[发明专利]一种超超临界锅炉异种钢管焊接接头寿命评估方法

摘要

一种超超临界锅炉异种钢管焊接接头寿命评估方法：(1)基于裂纹尖端蠕变损伤连续累积过程，采用NSW-MOD理论模型，确立蠕变损伤累积过程与裂纹扩展速率之间的数学关系；(2)采用多项式对da/dt-a曲线进行拟合，求得最大曲率点即可获得蠕变裂纹扩展的转折点a；(3)确定转折点处的裂纹长度a后，求得与异种钢焊接接头管道壁厚S和初始裂纹长度a0差(S-a0)的比值a/(S-a0)，进而获得异种钢焊接接头在高温高压条件下蠕变裂纹扩展的寿命损耗为a/(S-a0)；通过从转折点处的裂纹长度a与管壁厚度S之间进行数值积分得到异种钢焊接接头在高温高压条件下蠕变裂纹扩展剩余寿命。本发明具有较严密的物理和理论依据，寿命预测与实际吻合度较高。

主权项

一种超超临界锅炉异种钢管焊接接头寿命评估方法，其特征是包括以下步骤：S1建立蠕变裂纹扩展模型用C*来表征裂纹尖端应力、应变场的表达式如下：σij=σ0(C*ϵ·0σ0Inr)1n+1σ~ij(θ,n)---(1);]]>ϵ·ij=ϵ·0(C*ϵ·0σ0Inr)nn+1ϵ~ij(θ,n)---(2);]]>式中，r表示在裂纹尖端θ角方向距裂尖的距离；σ0是屈服强度；是相应应力作用下的应变速率；为角因子，是θ和n的无量纲函数；In是考虑应力状态的n无量纲函数，是n的函数；基于高温条件下裂纹尖端的应力场，稳定阶段的蠕变裂纹扩展速率利用下式来进行计算，即NSW模型：dadt=n+1ϵf*(C*In)nn+1(Arc)1n+1---(3);]]>式中，rc是裂纹尖端蠕变损失区大小，与材料的平均晶粒尺寸相等；为多轴断裂韧性：多轴断裂韧性和单轴蠕变的断裂应变εf相同，断裂应变εf通过断裂拉伸试验确定；在平面应变的情况下，为εf/30；把裂纹尖端的应力状态考虑进NSW理论预测模型中，即NSW‑MOD模型，表达式如下：dadt=n+1ϵf(C*In)nn+1(Arc)1n+1σ~(θ,n)f(θ,n)|max---(4);]]>在NSW‑MOD模型中，材料失效首先发生取得最大值的位置；蠕变裂纹扩展模型中参数的计算(1)蠕变应变速率材料发生蠕变过程分为三个阶段，用于描述稳态阶段的蠕变本构采用Norton定律来描述材料的蠕变行为，其表达式为：ϵ·=Aσn---(5);]]>σ分别为蠕变过程中的稳态蠕变应变率和应力；A，n均为材料蠕变性能参数；(2)无量纲函数InIn是考虑应力状态的无量纲函数，是n的函数，在平面应变状态下的表达式为：In=10.3(0.13+1n)1/2-4.6n---(6);]]>平面应力状态下的表达式为：In=7.2(0.12+1n)1/2-2.9n---(7);]]>(3)多轴应变因子f(θ，n)多轴应变因子f(θ，n)和蠕变韧性耗散损伤本构方程中相同，基于蠕变孔洞的长大和聚集主要取决于材料蠕变强化指数n以及材料的应力三轴度Rσ；多轴应变因子f(θ，n)其表达式为：f(θ,n)=ϵf*ϵf=sinh[23(n-0.5n+0.5)]/sinh[2σ~mσ~e(n-0.5n+0.5)]---(8);]]>式中，h=σ~m/σ~e;]]>应力三轴度Rσ的表达式为：Rσ=σmσeq=2(σ1+σ2+σ3)3(σ1-σ2)2+(σ2-σ3)2+(σ3-σ1)2---(9);]]>式中，σm为静水应力；σeq为等效应力；(4)蠕变断裂参量C*的计算蠕变断裂参量C*通过有限元方法计算得到，或通过基于参考应力方法得到；基于参考应力的方法估算C*的表达式如下：C*=σref·ϵ··(Kσref)2---(10);]]>式中，σref为参考应力；应力强度因子K计算通过理论公式计算得到，或通过数值计算得到；3蠕变裂纹扩展转折点的定义及临界裂纹长度的确定裂纹在持续扩展的过程中，在某一裂纹长度下致使蠕变裂纹扩展速率da/dt突然发生变化而加速扩展，即裂纹扩展的转折点，在该转折点处对应的裂纹长度即为相应的临界裂纹长度；根据电站锅炉实际运行条件，通过式(4)计算获得各种不同壁温与不同内压下的蠕变裂纹扩展速率da/dt，然后采用多项式模型对da/dt‑a曲线进行拟合，求得曲线的转折点即可获得蠕变裂纹扩展速率加速的转折点处的裂纹长度a；其中，采用多项式回归函数为：da/dN＝c0+c1a+c2a2+c3a3+c4a4+c5a5(11)；式中，c0，c1，c2，c3，c4，c5为拟合系数；对式(11)求解函数曲线的三阶导数后，求得转折点，然后得到该转折点所对应的裂纹长度a；4蠕变裂纹扩展剩余寿命评估受热面管的壁厚远小于其轴向长度，因此，含径向裂纹的受热面管是最危险的形式之一；设受热面管壁厚为S，初始裂纹长度为a0；通过确定转折点处的裂纹长度a后，在经历转折点后的寿命损耗P为a/(S‑a0)；那么，在经历转折点后的蠕变裂纹扩展时间t，即剩余寿命为：t=∫aS1n+1ϵf(C*In)nn+1(Arc)1n+1σ~(θ,n)f(θ,n)|maxda---(12);]]>式中，积分下标为转折点处所对应的裂纹长度a，上标为过‑再热器受热面管壁厚度S；S2通过蠕变试验获得高温下异种钢焊接接头母材、焊接材料以及热影响区的蠕变性能参数A，n，建立起蠕变本构方程，以及获得高温下异种钢焊接接头母材、焊接材料以及热影响区的性能参数弹性模量E；泊松比v、断裂韧性εf；S3根据式(6)或式(7)计算In，并通过有限元方法计算获得的值；S4采用有限元方法或理论公式计算高温断裂参数C*，并获得高温断裂参数C*与裂纹长度a的关系式C*(a)；S5将高温断裂力学参数C*与裂纹长度a的关系式C*(a)代入式(4)后获得蠕变裂纹扩展速率da/dt；S6采用多项式模型拟合da/dt‑a曲线，得到曲线的拟合表达式后求解函数曲线的转折点即蠕变裂纹扩展速率da/dt加速的转折点，并获得该转折点处所对应的裂纹长度a即临界裂纹长度；S7设受热面管道壁厚为S，初始裂纹长度为a0；那么在经历转折点a后的寿命损耗P为a/(S‑a0)；S8通过式(4)，在转折点处的裂纹长度a与管壁厚度S之间进行数值积分，即式(12)得到蠕变裂纹扩展剩余寿命t。