ep e m 娩s p h e r o i d i 础i o na n dc a r b i d ea o c 砌a t i o nw e r e i n a i l lm o v e m e n t ( 5 ) t kr e l a t i o n s l l i pb e 咖m eh 砌l e s s o ft h es 扛e 锄p i p e l i l l ea n d 1 e t e 掣r i n g p 揪r l w 孙r e 黟e s s e d 舶m 雠a g i n g e x p e 洒e n t 讹b y a l e a s t s q 哪 m e 也o dw l l i c hc o u l db cl l s e dt 0p r e ( 1 i c t 廿1 em e 觚s e r v i c et e m p e r 积鹏o f m ep i p e l i i l e w h o s es e r v i c et i m ew 鄱k n o w n 7 n l er c l a t i o n s m pb e t 、v e e nl a r s o n m i l l e rp a r 锄e t e ra n d g 眈s s l 】a r d n e s sw 嬲e s t a b l i s h e da c c o r d i n gt 0 廿l ed a t ao ft h ec r e e p 锄ds 骶s sm p n 鹏 t e s ti nal e a s ts q u a r em 砒o d ，删c hc o u l db el l s e dt op r e d i c tm e1 i f eo f 位s 仃e 锄 p i p e l i r l e k e y w o r d s ：1 1 l cs 仃e a mp i p e l i i l e ； e l a n e n t ：h a _ i i d n e s s h i 曲t c f n p m t u r c ；d 锄昭e ；l i 危；f i n i t c 、 硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论 准确地预测高温主蒸汽管道的安全运行寿命是热电厂普遍关心的重要问题。近 2 0 年来，随着我国电力工业的发展，许多高参数大容量火电机组相继投入运行， 同时，超龄机组仍在带伤服役。我国从5 0 年代末到6 0 年代初，前苏联和东欧一 些国家援建的电厂的高温承压主蒸汽管道，其累积运行时间一般为2 8 1 0 4 2 9 1 0 4h ，最长的已达3 3 1 0 4h 以上。6 0 年代末和7 0 年代初所建电厂中的高温高压 主蒸汽管道的累计运行时间普遍已达2 0 1 0 4h 。据不完全统计，这些超期服役的机 组占全国火力发电机组容量的1 5 以上，且大多为各电网的主力机组。由于长期高 温运行，材质老化及蠕变损伤使主蒸汽管道的安全问题越来越突出，许多关键设备 业已超过了3 0 年的设计寿命。由于各种因素的限制，新厂的建设渐少，进入设计 寿命期的工厂在今后将不断增加。但简单地淘汰老厂的做法已经无法做到，政府和 企业都希望能采用高新技术方法挖掘工厂的潜力，使之能继续运行2 0 4 0 年，准 确地预测、延长主蒸汽管道的使用寿命不仅事关工厂的安全生产，影响到工厂的经 济效益，同时也顺应了创建节约型社会的时代发展新潮流。 火力发电厂的设备主要由两大部分组成：锅炉和发电机组，也就是说用各类燃 料加热锅炉中的水，产生蒸汽去驱动发电机组发电，由此可见，整个火力发电设备 是在高温高压下工作的机组，其中蒸汽管线包括主蒸汽管道、主蒸汽母管、导汽管 和再热蒸汽管等。