[发明专利]一种电站锅炉耐热材料蠕变寿命预测方法

摘要

本发明公开了一种电站锅炉耐热钢蠕变寿命预测方法，该方法在受约束蠕变空洞生长模型的基础上，提出了蠕变空洞非均匀成核模型，然后进一步提出临界蠕变空洞修正半径的计算方法；该计算方法采用显微观察计量分析，根据耐热钢高温蠕变服役过程中碳化物、夹杂物等系列形核核心的数量和尺寸变化计算临界空洞半径；继之根据实际断裂试样(或定期检验截取的实际管段试样)的形核核心数量及尺寸变化计算实际生长的空洞半径，由此计算得到的断裂时间，与实际值符合较好。

主权项

1.一种电站锅炉耐热材料蠕变寿命预测方法，其特征在于，该方法具体包括下列步骤：(1)以已知的受约束蠕变空洞生长模型为基础，观察耐热钢的蠕变空洞基本在垂直应力方向的晶界上，符合受约束蠕变空洞生长模型，经Riedel改进后推导出的空洞的生长速率如式(1)所示：$\stackrel{·}{r}=\frac{\sigma -(1-\omega ){\sigma }_0}{h\left(\psi \right)r^2[q\left(\omega \right)\mathrm{kT}/\left(2\mathrm{\Omega \delta }{D}_b\right)+q^{\prime }\sigma /\left(\stackrel{·}{ϵ}{\lambda }^{2}d\right)]}---\left(1\right)$ 式中：σ表示外加应力，MPa；σ0表示结合力，MPa；ω表示几何变量，$\omega =2\frac{r^2}{{\lambda }^2};$ $h\left(\psi \right)=\frac{1}{\sin \psi }[\frac{1}{1+\cos \psi }-\frac{\cos \psi }{2}],$其中ψ表示空洞顶角；r表示空洞半径，μm；q(ω)＝-2lnω-(3-ω)(1-ω)；k为Boltzmann常数；T为热力学温度；Ω为原子体积，m3；δDb-晶界扩散激指数，m3/S$q^{\prime }={\pi }^2{(1+\frac{3}{n})}^{1/2}$其中n表示幂定律应力指数表示基体材料的蠕变速率，$\stackrel{·}{ϵ}=B{\sigma }^n;$其中B表示幂定律蠕系数，MPaS；λ表示空洞间距，由空洞密度ρv，换算得到，$\lambda =1/\sqrt{{\rho }_v},$μm；d表示有空洞的晶界直径，μm；对式(1)积分，估算蠕变断裂寿命，在空洞形核的蠕变早期，断裂时间定义为从空洞可以稳定生长的临界半径C0(C0＝2γF/σ，γF为表面自由能)开始生长直至晶界面上的空洞聚合r＝λ/2所需的时间由式(2)表示：$t_r={\int }_{C_0}^{\frac{\lambda }{2}}\frac{1}{\stackrel{·}{r}}\mathrm{dr}---\left(2\right)$ 将式(1)代入式(2)后得：$t_r={\int }_{C_0}^{\frac{\lambda }{2}}\frac{1}{\stackrel{·}{r}}\mathrm{dr}={\int }_{C_0}^{\frac{\lambda }{2}}\frac{h\left(\psi \right)r^2[q\left(\omega \right)\mathrm{kT}/\left(2\mathrm{\Omega \delta }{D}_b\right)+q^{\prime }\sigma /\left(\stackrel{·}{ϵ}{\lambda }^{2}d\right)]}{\sigma -(1-\omega ){\sigma }_0}\mathrm{dc}---\left(3\right)$ σ0很小可以忽略，同时，略去积分后的高次项；得到蠕变断裂时间为：$t_r=\frac{h\left(\psi \right)\mathrm{kT}}{2\mathrm{\Omega \delta }{D}_b\sigma }[\frac{{\lambda }^3}{12}\ln 2-\frac{5}{75}{\lambda }^3-\frac{2C_0^3}{3}\ln \frac{{\lambda }^2}{2C_0^2}+\frac{5}{9}{C}_0^3]+[\frac{h\left(\phi \right)q^{\prime }\lambda }{24\stackrel{·}{ϵ}d}-\frac{h\left(\phi \right)q^{\prime }{C}_0^3}{3\stackrel{·}{ϵ}{\lambda }^{2}d}]---\left(4\right)$ (2)建立临界蠕变空洞修正半径计算方法：考虑到空洞形成的多样性以及在高温高压服役过程耐热钢中碳化物M23C6总量增加且尺寸变大，修正蠕变临界空洞半径，临界空洞修正半径按下式计算：$C_0^{*}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\omega }_i{P}_i{R}_i+C_0(1-\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{P}_i)---\left(5\right)$ 式中：ωi——不同形核核心的蠕变空洞半径修正参数，无量纲；C0——未修正的临界空洞半径，μm；Ri——碳化物，夹杂物等形核核心的半径，μm；Pi——以碳化物，夹杂物等为空洞形核核心的空洞占有百分比，％；考虑到实际断裂试样的空洞形核机理，对耐热钢中碳化物和夹杂物的半径进行显微观察测量，利用测量值对通过对蠕变临界空洞半径的计算方法进行修正，对耐热钢的蠕变寿命预测，进而利用受约束蠕变空洞生长模型蠕变断裂时间的公式，可以准确的计算电站锅炉耐热钢的蠕变断裂寿命；(3)耐热钢蠕变寿命预测计算方法的确定：把公式(5)带入公式(4)就得到修正过的蠕变断裂时间，即蠕变寿命的预测公式是：$t_r^{*}=\frac{h\left(\psi \right)\mathrm{kT}}{2\mathrm{\Omega \delta }{D}_b\sigma }[\frac{{\lambda }^3}{12}\ln 2-\frac{5}{75}{\lambda }^3-\frac{2C_0^{*3}}{3}\ln \frac{{\lambda }^2}{2C_0^{*2}}+\frac{5}{9}{C}_0^{*3}]+[\frac{h\left(\phi \right)q^{\prime }\lambda }{24\stackrel{·}{ϵ}d}-\frac{h\left(\phi \right)q^{\prime }{C}_0^{*3}}{3\stackrel{·}{ϵ}{\lambda }^{2}d}].$