一种超超临界锅炉过-再热器受热面寿命评估方法
【专利摘要】一种超超临界锅炉过-再热器受热面寿命评估方法：(1)基于循环裂纹尖端疲劳损伤连续累积过程,并结合线性损伤累积理论确立疲劳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/dN-a曲线进行拟合，求得最大曲率点获得疲劳裂纹扩展速率加速的转折点处的裂纹长度a，即临界裂纹长度；(3)确定转折点处的裂纹长度a后，求得与受热面管道壁厚S和初始裂纹长度a0差(S-a0)的比值a/(S-a0)，进而获得受热面管在实际运行条件下的疲劳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受热面管在实际运行条件下疲劳裂纹扩展剩余寿命。本发明可描述各种载荷及过载条件下寿命损耗，省时省材料并能得到有效的结果。
【专利说明】一种超超临界锅炉过-再热器受热面寿命评估方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种超超临界锅炉过-再热器受热面在实际运行条件下的疲劳裂纹 扩展寿命预测方法。
【背景技术】
[0002] 超超临界锅炉现已成为火电机组发展的必然趋势，随着蒸汽参数的提高，对于受 热面管也提出了更为苛刻的要求。电网负荷变化无常，要求火电机组具有更大的灵活性，因 此，在超超临界参数机组中，调峰运行得到了广泛关注。在调峰运行过程中，高参数和参数 的快速波动使得受热面管所受复杂应力发生很大的变化，促速裂纹扩展，直至受热面管发 生泄露或爆漏，严重影响受热面管的使用寿命。
[0003] 材料在加工时大多存留了加工痕迹，易形成应力集中源；在材料内部缺陷如夹杂 物、气泡以及晶粒的边界等处，历经数次循环之后，达到一定程度出现短而细的滑移线，并 呈现相互错动的滑移阶梯，因往复滑移在表面上形成小缺口或凸起而产生应力集中。电站 锅炉调峰机组的主要特点：启动次数多，启停和调峰速度快。对于承受循环应力作用下的承 压部件，易形成疲劳作用下的裂纹扩展。在调峰运行条件下，应力集中源或带细小裂纹等缺 陷的高温受热面材料在交变应力的作用下慢慢扩展聚合，形成较大的主裂纹，主裂纹的进 一步扩展导致最后的破坏，即发生疲劳裂纹断裂。
[0004] 现有的疲劳断裂理论，包括以应力强度因子幅度（λ K)为基础的疲劳K理论、以J 积分范围（AJ)为基础的疲劳J理论，或以疲劳裂纹尖端张开位移S为基础的疲劳δ理 论等。著名的Paris模型仅能描述稳定扩展行为；Forman模型有所进步，但仅能描述稳定扩 展和断裂点的行为；Elber方程不能描述高应力强度因子范围疲劳裂纹扩展规律的缺陷。
[0005] 在变幅加载下的裂纹扩展机制，已相应地提出了大量的裂纹扩展模型，如 Winenborg模型和Weeler模型。这两个模型的不足之处在于不能描述过载后的复杂行为， 如加速和"延时延迟"扩展行为，而且大多数的变幅加载下的疲劳裂纹扩展模型，需要引入 试验拟合参数来考虑过载峰、应力比和加载历史等因素的影响。
[0006] 超超临界锅炉过-再热器受热面所使用钢材一般为马氏体耐热钢或奥氏体耐热 钢，其价格十分昂贵，以上各模型中不仅本身存在应用的不足，各个模型中的参数需要进行 大量的试验才能确定，其中临界裂纹长度对试验数据精度和可靠性受较多因素影响。锅炉 运行负荷变化万千，为可靠评估寿命损耗、预测疲劳裂纹扩展剩余寿命，在不同负荷运行条 件下，还需要分组进行大量的试验以确定的上述模型中的参数。这不仅耗时、损耗试验器 材、消耗大量材料的等，而且在试验过程中还不一定能得到有效的结果，如断裂韧度。因此， 在经济上和实用上都很不划算。
