一种9～12％Cr耐热钢寿命的分区预测方法与流程

一种9～12％cr耐热钢寿命的分区预测方法
技术领域
1.本发明涉及耐热钢寿命预测领域，具体涉及一种9～12％cr耐热钢寿命的分区预测方法。


背景技术：

2.9～12％cr耐热钢在超(超)临界发电机组的高参数蒸汽管道中应用非常普遍，对此类部件，尤其是组织性能已发生劣化的此类钢制部件进行寿命预测尤其重要。此外，管道在达到寿命终点时，是以塑性方式还是脆性方式破坏也应是管道安全评估时需要预测的重要内容，而这一点并没有引起相关从业人员足够的重视。
3.在gb/t 30580-2014《电站锅炉主要承压部件寿命评估技术导则》及dl/t940、dl/t654等寿命评估标准中，都推荐了等温线外推法和l-m参数法。等温线外推法认为在任一温度下，试样加载应力σ与其断裂时间tr存在σ＝k(tr)m的函数关系，k、m是由试验确定的材料常数；也就是说，在双对数坐标中通过试验数据拟合的函数曲线为直线；然而事实上，在足够长时间后，9～12％cr耐热钢的拟合直线发生了转折。l-m参数是时间和温度两者相结合的参数，以p(σ)表示，它与开尔文温度t和断裂时间tr存在p(σ)＝t(c+lgtr)的函数关系，其中c为材料常数，同时l-m参数p(σ)可以表示为σ的多项式；然而大量的试验数据表明，9～12％cr耐热钢在低应力区和高应力区(应力的高低是相对于该温度下的抗拉强度而言)，拟合得到的c值截然不同。因此，直接使用这两种方法外推得到的寿命很可能被高估或低估。
4.由于不同的试验加载应力-试验温度组合可能导致持久试样断裂行为的变化，从而引起拟合曲线的转折和c值的变化；为了得到准确的预测结果，必须对应力-温度组合进行分区，而如何分区则成为寿命预测的关键。


