[發(fā)明專(zhuān)利]一種超超臨界鍋爐過(guò)-再熱器受熱面壽命評(píng)估方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410355381.5
• 申請(qǐng)日: 2014-07-22
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104142272A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-11-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王偉;鐘萬(wàn)里;林介東;汪淑奇;陳冬林;鄧平
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院;長(zhǎng)沙理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01N3/18
• 分類(lèi)號(hào): G01N3/18
• 代理公司: 廣州知友專(zhuān)利商標(biāo)代理有限公司 44104
• 代理人: 周克佑

1.一種超超臨界鍋爐過(guò)-再熱器受熱面壽命評(píng)估方法，其特征是包括以下步驟：

S1建立基于塑性區(qū)尺寸的疲勞裂紋擴(kuò)展速率模型

Schwable提出的裂紋尖端循環(huán)應(yīng)力-塑性應(yīng)變HRR場(chǎng)表達(dá)式如下：

Δσ(r)＝2K'(Δε_p/2)^n'??(1)；

Δϵp(r)=2σyE(rcr)1/(1+n′)---(2);]]>

聯(lián)立式(1)和式(2)得：

Δσ·Δϵp=4K′(σyE)(n′+1)rcr---(3);]]>

式中，r為裂紋擴(kuò)展方向上的節(jié)點(diǎn)距裂尖的距離；r_c為循環(huán)塑性區(qū)的尺寸，通過(guò)有限元方法計(jì)算獲得；E為彈性模量；σ_y為屈服強(qiáng)度，K'為循環(huán)硬化系數(shù)，n'為循環(huán)硬化指數(shù)；

在考慮平均應(yīng)力σ_m的情況下，基于塑性應(yīng)變幅的Manson-Coffin應(yīng)變壽命預(yù)測(cè)模型為：

Δσ＝2(σ'_f-σ_m)(2N_f)^b??(4)；

Δε_p＝2ε'_f(2N_f)^c??(5)；

聯(lián)立式(4)和式(5)得：

Δσ·Δε_p＝4(σ'_f-σ_m)(2N_f)^b·ε'_f(2N_f)^c??(6)；

式(3)與式(6)相等可得：

Δσ·Δϵp=4K′(σyE)(n′+1)rcr=4(σf′-σm)(2Nf)b·ϵf′(2Nf)---(7);]]>

式中，N_f為低周疲勞壽命；b為疲勞強(qiáng)度指數(shù)，σ'_f為疲勞強(qiáng)度系數(shù)，c為疲勞延性指數(shù)，ε'_f為疲勞延性系數(shù)；

借助Miner線(xiàn)性累積損傷理論，定義單位循環(huán)損失D＝1/N_f，那么在循環(huán)載荷下，裂紋擴(kuò)展方向上循環(huán)塑性區(qū)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)單位損傷分布表示為：

D(r+ρc)=2(σyEϵf′)-1/c(rcr+ρc)-1/(c+cn′),0<r≤rc-ρc---(8);]]>

假設(shè)在疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程中每次擴(kuò)展的尺寸等于裂紋擴(kuò)展方向上循環(huán)塑性區(qū)的尺寸(r_c-ρ_c)；相對(duì)于塑性應(yīng)變幅，彈性應(yīng)變幅的損傷貢獻(xiàn)忽略不計(jì)，即每一循環(huán)周期中擴(kuò)展區(qū)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)損傷之和ω為：

ω=∫0rc-ρcD(r+ρc)dr---(9);]]>

定義擴(kuò)展區(qū)內(nèi)節(jié)點(diǎn)單位平均損傷為：

D‾=∫0rc-ρcD(r+ρc)drrc-ρc---(10);]]>

根據(jù)Miner線(xiàn)性累積損傷理論，當(dāng)時(shí)，裂紋即發(fā)生一次擴(kuò)展，裂紋尖端向前擴(kuò)展r_c-ρ_c的長(zhǎng)度；

因此，對(duì)應(yīng)第i次裂紋發(fā)生擴(kuò)展，裂紋向前擴(kuò)展一次所需要的循環(huán)周次(N_f)_i和裂紋擴(kuò)展速率(da/dN)_i為：