主蒸汽管道的安全评估主要体现在对管道金属材料的剩余寿命评 估上。这是因为管道在以时间相关的劣化机制( 如蠕变、疲劳、回火脆性、氧化、腐 蚀、氢脆等) 为主的条件下运行，管道的服役寿命是有限的【l l ，一旦超过其服役寿命 而失效，则影响了整套装置的安全运行，所以确定、评定和预测在役管道在一定的 运行环境下的剩余寿命，对装置的安全运行具有非常重大的意义。 第一章绪论 1 2 高温管道寿命损耗因素 电厂主蒸汽管道在运行过程中寿命损耗的主要因素是金属的高温蠕变作用，其 次由于管道内外壁的腐蚀和管道外壁的磨损会使管壁减薄，致使管壁金属承受的应 力增大，加速寿命损耗。疲劳作用对于管道寿命的影响相对于前两者较小【2 】。 1 2 1 高温蠕变 金属在高温下，即使其所受的应力低于金属在该温度的屈服点，在这样的应力 长期作用下，也会发生缓慢的连续的塑性变形，这种变形在温度不太高或应力不太 大的情况下慢得几乎察觉不出来，这样的一种现象称为“蠕变现象 ，所发生的变 形称为“蠕变变形 ，俗称蠕胀【3 】，如图1 1 所示。 映 锹 a o 时间 图1 1 蠕变曲线图 f i g 1 1g e n e r a jc 印c u r y c ( 1 ) 蠕变的概念 金属的蠕变变形随时间而发生变化，可用蠕变曲线来表征其变化的规律，蠕变 曲线可以分为四个部分：o a 为加载后引起的瞬时变形。假如外加的应力超过金属在 试验温度下的弹性极限，则这部分瞬时变形中既有弹性变形，又包含了塑性变形。 a b 是蠕变第一阶段。在此阶段中，金属以逐渐减慢的速度变形，即蠕变速度随时间 2 硕士学位论文 增长而减小，故称为蠕变减速阶段，也称为蠕变不稳定阶段。b c 是蠕变第二阶段。 在此阶段中，金属以基本恒定的速度变形，故也称蠕变稳定阶段。通常就用这一阶 段的曲线b c 的倾角仿的正切值来表示金属材料的蠕变速度。c d 是蠕变的第三阶段， 即蠕变的最后阶段。在此阶段中，蠕变加速进行，这是一种失稳状态，直到d 点金 属发生断裂为止。至此，整个蠕变过程即行告终。由于蠕变第三阶段有蠕变不断加 速的特点，所以也被称为蠕变加速阶段。 经过大量的蠕变研究表明，蠕变的第三阶段，亦即蠕变速度开始增大直至断裂。 金属尚能工作占总使用期4 0 一5 0 。在评估蠕变条件下的金属寿命时，排除这种强 度储备三不合理的，不能认为蠕变速度开始增大，蠕变已经达到危险期。蠕变速度 的增大能促使位错的聚集，当聚集到一定程度，将形成金属的损伤。同时这种损伤 又在不断的聚集，进一步引起蠕变加速，达到这个时期才有危险。也就是说以金属 的累进断裂开始，作为金属的寿命终结。 ( 2 ) 蠕变变形机理 蠕变变形是通过位错滑移、位错攀移形成亚晶及亚晶界的滑动和迁移等方式实 现的。在高温蠕变条件下，它们对变形的贡献与常温下的有所不同。 在常温条件下，若滑移面上位错运动受阻，产生塞积现象，滑移便不能再进行。 但在高温蠕变条件下，由于热激活，就有可能导致滑移面上塞积的位错进行攀移， 形成小角度亚晶界，塞积群中位错有出、有进，增殖不停，变形也就不停。从而导 致金属材料的交替硬化软化，使滑移继续进行。虽然对蠕变有贡献的是位错的滑移， 但其进行的速度，则受攀移过程所控制。 在常温下，晶界变形是极不明显的，可以忽略不计，但在高温蠕变条件下，由 于晶界强度降低，其变形量就很大，有时甚至占总蠕变变形量的一半，这是蠕变变 形的特点之一。 根据位错理论及蠕变变形方式，高温蠕变三个过程可作如下简要解释。 蠕变第一阶段以晶内滑移和晶界滑动方式产生变形。位错刚开始运动时，障碍 较少，蠕变速度较快。随后位错逐渐塞积、位错密度逐渐增大，晶格畸变不断增加， 造成形变强化。在高温下，位错虽可通过攀移形成亚晶而产生回复软化，但位错攀 移的驱动力主要来自温度，温度一定，位错攀移速度一定。