技术实现要素：

5.本发明针对现有技术中的不足，提供了一种9～12％cr耐热钢寿命的分区预测方法，该方法简便、准确，易于实现。
6.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
7.一种9～12％cr耐热钢寿命的分区预测方法，包括以下步骤：
8.步骤一：在两个较高温度ta和tb下各进行一组相邻应力水平下的持久断裂试验，其中两个较高温度ta和tb是指700℃≥ta＞tb，且t
a-tb≥25℃；
9.步骤二：根据持久断裂试验结果数据确定ta温度下的塑-脆转变应力σa和tb温度下的塑-脆转变应力σb；
10.步骤三：建立试验温度t与加载应力σ的t-σ直角坐标系，在t-σ直角坐标系的第1象限中标出点(ta，σa)和(tb，σb)，并通过这两点绘制与试验温度t、加载应力σ两个坐标轴相交的直线，该直线将t-σ直角坐标系的第1象限划分成内区、外区两个区域，其中内区为脆性断裂区、低应力区，外区为塑性断裂区、高应力区；
11.步骤四：判断需要寿命预测的目标点(t
x
，σy)位于t-σ直角坐标系第1象限中的哪个
区域，其中t
x
为预测温度、σy为加载应力，然后使用该区域已知持久断裂数据的点通过合适的拟合函数外推目标点的断裂时间。
12.为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
13.步骤一中，相邻应力水平下的持久断裂试验是指试验中加载应力递减间隔不大于20mpa，即σ
n-σ
n+1
≤20，σn为第n次试验时的加载应力，σn为第n+1次试验时的加载应力。
14.进一步地，当断面收缩率显著下降时，缩加载应力的短递减间隔。
15.步骤二中，持久断裂试验中，随着加载应力的递减，当断面收缩率z首次下降至50％以下时，其对应的加载应力σ即为塑-脆转变应力，此时无需继续进行更低应力的持久断裂试验。
16.步骤三中，通过(ta，σa)和(tb，σb)两点的直线方程为tm、σm分别为该直线上某一点的温度、塑-脆转变应力。
17.步骤四中，预测温度t
x
下，加载应力为σy时的断裂时间，若则(t
x
，σy)点落在内区，需要通过内区点的持久断裂数据通过合适的拟合函数来进行寿命预测；若则(t
x
，σy)点落在外区，需要通过外区点的持久断裂数据通过合适的拟合函数来进行寿命预测。。
18.步骤四中，合适的拟合函数为采用现有技术中的耐热钢寿命预测方法。
19.进一步地，步骤四中，合适的拟合函数采用等温线外推法或l-m参数法。
20.本发明的有益效果是：
21.本发明提供一种9～12％cr耐热钢寿命的分区预测方法，该方法能通过短时持久试验获得不同温度-应力拟合外推函数曲线的转折点，该分区方法分区后的模型是开放式的，既可用现有模型(如等温线外推法和拉米参数法)，也可自行拟合。
22.本发明的分区预测方法不仅可预测某一温度-应力组合下的断裂是塑性还是脆性，还能避免采用单区预测时寿命经常被高估或低估的问题。
23.本发明分区方法简单、快速、准确、可靠，大幅提高了寿命预测的准确性。
附图说明
24.图1是本发明的实施例1中的分区图。
25.图2是本发明塑-脆转变应力验证图。
26.图3是本发明的分区预测示例图。
具体实施方式
27.现在结合实施例和附图对本发明作进一步详细的说明。
28.一种9～12％cr耐热钢寿命的分区预测方法，包括以下步骤：
29.步骤一：在两个较高温度ta和tb下各进行一组相邻应力水平下的持久断裂试验，其中两个较高温度ta和tb是指700℃≥ta＞tb，且t
a-tb≥25℃；
30.步骤二：根据持久断裂试验结果数据确定ta温度下的塑-脆转变应力σa和tb温度下的塑-脆转变应力σb；
31.步骤三：建立试验温度t与加载应力σ的t-σ直角坐标系，在t-σ直角坐标系的第1象限中标出点(ta，σa)和(tb，σb)，并通过这两点绘制与温度t、塑-脆转变应力σ两个坐标轴相交的直线，该直线将t-σ直角坐标系的第1象限划分成内区、外区两个区域，其中内区为脆性断裂区、低应力区，外区为塑性断裂区、高应力区；
32.步骤四：判断需要寿命预测的目标点(t
x
，σy)位于t-σ直角坐标系第1象限中的哪个区域，其中t
x
为预测温度、σy为加载应力，然后使用该区域已知持久断裂数据的点通过合适的拟合函数外推目标点的断裂时间。
33.为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
34.步骤一中，相邻应力水平下的持久断裂试验是指试验中加载应力递减间隔不大于20mpa，即σ
n-σ
n+1
≤20，σn为第n次试验时的加载应力，σn为第n+1次试验时的加载应力。
35.进一步地，当断面收缩率显著下降时，缩加载应力的短递减间隔。
36.步骤二中，持久断裂试验中，随着加载应力的递减，当断面收缩率z首次下降至50％以下时，其对应的加载应力σ即为塑-脆转变应力，此时无需继续进行更低应力的持久断裂试验。
37.步骤三中，通过(ta，σa)和(tb，σb)两点的直线方程为tm、σm分别为该直线上某一点的温度、塑-脆转变应力。
38.步骤四中，预测温度t
x
下，加载应力为σy时的断裂时间，若则(t
x
，σy)点落在内区，需要通过内区点的持久断裂数据通过合适的拟合函数来进行寿命预测；若则(t
x
，σy)点落在外区，需要通过外区点的持久断裂数据通过合适的拟合函数来进行寿命预测。
39.步骤四中，合适的拟合函数为采用现有技术中的耐热钢寿命预测方法。
40.进一步地，步骤四中，合适的拟合函数采用等温线外推法或l-m参数法。
41.实施例1：
42.一种提高9～12％cr耐热钢寿命预测准确性的分区预测方法，包含以下步骤：
43.步骤一：获取数据
44.本实例中的试验数据均引自日本物质
·
材料研究机构nims creep data sheet中sa-335grade t92的持久断裂数据。先获得700℃及675℃各一组相邻应力的持久断裂数据，数据中包括试验温度t、加载应力σ、断裂时间tr及断面收缩率z，见表1：
45.表1：实施例1引用的nims数据
[0046][0047]
步骤二：由表1中的数据可知，700℃时的塑-脆转变应力为60mpa，675℃时的塑-脆转变应力为80mpa。
[0048]
步骤三：在t-σ直角坐标系第1象限中标出点(60，700)和(80，675)，并通过这两点绘制与两个坐标轴相交的直线，该直线将第1象限划分为内、外两个区域，见图1。
[0049]
图1中，内区(含该直线)点的集合符合σ≤-0.8t+620函数关系，为低应力区；外区点的集合符合σ》-0.8t+620函数关系，为高应力区。
[0050]
其它温度的塑-脆转变应力可由σ＝-0.8t+620方程求得，例如650℃时的塑-脆转变应力为100mpa，600℃时的塑-脆转变应力为140mpa，均与实测值完全吻合，见图2。
[0051]
步骤四：如图3所示，在已知1～7点持久断裂时间的前提下(nims数据库)，预测650℃、70mpa时的断裂时间(寿命)，点(650，70)是位于低应力区编号为8的点。
[0052]
以gb/t 30580-2014《电站锅炉主要承压部件寿命评估技术导则》标准推荐的等温线外推法为例，应以低应力区内5、6、7三点的持久断裂数据来预测第8点。
[0053]
等温线外推法的外推公式为σ＝k(tr)m，在σ和tr的双对数坐标中，外推曲线为直线，因此理论上低应力区的两个点即可决定这个直线方程。由5、6、7三点的断裂数据拟合的断裂时间计算公式为：
[0054]
tr＝1
×
10
17
σ-6.669
[0055]
由此得出在70mpa时，预测其断裂时间为49550小时，与nims数据中实测断裂时间偏差小于10％。如表2所示。
[0056]
作为对比，如果不分区直接使用1～7点持久数据来预测第8点断裂时间，预测结果被高估了116％；作为对比，如果不进行低应力长时持久试验，仅依据高应力区1～4点的持久数据来预测低应力区的第8点断裂时间，预测结果被高估了1393％。
[0057]
表2：实施例1的方法与传统单区预测法的准确性对比结果
[0058][0059]
因此，本发明的分区预测方法不仅可预测某一温度-应力组合下的断裂是塑性还是脆性，还能避免采用单区预测时寿命经常被高估或低估的问题。
[0060]
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。