[0007] 本发明特点是基于疲劳裂纹扩展是裂纹尖端连续启裂失效的过程，疲劳损伤机理 控制着疲劳启裂、裂纹扩展直到失效的整个过程，从实际运行条件下受热面的失效机理出 发，根据疲劳裂纹扩展的理论模型结合数值模拟方法确定在实际运行条件下裂纹加速扩展 的转折点，来评判受热面的剩余寿命。对发电厂金属监督及寿命管理，检修人员合理安排受 热面管道的检修以及做好更替准备具有较重要意义。
【发明内容】
[0008] 本发明所要解决的技术问题，就是提供一种超超临界锅炉过-再热器受热面寿命 评估方法，可描述过载后的复杂行为，如加速和"延时延迟"扩展行为，且省时省材省料，能 得到有效的结果，在经济上和实用上都十分划算。
[0009] 解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
[0010] 一种超超临界锅炉过-再热器受热面寿命评估方法，其特征是包括以下步骤：
[0011] S1建立基于塑性区尺寸的疲劳裂纹扩展速率模型
[0012] 在Rice、Hutchinson和Rosengren所提出的裂纹尖端应力-应变HRR场的基础 上，Schwable提出的裂纹尖端循环应力-塑性应变HRR场，表达式如下：
[0013] Δ σ (r) = 2K' (Δ ε ρ/2)η， (1)；
[0014]
【权利要求】
1. 一种超超临界锅炉过-再热器受热面寿命评估方法，其特征是包括以下步骤： S1建立基于塑性区尺寸的疲劳裂纹扩展速率模型 Schwable提出的裂纹尖端循环应力-塑性应变HRR场表达式如下： Δ σ (r) = 2K' (Δ ερ/2)η， (1);
联立式⑴和式（2)得：
式中，r为裂纹扩展方向上的节点距裂尖的距离；r。为循环塑性区的尺寸，通过有限元 方法计算获得；E为弹性模量；〇 y为屈服强度，K'为循环硬化系数，η'为循环硬化指数； 在考虑平均应力σ m的情况下，基于塑性应变幅的Manson-Coffin应变寿命预测模型 为： Δ σ = 2 ( σ ' f- σ m) (2Nf)b (4)； Δ ερ = 2 ε 'f(2Nf)c (5)； 联立式⑷和式（5)得： Λσ · Δ ep = 4(〇'f-〇m) (2Nf)b · ε ' f (2Nf)c (6); 式（3)与式（6)相等可得：
式中，Nf为低周疲劳寿命；b为疲劳强度指数，〇 ' f为疲劳强度系数，c为疲劳延性指 数，ε ' f为疲劳延性系数； 借助Miner线性累积损伤理论，定义单位循环损失D = 1/Nf，那么在循环载荷下，裂纹 扩展方向上循环塑性区内的节点单位损伤分布表示为：
假设在疲劳裂纹扩展过程中每次扩展的尺寸等于裂纹扩展方向上循环塑性区的尺寸 (r。-P。）；相对于塑性应变幅，弹性应变幅的损伤贡献忽略不计，即每一循环周期中扩展区 内的节点损伤之和ω为：
定义扩展区内节点单位平均损伤D为：
根据Miner线性累积损伤理论，当
时，裂纹即发生一次扩展，裂纹尖端向前扩展 h-p c的长度； 因此，对应第i次裂纹发生扩展，裂纹向前扩展一次所需要的循环周次（Nfh和裂纹扩 展速率（da/dN) i为：
由（11)可知，裂纹每次扩展的速率大小即等于裂尖循环塑性区内的节点损伤和； 联立（7)、（8)和（11)，可得基于线性累积损伤疲劳裂纹扩展模型（FCG-LSD):
疲劳裂纹扩展模型中参数的计算 (1) 循环塑性区尺寸r。 循环塑性区的尺寸r。的计算公式为：
式中，ΛΚ为应力强度因子幅，表达式如下： AK = Kmax-Kmin (14)； 式中，Kmax为最大应力强度因子；Kmin为最小应力强度因子； 在锅炉变负荷运行时，Kmax为锅炉负荷最大时所对应的应力强度因子，Kmin为锅炉负荷 最小时所对应的应力强度因子，通过理论公式或数值计算得到； (2) 疲劳钝化常数P。 在近门槛区，当应力强度因子幅ΛΚ= AKth，裂纹扩展速率近似等于零；那么，疲劳钝 化常数P。即对应疲劳近门槛值载荷下的循环塑性区尺寸，此时疲劳扩展区尺寸为零，没有 塑性应变损伤存在，表达式如下：