位错滑移增殖容易而攀 3 第一章绪论 移难，即强化容易而软化难，因此，这一阶段的形变强化效应超过回复软化效应， 使蠕变速度不断降低。 蠕变第二阶段，晶内变形以位错滑移和攀移方式交替进行，晶界变形以滑动和 迁移交替进行。晶内位错滑移和晶界滑动使金属强化，但位错攀移和晶界迁移则使 金属软化。由于软化是扩散过程，受时间限制和主要由温度提供动力。二阶段受控 于软化，即受控于热扩散。 蠕变发展到第三阶段，由于裂纹迅速扩展，为位错塞积群提供减少位错的新途 径，位错除攀移外还可以从裂纹处放出自由表面，使塞积群得以松弛加快了软 化过程，使变形加快，蠕变速度加快。当裂纹达到临界尺寸时，便产生蠕变断裂。 1 2 2 高温下材料的老化 从材料的微观角度来看，目前火电厂用的最多的是珠光体耐热钢和马氏体耐热 钢。要使以铁素体为基体的耐热钢的耐热性高，不但钢中碳化物要稳定，分布适当， 而且更重要的是铁素体基体要很强。铁素体含碳量很少，几乎可以忽略不计，但在 合金钢中，它却含有多量的合金元素，这种合金化的铁素体是被强化了的。在这些 钢中，归根结底只有两种相：固溶体和碳化物，即铁素体和碳化物【4 】。耐热钢中的 合金元素不是存在固溶体中，就是存在于碳化物中。当形成固溶体时，合金元素的 原子是要溶入到铁的晶格点阵中去的。由于合金元素的原子直径与铁原子直径不同 ( 或大与铁原子或小于铁原子) ，因而形成固溶体时就要产生品格畸变，有畸变的 晶格是不稳定的。因此，在高温长期作用下，只要温度水平能使合金元素原子有充 分的活动能力，它就力求从固溶体转移到结构较为稳定的碳化物中去，这种过程也 叫口固溶体的贫化。随着运行时间的增加，铁素体中m n ，c r ，m o 等合金元素逐渐 转移到碳化物中去。铁素体中合金元素减少会使基体显微硬度降低，使钢的强度、 蠕变极限和持久强度下降。 1 3 高温部件的寿命评估方法 锅炉高温部件剩余寿命的计算方法随着国内外对剩余寿命评估研究的深入和 成熟经历了四个不同阶段。最早采用线性外推的持久强度法，侧重研究蠕变过程中 4 硕士学位论文 断裂机理；第二阶段是蠕变损伤法，侧重于材料的组织变化；第三阶段是参数外推 法，预测准确性得到很大提高：如等温线外推法，其中l a r s o n - m i l l e r 公式就是蠕变 一参数外推法中最著名的一个；第四阶段是外推中的解析法，它是第三阶段的迸一 步丰富和发展，如口法寿命评估，它可以把前面的各种参数法统一成一体。 利用持久强度评估锅炉高温部件的剩余寿命是国内外应用较早的一种方法，但 是它的不确定性也日益被试验所验证；利用蠕变损伤的定量评定法评估剩余寿命比 较精确，但这种方法受电厂现场条件和无损检测技术发展的限制，这种方法在国内 应用很少。蠕变参数法【5 】是现在国内外应用较广泛的一种评估剩余寿命的方法， l a r s o n - m i l l e r 公式是其中最著名的计算公式，它依据短期的变温等应力或变应力等 温加速试验数据推测出高温部件的剩余寿命，精确度高，计算方便，应用广泛。秒法 是在蠕变一时间参数法的基础上发展起来的一种方法【6 】，考虑了因断裂模式改变而 影响的一些因素，提高外推准确度，使外推范围扩大。四种剩余寿命计算方法都能 进行高温部件的寿命评估，但对每一种方法还需要考虑材质的不均匀性，氧化层厚 度的影响等，必要时应用时间和应力余量法进行修正。对各种评估方法，要精确预 测剩余寿命，都需要考虑电厂高温部件实际运行工况，服役时间长短等因素，对剩 余寿命进行综合评定。 近些年来，剩余寿命的评估方法有了很大的变化，许多新技术被应用在这个领 域，总体来说按对试样的处理方式分为2 种，既破坏性分析法和非破坏性分析法r 7 1 。 