高温生产设备或部件缺陷的安全性评价方法

专利名称：高温生产设备或部件缺陷的安全性评价方法
技术领域：
本发明属于安全工程技术领域，具体涉及一种高温生产设备或部件缺陷的安全性评 价方法，尤其是鉴别高温环境下使用的生产设备或部件在发现缺陷后是否发生蠕变断裂 失效的方法，适用于高温生产设备的安全管理与控制。
背景技术：
压力容器、汽轮机、锅炉、蒸汽管道等运行在高温环境下的设备在服役和制造过程 中不可避免的会产生缺陷，蠕变变形和蠕变损伤是导致其失效的主要因素之一，因而如 何评价、鉴别这一类设备能否发生蠕变失效破坏，对保证安全生产具有重要意义。对于 常温环境下设备缺陷的安全性评价，目前己发明建立了多个方法可提供保证，包括COD 曲线法，应力强度因子法和J判据方法，以及更先进的双判据失效评定图法(R6方法)， 但这些方法均不能使用于高温蠕变断裂机制下的评定。
目前针对高温设备蠕变失效的问题己发展了多种评定方法，如英国的R5和法国的 A16等，但这些方法均是建立在相对严格的高温断裂力学基础上，评定过程复杂、繁琐， 需要专业的断裂力学知识和力学计算。这种代价较高的评定方法对于需要绝对保证安全 的核设备来说是可行的，而且是必要的。但石油化工等过程工业中设备的安全性要求低 于核容器，其缺陷评定原则是"合乎使用"和"最薄弱环节"，并且这些设备大多由普通的
工程技术人员检修维护，如果要求他们使用专业性很强的Cf参量或(Td方法来判定设备缺
陷的安全性，有一定的难度，而且不现实。
已有多个专利技术可用于解决设备安全性评定的问题，如专利CN1614294A "压力 容器疲劳寿命安全预测方法"提出了J积分的裂纹临界尺寸评价方法，但只能用于常温 下发生疲劳破坏的设备。专利CN1477383A "高温部件蠕变寿命的测试方法"提供了一 个考虑高温老化因素的蠕变寿命预测方法，但没有考虑预先裂纹存在的影响，因而不适 用于裂纹引起破坏的安全性评价。其它专利如CN101038248A "—种汽轮机高温部件蠕 变寿命的预测方法及系统"、CN86103018A"确定涡轮部件剩余有效寿命的方法"以及 CN1908974A "—种汽轮机高温耐用件日历寿命在线评定及预测方法"等均是针对运行 汽轮机部件的寿命及安全问题，基于损伤理论建立的预测方法，没有考虑蠕变断裂和裂 纹因素，因而不能处理工程上检测发现缺陷的评价。但实践中结构发生裂纹等缺陷不可 避免，简单停车维修和报废均会造成不必要的浪费，并直接导致设备可靠性降低的后果。

发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种高温生产设备或部件发现 缺陷后的简捷安全性评价方法。
本发明的用于预测高温生产设备或部件发现缺陷后的蠕变断裂失效的安全性评价 方法，包括以下步骤
一、 获得生产设备或部件的材料在特定温度下的蠕变应变一时间曲线，并基于蠕变 应变一时间曲线建立对应于特定时间的应力应变曲线，即等时应力应变曲线；
二、 建立与时间相关的失效评定曲线图-
首先通过自变量丄r获得不同的参考应力G"ref = ^a。T2 ，其中指等时应力应变曲线 上对应于0.2%非弹性应变的应力；
然后在所建立的等时应力应变曲线上得到对应于参考应力(Tref的参考应变&f ，根据 以下公式建立与时间相关的失效评定图<formula>formula see original document page 5</formula>
式中
五为杨氏模量；
Sref为对应于参考应力C^f =^^12时由等时应力应变曲线确定的总应变，其中O", 指等时应力应变曲线上对应于0.2%非弹性应变的应力；
iV"ax通过ZT-^/《2确定，其中，C7fT指高温流变应力，可通过f = l/2(C70r2+CTr) 计算， 为材料的蠕变破断应力；
三、通过式a; = k//^at计算确定反映部件发生断裂失效程度的参数尺r，其中夂"是
材料的蠕变韧性，通过以下公式计算-<formula>formula see original document page 5</formula>式中
A为试件的净厚度； 『为试件宽度；
4为蠕变裂纹扩展量等于Aa时试验中测得的加载点位移； F为施加的载荷；
;7为试样几何尺寸的校准因子，对于CT试样，；;=2 + 0.522(1-^是弹性应力强度因子；
四、 通过式A :F/《("，cr2)计算用于确定反映构件发生极限载荷失效程度的参量
丄r，式中尸^，(7\2)是结构的极限载荷，fl为裂纹尺寸；