式（14)、式（16)中的k在平面应力状态下时为1 ;k在平面应变状态下时为?Λ?-ν); ν为泊松比； (3) 应力强度因子幅度Λ Kth 疲劳门槛值的解析式如下：
式中，d为材料晶粒尺寸，通过试验获得； (4) 疲劳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疲劳裂纹扩展速率da/dN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； 根据电站锅炉在实际各种不同的变负荷运行条件下，通过式（12)计算获得各种不同 变负荷运行条件下的疲劳裂纹扩展速率da/dN，然后采用多项式对da/dN-a曲线进行拟合， 求得最大曲率点即可获得疲劳裂纹扩展速率加速的转折点处的裂纹长度a;其中，采用的 多项式回归函数为： da/dN = c0+c1a+c2a2+c3a 3+c4a4+c5a5 (17)； 式中，CQ，Cp C2，C3，C4，c5为拟合系数； 对多项式的拟合函数曲线式（17)求解三阶导数后令其等于0,如式（18)所示，利用曲 率函数获得的最大曲率点即转折点，然后得到该转折点所对应的裂纹长度a ;
(5)疲劳裂纹扩展寿命损耗评估 含径向裂纹的受热面管是最危险的形式，设受热面管道壁厚为S，初始裂纹长度为％ ; 通过确定转折点处的裂纹长度a后，那么在经历转折点后的寿命损耗为P为aAS-%);那 么，在经历转折点后的循环次数N，即剩余寿命为 ：
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通过低周疲劳试验获得高温下过-再热器材料的屈服强度〇y;循环硬化系数K' ；循 环硬化指数η' ；疲劳强度指数b;疲劳强度系数σ'?;疲劳延性指数c;疲劳延性系数e'f 以及获得高温下过-再热器材料的物理性能参数弹性模量E ;泊松比v ;并通过材料微观试 验获得材料晶粒尺寸d ; S3通过式（15)计算得到疲劳钝化系数P。；根据疲劳裂纹扩展试验获得应力强度因子 幅门槛值或根据式（16)计算得到； S4根据锅炉负荷实际运行曲线，采用数值计算或理论计算公式并结合步步分析法，得 到不同变负荷运行条件下的应力强度因子K，然后，通过式（14)得到应力强度幅度ΛΚ，再 通过多项式拟合，获得应力强度幅度Λ K与裂纹长度a的关系式Λ K(a); S5将应力强度幅度Λ K与裂纹长度a的关系式Λ K (a)代入式（13)后得到r。(a)的关 系式，然后将r。(a)代入式（12)，获得疲劳裂纹扩展速率da/dN与裂纹长度a的关系； S6采用多项式拟合da/dN-a曲线，得到曲线的拟合表达式后求解函数曲线的最大曲率 点即疲劳裂纹扩展速率da/dN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％ ;那么在经历转折点处所对应的裂纹长 度a后的寿命损耗P为aAS-a(l); S8通过式（12)，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（19) 得到疲劳裂纹扩展剩余寿命N。
2.根据权利要求1所述的超超临界锅炉过-再热器受热面寿命评估方法，其特征是： 所述的受热面管沿管道长度方向的尺寸远大于其直径，在计算过程中不计管道的端面效 应，认为其轴向方向无应变，将问题简化为平面应变问题。
【文档编号】G01N3/18GK104142272SQ201410355381
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年7月22日 优先权日:2014年7月22日
【发明者】王伟, 钟万里, 林介东, 汪淑奇, 陈冬林, 邓平 申请人:广东电网公司电力科学研究院, 长沙理工大学