破坏性分析法是从欲进行寿命评价的部位取样，通过破坏试验的结果来得出剩余寿 命的方法。如加速蠕变试验法【8 j ，蠕变裂纹扩展试验法【9 】，密度法【1 川等。非破坏性 分析法是利用射线、超声波、电磁场等手段而无须破坏部件结构进行剩余寿命评估 的方法。如晶粒变形法【1 、电阻法【1 2 】、超声波能量衰减法【1 3 1 、有限元模拟法【1 4 】等 1 4 基于有限元法的高温部件损伤和剩余寿命预测 1 4 1 蠕变损伤力学发展 损伤力学理论是由跏l 脚v 计算拉伸棒的蠕变断裂时间时引入的，他引入 了连续性因子的概念，提出了脆性破坏模型，首次将材料的劣化用连续性因子来表 5 第一章绪论 述，从而使得材料微观损伤的离散过程可以用连续的变量加以描述。随后r a h o t n o v 【1 6 】 引入了损伤变量和有效应力的概念，使损伤与本构相耦合，对蠕变损伤破坏开展了 系统的研究。l c n l a i tr e 【1 刀则迸一步提出了应变等价性原理，即受损材料的变形特性 无论是单轴抑或多轴，都可用无损材料的本构关系加以描述，只需将上述有效应力 替代其中的应力项即可。按有效应力的概念，并略去弹性应变，n o 渤n 公式可以表 示为 营= 彳p ( 1 一彩) r( 1 - 1 ) 式中，a 、n 均为材料常数；考为蠕变应变率；o 为应力；( 1 为损伤变量，取值在o ( 对 应于完全无损的材料) 和l ( 对应于完全破坏的材料) 之间。考虑到一般情况下应变 速率对应力和损伤的依赖程度不同，式( 1 1 ) 可改写为 营= 彳盯”( 1 一国) 册 ( 1 2 ) 式中，m 为材料常数。但是损伤亦是一个变量，因此也应有相应的演化方程。 r o ba _ 缸l o v 【1 6 1 假定损伤率为当前应力状态的函数，于是可得另一方程： 西= b 盯p ( 1 一国) 9( 1 3 ) 式中，b 、p 、q 均为材料常数。 式( 1 - 2 ) 和式( 1 3 ) 即为经典的k a c h a n o v - r o b a 缸1 0 v 本构方程，可用于预测单向 载荷作用下材料的蠕变失效。为了描述实际工程构件的蠕变失效行为，需要将单轴 蠕变本构推广到多轴蠕变状态，在这方面，l e c l 【i e 等及d y s o n 【1 9 1 做出了开创性的 贡献。 连续损伤力学( c o n t 抽u u md a n l a g em e c h a i l i c s ，c d h d 以连续介质力学和不可逆 热力学为基础，目的是在材料的本构关系中掺入损伤变量，使得含损伤变量的本构 关系能够真实描述损伤材料的宏观力学行为【2 0 1 ，即以宏观唯象的方法来描述材料 细观结构的变异。近年来，由于高温装备开发及安全评定的迫切需要，对多轴蠕变 损伤本构的研究日益增多。这些本构可归结为两大类：含单个变量的多轴蠕变损伤 本构和含多个变量的多轴蠕变损伤本构。前者不区分蠕变损伤的不同微观机理，只 以一个损伤变量来综合反映它们对蠕变失效的宏观影响；后者则以不同的损伤变量 来描述蠕变损伤的不同机理，以更好地描述材料的多轴蠕变失效行为【2 1 1 。 6 硕士学位论文 1 4 2 高温管道损伤模拟的发展 由t l 蛐e r 、c l o u g h 等人发展起来的有限元法通过对求解区域的离散化，把连续 无限自由度问题转化为离散的有限自由度问题，通过插值函数计算出各个单元内场 函数的值，从而得到整个求解域上的解。利用这种方法，只要离散后的单元足够小， 就可以使最后的结果收敛于精确解。 