五、 将上述得到的参量(Kr,Lr)作为状态点放在失效评定图中进行比较的步骤，若 含缺陷结构的状态点落到失效评定曲线下方的安全区内，则可判定为当前设备不会发生 蠕变断裂失效；若结构的状态点落到失效评定曲线的上方，则表明不能排除发生蠕变失 效的可能性，需进一步维护和监控。
本发明的高温生产设备缺陷的安全性评价方法所建立的失效评定曲线为时间的函 数，随着时间增长，失效评定图所定义的安全区域降低，能够合理反映高温蠕变机制的 影响，克服了弹塑性失效机制下评定方法的不足。
与现有预测技术相比，本发明的高温生产设备缺陷的安全性评价方法不仅快速便 捷，而且，含缺陷结构的安全与否可通过比较状态点在失效评定图的位置直观获得，不 需要复杂的高温蠕变断裂分析，只需简单计算应力强度因子和极限载荷即可完成，从而 可以有效减少工作量以及对操作人员专业知识的要求。


图l是由标准蠕变拉伸试验数据获得蠕变应变一时间曲线以及基于蠕变应变一时间
曲线获得等时应力应变曲线的示意图。
图2是根据本发明实施例确定的不锈钢在特定温度下的与时间相关的失效评定图。 图3是本发明实施例中试验获得蠕变韧性由允许裂纹扩展量确定允许加载线位移的歩骤。
图4是本发明实施例中某反应器器壁上发现的裂纹缺陷简化后的形状示意图。 图5是本发明实施例中建立的与时间相关的失效评定图和状态评定点。
具体实施例方式
本发明提供了一种高温生产设备或部件发现缺陷后的安全性评价方法，以避免发生 蠕变断裂失效，具体包括以下步骤
一、 获得生产设备或部件的材料在特定温度下的蠕变应变一时间曲线，进而按照图 l所示的方法，基于蠕变应变一时间曲线建立对应于特定时间的应力应变曲线，即等时 应力应变曲线；
二、 建立与时间相关的失效评定曲线图
首先通过自变量"获得不同的参考应力CTref = Z"。T2 ，其中0"2指等时应力应变曲线 上对应于0.2%非弹性应变的应力；
然后在所建立的等时应力应变曲线上得到对应于参考应力CJref的参考应变Sref ，根据 以下公式建立与时间相关的失效评定图(图2):
<formula>formula see original document page 7</formula>
式中
五为杨氏模量；
^f为对应于参考应力CTref =^^2时由等时应力应变曲线确定的总应变，其中C7" 指等时应力应变曲线上对应于0.2%非弹性应变的应力；
^隨通过丄r、^/《2确定，其中，^指高温流变应力，通过式5 = 1/2 + ) 计算，'CTr为材料的蠕变破断应力；
三、通过式/;=尺/《i计算确定反映部件发生断裂失效程度的参数Kr，其中a:乙是
材料的蠕变韧性，是服役时间的函数，通过以下公式计算
<formula>formula see original document page 7</formula>
式中
A为试件的净厚度； 『为试件宽度；
A为蠕变裂纹扩展量等于a"c时试验中测得的加载点位移，确定方法与步骤如風3， 即先在试验获得的裂纹扩展量-时间曲线上确定对应于允许裂纹扩展量的时间ti，由此时 间ti即可在试验得到的相应加载线-时间曲线上获得加载点位移Jc;
F为施加的载荷；
;7为试样几何尺寸的校准因子，对于CT试样，
<formula>formula see original document page 7</formula>
^是弹性应力强度因子，可查找应力强度因子手册或相关标准获得计算式；
四、 通过式Lf =^7&(",(^2)计算用于确定反映构件发生极限载荷失效程度的参量
丄r，式中尸!^^\2)是结构的极限载荷，"为裂纹尺寸；
五、 将上述得到的参量(Kr,LT)作为状态点放在失效评定图中进行比较，若含缺陷
结构的状态点落到失效评定曲线下方的安全区内，则可判定为当前设备不会发生蠕变断
裂失效；若结构的状态点落到失效评定曲线的上方，则表明不能排除发生蠕变失效的可
能性，需进一步维护和监控。
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应理解，以下实施例仅用于说明 的目的，而非用于限定本发明的范围。
实施例
某炼化厂的一台关键反应设备，1996年11月投入运行，在2000年9月的一次常规 检测中发现设备筒体上有1条裂纹。该裂纹位于内径为2800mm，壁厚为45mm筒体的 内表面，径向分布且垂直于器壁。裂纹远离焊缝，而且检测中没有发现明显的应力腐蚀 开裂迹象。由于生产工艺的限制，该设备需要继续运行l年后才可以进行大修。从投入 运行至发现裂纹，该反应器共工作了 33120小时。 一年按365天计，则该反应器还需要 继续运行8760h。
