[发明专利]一种电站锅炉耐热材料蠕变寿命预测方法

说明书

                         技术领域

本发明属于材料科学与工程应用技术领域，涉及一种电站锅炉耐热材料蠕变寿命预测方法。

                         背景技术

众所周知，为保护环境、节约能源和减缓全球暖化倾向，发展高能效的超临界、超超临界蒸汽参数、超大容量的蒸汽循环发电机组已成为世界电力发展的根本出路。人们已经清楚地认识到，只有提高蒸汽参数，发电机组的效率才能得到有效地提高，而要实现更高蒸汽参数下发电机组的可靠运行，必须研究开发和高蒸汽参数相适用的高温耐热材料。

电站锅炉耐热钢是世界范围内大容量火力发电机组实现参数(蒸汽温度、蒸汽压力)、热效率提升的主要物质基础。目前，世界范围内，9～12％Cr铁素体钢(T91/P91，T92/P92，T122/P122，E911，10Cr9Mo1VNb)已成为超临界、超超临界压力发电机组电站锅炉过热器、再热器、主蒸汽管道、蒸汽进出口集箱的主力钢种，这些钢种是超临界压力发电机组实现主蒸汽参数由566℃向593℃过渡的关键材料，也是用于改造现役发电机组高温部件、延长机组使用寿命的最有前途的替代材料，以上所述材料主要用于制造亚临界、超临界和超超临界压力发电机组电站锅炉的过热器和再热器，具有较高的蠕变持久强度和持久塑性，大规模使用这些材料在我国取得了十分明显的经济和社会效益。

尽管先进的电站锅炉耐热钢具有较好的抗高温蠕变能力，但电站锅炉的过热器和再热器管工作在复杂多变的环境之中，管外侧承受煤燃烧的气固两相高温烟气流动冲刷和辐射，管内侧承受高温蒸汽流动、传热及氧化。根据美国可靠性协会(NERC)统计，电站锅炉发生故障的位置中，炉膛水冷壁，过热器，再热器，省煤器占全部故障的百分比分别为40％，30％，15％和10％，而非承压部件及燃烧器只占5％；可见，过热器和再热器引起的失效事故共占45％，是影响火力发电机组长周期运行安全的主要失效因素。

过热器、再热器管的安全性受控于管内外的高温烟气和高温蒸汽环境；而主蒸汽管道、蒸汽进出口集箱等高温部件虽然不承受高温烟气冲刷和辐射，但管道、集箱内侧承受高温蒸汽氧化。因此，电站锅炉过热器、再热器管、管道和集箱在服役过程中常会因高温、应力的长期共同作用造成蠕变断裂破坏，为避免造成重大的经济损失和人员伤亡，无论从经济性，还是从安全运行以及如何合理地安排检修周期考虑，进行电站锅炉钢蠕变寿命的评估、预测对火力发电机组的长周期运行安全具有非常重要现实意义。

目前，国内外对电站锅炉管及管道蠕变寿命的预测多采用基于力学性能数据的外推技术L-M法和与蠕变过程相关的方法，如空洞形核及生长、游离碳化物成分等金相特征变化的计量技术。基于力学性能数据的外推技术经历了持久强度等温线线性外推方法，参数外推方法，如著名的Larson-Miller公式，以及Van Loeuwer提出的应力-时间-温度的参数外推方法。

持久强度等温线线性外推方法是采用提高应力和温度的方法得到材料短时的应力和断裂时间及温度之间的关系，再外推出长时间应力和断裂时间及温度之间的关系，这种外推方法是目前高温部件设计的基础方法，但是由于预测技术对工作应力比较敏感，蠕变寿命和应力的关系颇受质疑，因此，这一技术用于高温部件的寿命评估存在较多不足；参数外推方法的代表为Larson-Miller外推公式，通过在较高温度、较低应力下的蠕变断裂试验来估算较低温度下的长期蠕变强度，这种方法在实际高温部件的设计时也经常使用，但是，一般规定用L-M参数外推寿命应小于最长试验点的3倍；同时L-M公式假设缺乏蠕变断裂物理理论依据，没有考虑应力松弛和组织劣化，以及在低应力区无法外推，蠕变寿命的预测较为保守，外推精度也不够高；除此之外，基于和蠕变过程相关的方法，如：空洞形核及生长、游离碳化物成分及石墨化等金相特征变化的计量技术，主要有蠕变空洞法，M₆C析出率法和碳化物的球化率法，这些方法具有相似的理论基础。如：蠕变空洞法主要是建立材料蠕变空洞损伤和蠕变寿命之间的关系，一般认为，长期蠕变破坏是由晶界上的空洞形核及其生长引起的晶间断裂破坏，一定的空洞分额对应着一定的蠕变寿命分额，由于没有综合考虑蠕变空洞形核的多样性以及碳化物的影响，计算模型与实际的蠕变断裂显微结构有一定的差距，不能准确的预测电站锅炉管道蠕变寿命，进而无法对高温部件的寿命进行相对比较准确的寿命评估和预测，影响电厂的长周期运行安全。

                          发明内容