利用有限元法对管道进行寿命评估，主要是以大型有限元分析软件为平台，编 写基于损伤力学的用户材料子程序，对损伤情况进行模拟分析，主要经历了以下几 个阶段： h y d e 瞄1 等人基于连续损伤力学，采用有限元法对焊接结构各部分的损伤进行了 模拟比较，分析了本构方程、几何尺寸等因素对寿命评价结果的影响，对弯管损伤 寿命进行了运算，把稳态参考破断应力的概念应用于弯管，但是把弯管简化成了轴 对称模型，并且忽略了两端轴力对弯管损伤的影响。 张旭红1 以有限元分析软件a n s y s 为平台，对受内压、机械载荷及热位移载 荷作用下的主蒸汽管道产生的一次和二次应力进行了模拟计算，他将自重处理为作 用于管系的均布载荷，而管道的终端和始端按固定约束或导向约束条件来处理，同 时管道中的刚性吊架加以所限制位移方向的约束，恒力支吊架加以集中力。根据模 拟结果进行的强度校核是安全的。又因为管系中最大应力出现在弯管部位，所以单 独进行了弯管的蠕变应力分析，结果显示在弯头的中间部位，即护= 4 5 。的截面上 所受的应力最大，是导致弯头失效的最薄弱部位。 陈建钧【2 4 】采用k r 蠕变损伤本构方程，编写了计算三维单元和轴对称单元损伤 的子程序，并应用子程序对t 型接头、弯管及厚壁圆筒等承压构件进行了损伤分析， 得出了一些有意义的结论。如对于弯管，临界损伤最早出现在矽= 4 5 。内弧区的内 壁面，随后损伤不断向内弧区外壁面扩展，直至整个截面完全失效。在外壁面上， 临界损伤值将首先出现在矽= 4 5 。，口= 3 0 。处，且随着时间的推移，损伤将向内 壁面延伸。对于t 型接管，临界损伤将最先出现在接管外截交线的顶部，并不断向 内壁发展。 鲍俊涛f 2 5 】贝! | 根据主蒸汽管道损伤有限元分析的需要，编写计算管单元损伤的子 程序，子程序中主要给出弹性阶段和蠕变损伤阶段的雅可比矩阵，通过损伤有限元 7 第一章绪论 分析，服役1 0 万小时后s s 主蒸汽管道的损伤分数约为0 2 6 9 0 3 5 6 ，这与基于微结 构分类法的寿命评价方法得到的结果是吻合的，说明通过蠕变损伤力学的计算模 拟，可以较好的预测高温主蒸汽管道的寿命。但其有限元分析中，认为弹簧支吊架 的载荷是线性变化至热态载荷的，实际的弹簧吊架荷重是随着管道位移变化而变化 的，所以更合理的处理方法是用弹簧模型来模拟弹簧支吊架，并为其设置合适的弹 性系数，有利于得到更接近实际情况的模拟结果。同时，在其有限元分析中没有考 虑管道中的t 型接头、阀门等复杂结构对管道应力分布的影响，这也是有待于进一 步分析的内容。 1 5 基于硬度法的剩余寿命预测方法 硬度测定法是计量由于组织变化而引起的变形抵抗能力( 软化现象) 的方法刚。 它是测量部件的表面硬度，评价剩余寿命前要先建立对象材料的硬度变化与蠕变断 裂寿命、温度及时间等所必要的相关数据口7 】。长期受到高温、高应力作用的金属材 料，其微观组织中的碳化物及位错将出现不同程度的变化，使其发生材质软化现象， 它是一个与工作温度、应力水平和运行时间等因素有关的函数。运行方式和服役年 限等因素可使管材内的化学成分重新分布，从而使显微组织、硬度、蠕变和疲劳等 力学特性发生不同程度的退化现象，因而此方法是可行的凶。 1 5 1 硬度的定义及常用测量方法 硬度是金属材料力学性能试验中最常用的一个性能指标。材料的硬度值是指金 属表面抵抗外物压入所引起的塑性变形抗力的大小，它不仅决定于所研究材料本身 的宏观与微观条件，而且也决定于测量条件。可以这样说，对于被测试的材料而言， 硬度是代表着在一定压头和力的作用下所反映出的弹性、塑性、强度、韧性以及抗 摩擦性能等一系列不同物理量的综合性能指标，反映了材料的综合机械性能。锅炉 管道在运行过程中，材料的瞬态硬度值与材料的疲劳损伤过程相对应。塑性变形的 基本方式是滑移，是使原子结合键不断破坏和重新建立的过程，而疲劳断裂的必要 条件是塑性变形，材料在外载作用下产生位错滑移微裂纹形成微裂纹 扩展直至最后断裂。