为确保反应器在此后一年内运行的可靠性，现采用本发明的安全性评价方法，采用 与时间相关的失效评定图，分别评定该设备在检测到裂纹后半年、l年、2年和3年后 的安全性。在这期间，裂纹的允许扩展量分别取为Aa-Omm和Aa-lmm，这个扩展量相 对于壁厚45mm来说是非常小的。评定过程中不考虑开停车造成的影响。
反应器的材料为316不锈钢制造，几何形状为一简单的筒体，内径为D尸2800mm， 壁厚B二45mm，承受内压载荷p=2.7MPa，工作温度为55(TC。根据国标GB19624提供 的缺陷规则化原则，设备中的表面裂纹可规则化为半椭圆形，尺寸为深a=12mm,裂 纹半长^25mm，具体形状如图4所示。
第一步，获得反应器材料，即316不锈钢，在55(TC的工作温度下的蠕变应变一时 间曲线，进而基于蠕变应变一时间曲线建立对应于特定时间的等时应力应变曲线；
安全性评定所需的蠕变性能通常可以通过蠕变试验机在特定的温度下进行试验获 得；对于本实施例，316不锈钢的蠕变性能可以通过手册和公开数据直接获得，具体的， 316不锈钢在操作温度55(TC下的蠕变应变一时间数据可以由BS7910"金属结构缺陷验 收评定方法导则"得到
<formula>formula see original document page 9</formula>式中se为时间《h)和应力cr(N/mm"下的累积蠕变应变，T为绝对温度(K)。
对应于评定容器的应力水平，短时塑性应变可以忽略，因此该式可以认为表示了总 的非弹性应变。
由蠕变应变加上弹性应变(由胡克定律计算获得)就可以很容易地得到相应的等时 应力应变曲线。
第二步，建立与时间相关的失效评定曲线图
316不锈钢的蠕变寿命和蠕变断裂应力之间存在以下关系
ni。g10/A +22.0) = 2遍5 x104 -25.320o" +1.9748 x 10-2o"2 式中tR为蠕变断裂时间(h)， Yc为安全系数，法国标准RCC-MR推荐取为10。 由上面两式可以确定蠕变破断应力cjr和对应于0.2X非弹性应变的应力a10.2，其对 应于不同评定时间下的值如表1所示。
表1
要求的操作时间(h)0438087601752026280
(T。.2 (MPa)113.417110,卯l108.671104,864101.697
ar (MPa)196.677194.155191.923188.113184.936
Lmaxr(MPa)1.7341.7501.7661.7941.819
起裂韧性Kemat(MPamQ5)104.9979.2373.0467.3464.21
Kemat对应临界裂纹lmm (MPama5)80.8675.5568.7365.54
Kr(a=ao)0.1500.1990.2160.2340.245
Lr (a=ao)0.74630.76330.77890.80720.8323
Kr(a=ao+lmm)0.1530,1990.2120.2340.245
Lr (a=ao+lmm)0,74640.76330.77890.80720.8324
注Kr参量取裂纹最深处的应力强度因子与材料断裂韧性之比。
由上述确定的等时应力应变曲线可以建立316不锈钢的时间相关失效评定曲线
/(L,) = [1 + 6.0 x 10—(0.004,333 + 5.21 x l(T6f)(Ao"02)3]—1/2
根据式= (Tf7 /t7乙计算得到的不同情况下的截止线￡rm3X的值示于表1 ，所建立的 失效评定曲线图如图5所示。
从Z,"的值可以看出其对时间的依赖性也并不强，因此图5中仅取了对应于时间 33120h的一个值1.734。
第三步，通过式^=《//:1^计算^"参量
首先确定蠕变断裂韧性1^^:采用带侧向槽的CT紧凑拉伸试样，进行55(TC温度
下316不锈钢的蠕变裂纹扩展试验，即可通过以下公式计算得到不同运行时间下的材料 蠕变韧性值-
<formula>formula see original document page 10</formula>根据获得的蠕变断裂韧性Kemat的值具体见表1 。
对于图4所示的半椭圆裂纹，根据国标GB19624给出的应力强度因子解，可以进 一步得到Kr参量的计算式
<formula>formula see original document page 10</formula>①为第二类完备型椭圆积分，O = [1 + 1.4640〃)'655;
M, =1.13 —0.09("〃)；
M2 = 0.89/
+14(1 - a //)24;
计算得到的对应于不同评定时间和裂纹扩展量(Aa=0和Aa-lmm)的i^参量的值 见表l。
第四步，通过式A-F/K(a，《2)计算Zr参量