(Nf)i=1D‾=rc-ρc∫0rc-ρcDi(r+ρc)dr(dadN)i=rc-ρcNi=∫0rc-ρcDi(r+ρc)dr---(11);]]>

由(11)可知，裂紋每次擴(kuò)展的速率大小即等于裂尖循環(huán)塑性區(qū)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)損傷和；

聯(lián)立(7)、(8)和(11)，可得基于線(xiàn)性累積損傷疲勞裂紋擴(kuò)展模型(FCG-LSD)：

dadN=2(Eϵf′σy)1c·c+cn′c+cn′+1·rc[1-(ρcrc)1+1c+cn′]---(12);]]>

疲勞裂紋擴(kuò)展模型中參數(shù)的計(jì)算

(1)循環(huán)塑性區(qū)尺寸r_c

循環(huán)塑性區(qū)的尺寸r_c的計(jì)算公式為：

rc=14πk2(1+n′)(ΔKσy)2---(13);]]>

式中，ΔK為應(yīng)力強(qiáng)度因子幅，表達(dá)式如下：

ΔK＝K_max-K_min??(14)；

式中，K_max為最大應(yīng)力強(qiáng)度因子；K_min為最小應(yīng)力強(qiáng)度因子；

在鍋爐變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，K_max為鍋爐負(fù)荷最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子，K_min為鍋爐負(fù)荷最小時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子，通過(guò)理論公式或數(shù)值計(jì)算得到；

(2)疲勞鈍化常數(shù)ρ_c

在近門(mén)檻區(qū)，當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子幅ΔK＝ΔK_th，裂紋擴(kuò)展速率近似等于零；那么，疲勞鈍化常數(shù)ρ_c即對(duì)應(yīng)疲勞近門(mén)檻值載荷下的循環(huán)塑性區(qū)尺寸，此時(shí)疲勞擴(kuò)展區(qū)尺寸為零，沒(méi)有塑性應(yīng)變損傷存在，表達(dá)式如下：

ρc=14πk2(1+n′)(ΔKthσy)2---(15);]]>

式(14)、式(16)中的k在平面應(yīng)力狀態(tài)下時(shí)為1；k在平面應(yīng)變狀態(tài)下時(shí)為1/(1-v)；v為泊松比；

(3)應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度ΔK_th

疲勞門(mén)檻值的解析式如下：

ΔKth=σy(2.28πd1-v2)1/2---(16);]]>

式中，d為材料晶粒尺寸，通過(guò)試驗(yàn)獲得；

(4)疲勞裂紋擴(kuò)展轉(zhuǎn)折點(diǎn)的定義及臨界裂紋長(zhǎng)度的確定

裂紋在持續(xù)擴(kuò)展的過(guò)程中，在某一裂紋長(zhǎng)度下致使疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN突然發(fā)生變化而加速擴(kuò)展，即裂紋擴(kuò)展的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在該轉(zhuǎn)折點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的裂紋長(zhǎng)度即為相應(yīng)的臨界裂紋長(zhǎng)度；

根據(jù)電站鍋爐在實(shí)際各種不同的變負(fù)荷運(yùn)行條件下，通過(guò)式(12)計(jì)算獲得各種不同變負(fù)荷運(yùn)行條件下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN，然后采用多項(xiàng)式對(duì)da/dN-a曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，求得最大曲率點(diǎn)即可獲得疲勞裂紋擴(kuò)展速率加速的轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的裂紋長(zhǎng)度a；其中，采用的多項(xiàng)式回歸函數(shù)為：

da/dN＝c₀+c₁a+c₂a²+c₃a³+c₄a⁴+c₅a⁵??(17)；

式中，c₀，c₁，c₂，c₃，c₄，c₅為擬合系數(shù)；

對(duì)多項(xiàng)式的擬合函數(shù)曲線(xiàn)式(17)求解三階導(dǎo)數(shù)后令其等于0，如式(18)所示，利用曲率函數(shù)獲得的最大曲率點(diǎn)即轉(zhuǎn)折點(diǎn)，然后得到該轉(zhuǎn)折點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的裂紋長(zhǎng)度a；