由此可见，材料的硬度与疲劳损伤本质属性有依赖关系。 8 硕士学位论文 所谓金属的硬度是指金属抵抗其它比较坚硬物体压入的能力。这种坚硬的压入 物体通常是不发生变形的。硬度试验是力学性能试验方法之一，它的优点是迅速并 不需取样，可直接在工件上进行试验，还可通过硬度试验近似求得某些力学性能的 特性数字。 按照试验时所用的方法不同，可将硬度测定方法分为： ( 1 ) 压入法这是用得最广泛的_ _ 种硬度测定方法，它是试验金属对塑性变形的 抵抗能力； ( 2 ) 划痕法是试验金属对于阻碍断裂的抵抗能力： ( 3 ) 弹性回跳法这种方法是试验金属对于弹性变形的抗力。 目前，我国常用的为压入法。压入法可分为：布氏法、洛氏法、维氏法和携带 式硬度计测量方法等数种。 1 5 2 硬度法发展过程及现状 早在上世纪七、八十年代，人们对由硬度预测高温材料的持久强度，进而预测 高温部件的寿命的方法做了大量研究，形成了诸如高温持久硬度法、换算系数法和 经验公式法等方法四l ，但因其结果的不确定性而逐渐被淘汰，如何建立起硬度与寿 命的直接关系，实现便捷的寿命预测，将成为新一轮的研究热点。 k a z i l n a r if u j i y ：a m 【3 0 j 等人对1 2 5 c r - 1 m o 一0 2 5 v 的高温蒸汽透平元件进行了研 究，他们发现，高温下服役过的部件硬度要比原始材料的低，主要是因为碳化物的 粗化以及位错微结构的还原，这种温度软化将造成蠕变速率的增加和蠕变断裂时间 的缩短。通过对试样进行蠕变试验及持久试验，蠕变速率、蠕变断裂时间和硬度的 关系被建立起来，在此基础上，通过硬度测量来预测部件蠕变寿命成为可能。图1 2 为该研究建立的寿命预测程序。 9 第一章绪论 c r e e pd a m a g ee 、，ai u 搴tj o n c r p = t ( 2 0 + l 0 9 1 d tr ) c f e e p d 器m a g e 魄。詈t r ti m et or u p t m 图1 2 寿命预测程序示意图刚 f i g 1 - 2t h ep r o g m mo fl i f e 弱s e s 锄e n t 可以看出其结合了有限元与硬度测量两种方法，并认定硬度与l a r s 0 n m i l l e r 参 数p 存在线性关系，并且其关系系数是关于应力的函数，这样如果已知硬度值和有 限元法模拟出的应力值，即可确定l a r s o n m 珊e r 参数p ，又已知部件运行的温度t ， 就能得到部件材料的破断时间。该研究中，硬度与蠕变速率的关系也被以公式形式 提出： 一 l o g i or ，+ 册l o g l o 害= c o ( 1 - 4 ) 尸= 彳( 仃) 月v + 丑( 盯) ( 1 - 5 ) ，= r ( 2 0 + 1 0 9 l of ，)( 1 6 ) 。舌= 去 c o 枷扣c 盯，协删刚) m 乃 李盛萌【3 1 1 等人则在此基础上发展了硬度法预测高温部件寿命的技术，其通过严 格地控制加热温度与加热时间，对未使用的管材进行炉中模拟加热，测定空冷至室 温后每个试样的维氏硬度，建立管材的硬度与回火参数l 之间的函数关系。采用最 小二乘法推导出维氏硬度h v 与回火参数的关系为： 协= 1 5 2 4 1 0 三+ 0 4 8 2 2 三- 3 5 6 7 1 0 ( 1 8 ) l o 硕士学位论文 图2 3 硬度h v 与回火参数的关系图 f i g 2 3h a r d n e 鸽v e r s i 塔lr e l a t i o n s h i pc u r v e s 通过显微硬度计测量运行不同年限的截取管材的硬度，便可推算出管道的实际 尺d 。一s ) 工作温度。