首先获得外加广义载荷F (这里指外加裂纹局部的载荷或应力)，对于本实施例，
没有弯曲应力产生，因此只需计算垂直于裂纹面的膜应力，具体通过以下公式计算
F = ^ = 2.7(28QQ + 45)=85 35 Mpa 25 2x45
根据获得的外加广义载荷(或应力)尸，由含轴向半椭圆裂纹圆筒体的极限载荷解 Fl，即可得到A参量的计算式如下
<formula>formula see original document page 10</formula>
式中- M为鼓胀系数，M = (l + 2^^)°5。 由此计算得到的对应于不同评定时间下的参量^的值示于表1 。
第五步，将上述得到的参量(Kr,Lr)作为状态点放在失效评定图中进行比较，以确 定失效评定点并判定是否安全
采用表1中的材料性能分别对应于裂纹起裂和扩展量A『lmm的评定点ar， &)， 放在失效评定图中，结果如图5所示。可以看出对应于半年、l年、2年和3年后的评 定点都位于失效评定曲线的下方，即安全区内。由此可以得出结论该设备在l年乃至 3年内的裂纹扩展量都不会超过lmm，因而是安全的。
而该反应器在1年后大修检测中并没有发现裂纹扩展，这与采用本发明的安全性评 定方法获得的评定结果相吻合。
权利要求
1、一种高温生产设备或部件缺陷的安全性评价方法，其特征在于包括以下步骤一、获得生产设备或部件的材料在特定温度下的蠕变应变一时间曲线，并基于蠕变应变一时间曲线建立对应于特定时间的应力应变曲线，即等时应力应变曲线；二、建立与时间相关的失效评定曲线图首先通过自变量Lr，获得不同的参考应力<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><msub> <mi>&sigma;</mi> <mi>ref</mi></msub><mo>=</mo><msub> <mi>L</mi> <mi>r</mi></msub><msubsup> <mi>&sigma;</mi> <mn>0.2</mn> <mi>T</mi></msubsup><mo>,</mo> </mrow></math>]]></math-cwu><!--img id="icf0001" file="S2007101705014C00011.gif" wi="21" he="4" top="5" left = "5" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/-->其中σ0.2T指等时应力应变曲线上对应于0.2％非弹性应变的应力；然后在所建立的等时应力应变曲线上得到对应于参考应力σref的参考应变εref，根据以下公式建立与时间相关的失效评定图
2、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，建立所述蠕变应变一时间曲线所需 的蠕变性能通过蠕变试验机在特定温度下进行试验而获得。
3、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，建立所述蠕变应变一时间曲线所需 的蠕变性能通过査阅相关手册或公开数据获得。
4、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤五中，若含缺陷结构的状态点(Kr,Lr)落到失效评定曲线下方的安全区内，则可判定为当前设备或部件不会发生蠕变 断裂失效。
5、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤五中，若结构的状态点落到失 效评定曲线的上方，则表明不能排除发生蠕变失效的可能性，需进一步维护和监控。
全文摘要
本发明公开了一种高温生产设备或部件缺陷的安全性评价方法，包括获得生产设备或部件的材料在特定温度下的蠕变应变-时间曲线，并基于蠕变应变-时间曲线建立对应于特定时间的等时应力应变曲线；建立与时间相关的失效评定曲线图计算确定反映部件发生断裂失效程度的参数Kr，以及用于确定反映构件发生极限载荷失效程度的参量L_r，最后将上述得到的参量(K_r，L_r)作为状态点放在失效评定图中进行比较，以确定失效评定点并判定是否安全。本发明提供的技术方法可用于高温生产设备或部件的制造及使用过程中缺陷的安全性分析，避免不必要的维修和保费，进而提高高温生产设备检修计划制定的合理性。
文档编号G05B19/048GK101178590SQ20071017050
公开日2008年5月14日 申请日期2007年11月16日 优先权日2007年11月16日
发明者涂善东, 王正东, 轩福贞 申请人:华东理工大学