∂3∂a3(dadN)=0---(18);]]>

(5)疲勞裂紋擴(kuò)展壽命損耗評(píng)估

含徑向裂紋的受熱面管是最危險(xiǎn)的形式，設(shè)受熱面管道壁厚為S，初始裂紋長(zhǎng)度為a₀；通過(guò)確定轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的裂紋長(zhǎng)度a后，那么在經(jīng)歷轉(zhuǎn)折點(diǎn)后的壽命損耗為P為a/(S-a₀)；那么，在經(jīng)歷轉(zhuǎn)折點(diǎn)后的循環(huán)次數(shù)N，即剩余壽命為：

N=∫aS12(Eϵf′σy)1c·c+cn′c+cn′+1·rc[1-(ρcrc)1+1c+cn′]da---(19);]]>

式中，積分下標(biāo)為轉(zhuǎn)折點(diǎn)處所對(duì)應(yīng)的裂紋長(zhǎng)度a，上標(biāo)為過(guò)-再熱器受熱面管壁厚度S；

S2通過(guò)低周疲勞試驗(yàn)獲得高溫下過(guò)-再熱器材料的屈服強(qiáng)度σ_y；循環(huán)硬化系數(shù)K'；循環(huán)硬化指數(shù)n'；疲勞強(qiáng)度指數(shù)b；疲勞強(qiáng)度系數(shù)σ'_f；疲勞延性指數(shù)c；疲勞延性系數(shù)ε'_f以及獲得高溫下過(guò)-再熱器材料的物理性能參數(shù)彈性模量E；泊松比v；并通過(guò)材料微觀試驗(yàn)獲得材料晶粒尺寸d；

S3通過(guò)式(15)計(jì)算得到疲勞鈍化系數(shù)ρ_c；根據(jù)疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)獲得應(yīng)力強(qiáng)度因子幅門(mén)檻值ΔK_th，或根據(jù)式(16)計(jì)算得到；

S4根據(jù)鍋爐負(fù)荷實(shí)際運(yùn)行曲線(xiàn)，采用數(shù)值計(jì)算或理論計(jì)算公式并結(jié)合步步分析法，得到不同變負(fù)荷運(yùn)行條件下的應(yīng)力強(qiáng)度因子K，然后，通過(guò)式(14)得到應(yīng)力強(qiáng)度幅度ΔK，再通過(guò)多項(xiàng)式擬合，獲得應(yīng)力強(qiáng)度幅度ΔK與裂紋長(zhǎng)度a的關(guān)系式ΔK(a)；

S5將應(yīng)力強(qiáng)度幅度ΔK與裂紋長(zhǎng)度a的關(guān)系式ΔK(a)代入式(13)后得到r_c(a)的關(guān)系式，然后將r_c(a)代入式(12)，獲得疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN與裂紋長(zhǎng)度a的關(guān)系；

S6采用多項(xiàng)式擬合da/dN-a曲線(xiàn)，得到曲線(xiàn)的擬合表達(dá)式后求解函數(shù)曲線(xiàn)的最大曲率點(diǎn)即疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN加速的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，并獲得該轉(zhuǎn)折點(diǎn)處所對(duì)應(yīng)的裂紋長(zhǎng)度a即臨界裂紋長(zhǎng)度；

S7設(shè)受熱面管道壁厚為S，初始裂紋長(zhǎng)度為a₀；那么在經(jīng)歷轉(zhuǎn)折點(diǎn)處所對(duì)應(yīng)的裂紋長(zhǎng)度a后的壽命損耗P為a/(S-a₀)；

S8通過(guò)式(12)，在轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的裂紋長(zhǎng)度a與管壁厚度S之間進(jìn)行數(shù)值積分，即式(19)得到疲勞裂紋擴(kuò)展剩余壽命N。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超超臨界鍋爐過(guò)-再熱器受熱面壽命評(píng)估方法，其特征是：所述的受熱面管沿管道長(zhǎng)度方向的尺寸遠(yuǎn)大于其直徑，在計(jì)算過(guò)程中不計(jì)管道的端面效應(yīng)，認(rèn)為其軸向方向無(wú)應(yīng)變，將問(wèn)題簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題。