[發明專利]用于馬氏體鋼的蠕變?疲勞壽命預測及其可靠性分析方法

在審

• 申請號: 201710422127.6
• 申請日: 2017-06-07
• 公開（公告）號: CN107391903A
• 公開（公告）日: 2017-11-24
• 發明（設計）人: 紀冬梅;任建興;郭恒超;吳臻茂;孫權;戴晨
• 申請（專利權）人: 上海電力學院
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司31225
• 代理人: 應小波

技術領域

本發明涉及火力發電機組承壓部件的安全運行技術，尤其是涉及一種用于電廠爐管用鋼9-12％Cr馬氏體鋼的蠕變-疲勞壽命預測及其可靠性分析方法。

背景技術

上世紀80年代美國橡樹嶺實驗室(ORNL)率先研制出了一種改良型9Cr1Mo耐熱鋼，此后以T91/P91牌號列入美國材料試驗協會(ASTM)耐熱鋼標準中，該鋼具有很好的抗蠕變特性；進入90年代，日本在P91的基礎上通過減少Mo的含量，添加Nb、V，并控制B和N元素的含量推出了T92/P92耐熱鋼，與P91鋼相比具有著更加優異的高溫蠕變斷裂強度，同一時期歐洲開發出一種牌號為E911的耐熱鋼；在德國X20CrMoV121(F12)鋼的基礎上，日本住友金屬公司通過減少合金元素Mo同時添加合金元素W提高了高溫強度，添加2％的W、0.07％Nb和1％Cu，增強了固溶強化、彌散強化和析出強化的效果，開發出來的第三代新型馬氏體耐熱鋼P122，具有良好的韌性、抗蒸汽氧化性能、抗高溫腐蝕性能，以及較為穩定的高溫強度等優點。

由于該系列耐熱合金鋼高溫下具有優良的機械性能，因此在超超臨界發電設備上得到了廣泛的應用，該型耐熱鋼的研究成功有力地推動了火電廠用鋼的進一步發展。但在高溫高壓環境下，經過機組啟停、變工況運行的反復作用，該型材料會發生蠕變-疲勞破壞，這為發電機組的長期安全及高效運行帶來了隱患。

為了有效評估電站爐管的壽命，目前，代表性的蠕變-疲勞壽命預測方法主要有線性累積損傷法，延性耗損模型，應變范圍和應變能劃分法、連續損傷力學模型等，這些模型都具有特定的應用條件，使用時或要確定較多的材料常數，或者進行的試驗種類偏多、試驗量大、費用高，造成預測精度低，工程適用性差等問題；而能夠較好的適應于應力控制模型下的方法也不多，本專利提出了一種適用于應力控制下的壽命預測模型，考慮了最大/最小應力，保載時間，循環頻率的影響，并通過相關試驗數據對預測的精度和材料適用性進行了驗證。

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發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種預測更加準確、可靠性更高的用于馬氏體鋼的蠕變-疲勞壽命預測及其可靠性分析方法。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種用于馬氏體鋼的蠕變-疲勞壽命預測及其可靠性分析方法，首先定義了機械功密度，其次推導了基于機械功密度的蠕變-疲勞壽命預測模型，并考慮應力及壽命的隨機性，最后提出蠕變-疲勞壽命的P-△WP-Nf曲線，給出了蠕變-疲勞壽命可靠行分析模型。

該方法具體為：

1)基于機械功密度的蠕變-疲勞壽命預測模型的推導；

(11)定義機械功密度，并推導應力控制的蠕變-疲勞循環載荷的機械功密度表達式；

(12)分析機械功密度與蠕變-疲勞壽命的關系；

(13)推導基于機械功密度的蠕變-疲勞壽命模型；

2)蠕變-疲勞壽命預測模型的可靠性分析；

(21)P-ΔW_p-N_f曲線的推導；

(22)隨機變量蠕變-疲勞壽命分布密度函數的確定；

(23)蠕變-疲勞壽命可靠度計算模型的推導。

所述的(11)定義機械功密度，并推導應力控制的蠕變-疲勞循環載荷的機械功密度表達式具體為：

壓縮載荷與拉伸載荷均會對材料造成損傷，從而降低材料的疲勞壽命，甚至壓縮保載作用下的疲勞壽命比拉伸狀態的壽命減少的更為明顯，基于此理論，構建了適用于應力控制的蠕變-疲勞交變載荷下的機械功密度模型，具體表達式如下：

將以上兩式合并為，

其中：

E_w為單個循環加載的應力沖量；

T_ht，T_hc分別為拉伸保載時間與壓縮保載時間；

T₁，T₂分別為循環載荷的加載與卸載時間；

σ_max，σ_min分別為循環載荷的最大值應力與最小值應力；

Δσ為循環載荷的應力范圍；