再由仃周向2 哥根据所截取管道的实际最小壁厚，计算出各管道 的周向工作应力。其中，钼向为管道周向应力，p 为设计工作压力，s 为管子最小 壁厚，dw 为管子外径。 。 三= 么( 仃) 曰y + 以盯) 彳( 仃) ：兰彳羽。g 仃) “，曰( 仃) ：量岛( 1 。g 口) “ ( 1 9 ) 舶) 2 舌驰g 仃) 一坝仃) 2 三驰g 口) 一 ( 1 9 ) 通过试验数据确定出参数的值，根据推算的温度及工作应力，测量的硬度，即 可推算出管道的剩余寿命。 s h i i i l p e im i b 後s m 等口2 1 通过对2 2 5 c r l m o 的大量的试验数据拟合得出 m a s o n - h 娟嚣d 系数m h p 与温度和破断时间的下面关系： 脚= ( 1 0 9 。1 6 0 5 3 ) 们_ 3 8 0 1 ( 1 1 0 ) = - 0 0 2 9 7 5 一o 0 1 8 2 8 l o g ( 仃日易) 一o 0 1 1 4 6 l 0 9 2 ( 盯日石) 、 式( 1 一1 0 ) 可以用来预测未使用的材料或者已用材料的破断时间，但是不能 用来预测进行过热处理或者冷加工的高温材料，研究发现破断时间会随着冷加工的 第一章绪论 程度而缩短，从原理上说，是因为冷加工给溶质原子提供了额外的传播路径，促进 了碳化物的演变，从而使位错密度增大，使材料的裂化加速。 在空气中做试验时氧化的作用不可忽略，研究者利用h 锄0 v r a b n l o v 的力学 损伤理论，对数据库中的数据进行了修正，当假定应力指数为4 时，真空中的平均 蠕变强度可以用下式求得，l m p 为l a r s o n m i l l e r 参数： 三m p = ( 1 0 9 0 + 2 0 ) r = 2 3 6 6 1 + 1 8 3 2 l o g 口一1 8 3 5 l 0 9 2 仃( 1 1 1 ) 高温下的短时试验有助于减小氧化对结果的影响，并增加可靠性。 1 6 本文研究背景及研究内容 1 6 1 研究背景 扬子石化公司热电厂相继在1 9 8 6 年至19 8 8 年之间建成投入使用，至今累计运 行1 3 万小时1 5 万小时。以蠕变性能作为设计指标的电厂主蒸汽管道，在长期运 行过程中材质发生变化和损伤的积累，寿命不断消耗，如果监督不及时，则会引起 事故和重大经济损失。主蒸汽管道于2 0 0 1 年进行了剩余寿命评估，评估结果显示 仍有1 0 万小时的剩余寿命。作为即将进入寿命后期的主蒸汽管道，所发生的损伤 将会给维护管理带来更高的要求。寿命预测迫在眉睫。本文主要研究1 # 锅炉主蒸 汽管道，材料为1 0 c r m 0 9 1 0 ，管道尺寸为巾2 7 3 2 8 n 蛐，蒸汽压力9 8 m 田a ，蒸汽 温度5 4 0 ，于1 9 8 6 年l o 月投入使用。 1 6 2 研究内容 基于减少热电厂运行以及维护管理费用的考虑，为保证高温主蒸汽管道长周期 安全可靠的运行，本论文拟采用有限元损伤分析法和硬度法研究1 # 锅炉主蒸汽管 道的损伤以及剩余寿命。 第一章为绪论，首先分析了主蒸汽管道寿命损耗的主要因素，从不同的角度介 绍了主蒸汽管道寿命预测的主要方法，重点对有限元法和硬度法的国内外研究进展 进行了综述。最后提出本课题的研究背景和研究内容。 第二章为有限元损伤分析方法预测高温主蒸汽管道寿命，针对已运行1 0 万小 1 2 项士学位论文 时的主蒸汽管道，在a b a q u s 有限元分析软件中引入损伤力学本构方程，对实际 工况下的整个管道进行了模拟计算，综合考虑了载荷、约束等因素对蠕变损伤的影 响，得到管道整体的蠕变损伤分布，确定损伤最大的部位。 第三章为有限元法损伤分析方法预测高温主蒸汽管道局部构件剩余寿命，进一 步对管道局部构件的蠕变损伤状况进行分析。重点对异径管、三通的应力分布、蠕 变损伤分布以及寿命进行分析。 第四章为高温主蒸汽管道材料1 0 c r l 订0 9 1 0 的时效试验，通过对1 0 c r l 订0 9 1 0 进 行6 3 0 ，6 5 0 ，7 0 0 三个不同温度下的时效试验，得到该材料在不同时效时间 下的的微观组织变化和显微硬度值变化规律，建立起主蒸汽管道的硬度与回火参数 l 之间的函数关系。 第五章为基于硬度法的高温主蒸汽管道的剩余寿命预测，根据h o l l o m o n j a 彘 指数关系，对1 0 c r l 订0 9 1 0 新材料在6 3 0 下分批进行了时效试验，对时效后的试样 进行蠕变持久试验，得到了6 0 0 时不同应力等级下的断裂时间。根据蠕变持久试 验得到的数据，采用最小二乘法，可以建立l a r s o n _ m i l l e r 参数和硬度的函数关系， 并根据此函数关系，对主蒸汽管道的寿命进行了分析。 最后是总结与展望，对本论文的研究工作进行总结以及对今后的研究工作进行 展望。 参考文献 【1 】a k r a y ，s k s a l l a y ，b g o s w a i n i 舡s e s s m e n to fs e r v i c ee x p o s e db o i i e r 砌) e s 叨 e n g i n e e 血gf a i l u r e 加l a l y s i s ， 2 0 0 3 ， ( 10 ) ：6 4 5 6 5 4 【2 】涂善东高温结构完整性原理【m 】北京：北京科学出版社，2 0 0 3 【3 】孙茂才金属力学性能【m 】哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2 0 0 3 【4 】康纪仪电厂金属材料【m 】北京：中国电力出版社，1 9 9 5 【5 】张都清，丁辉，张广成等基于可靠性的电厂主蒸汽管道的寿命评定叨中国 电机工程学报，2 0 0 l ，2 1 ( 4 ) 6 6 7 4 【6 】e 砌n s ，r w a n dw i l s h n ，b c r e 印o fm e t a l s 锄d 舢l o y s m 】i n s t m e t a l s ，l o n d o l l 第一章绪论 1 9 8 5 【7 】凌祥，涂善东高温构件寿命评价技术研究现状和进展阴机械工程料，2 0 0 2 ， 2 6 ( 1 0 ) ：4 7 8 】 s w 娥吐锄rr e s i d l l a li i f et e c i l i l i q u e sf o rp l 趾tl i f e 嘣e n s i o n 川m a t c r i a l s s c i c e 锄de n g 证e e 血g ，1 9 8 8 ，a 1 0 3 ：1 3 1 - 1 3 9 【9 】 n i c h o l s o nrd t ke 旋c to ft e n 秘m t u r eo nc r e 印c r a c kp r o p a 2 9 a t i o ni i l 触s 1 316 鲥i l l e s s 毗e l 川m a t e r i a ls c i e n c ea l l de n g i l l e e r i n g ，19 7 6 ，( 2 2 ) ：1 6 【1 0 】刘尚慈密度法研究1 2 c r l m o v 钢蠕变损伤川机械工程材料，1 9 8 5 ，( 6 ) ：2 4 2 6 【1 1 】i s h i z a k is ，s h o j it ，t a k a l l 舔h it c r e 印d 锄