一种高温高压焊接构件结构完整性的评定方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种结构安全的评定方法，具体涉及一种蠕变、疲劳以及蠕变-疲劳交 互作用的高温高压焊接构件结构完整性的评定方法。
【背景技术】
[0002] 在高温(一般是500°C以上）下，金属结构蠕变和疲劳断裂成为主要的失效形式。例 如，30%左右的锅炉和高温裂解重整装置中的管道，尤其是焊接接头的失效均由蠕变或疲 劳断裂引起。蠕变和疲劳交互作用问题的关键挑战在于损伤在材料内部逐渐累积，往往在 未见明显征兆的情况下突然发生破坏，给生产带来严重的损失，甚至引发惨重的后果。
[0003] 目前，我国在"七五"、"八五"科技攻关课题针对压力容器中的局部减薄缺陷开展 了研究，形成了我国《在用含缺陷压力容器安全评定(GB/T 19624-2004)》的标准。不过这个 标准仅针对常温设备，高温蠕变情况下的含缺陷评定并未涉及。而国外标准中对蠕变-疲劳 交互作用下的失效评定，仅是采用线性叠加方法，显然有较大误差。
[0004] 在当前能源与环境的双重压力下，发展高效、节能、大容量、洁净环保、可靠性高的 火力发电技术，不仅能够满足国民经济快速发展对电力的迫切需要，而且能够应对来自环 境保护方面的日益严峻的要求和挑战。超临界燃煤发电技术通过提高蒸汽的温度(600°C以 上）、压力（25MPa-30MPa)实现高效、节能和环保的发电，是目前国际上较为成熟和广泛使用 的一种清洁燃烧技术，这些大型装置的服役温度和压力的提高，对设备装置运行时的安全 可靠性提出了更高的要求。超临界机组在运行过程中，高温高压管道及其焊接接头，难免会 产生缺陷，因此，考虑蠕变-疲劳交互作用提出其含缺陷结构的结构完整性评定方法，对保 障机组安全稳定运行变得尤其重要。
【发明内容】
[0005] 本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种高温高压焊接构件结构完整 性的评定方法。
[0006] 为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为:一种高温高压焊接构件结构完整 性的评定方法，它包括以下步骤：
[0007] (a)对焊接构件的接头材料在常温和高温下进行力学性能测试；
[0008] (b)在高温环境下，对焊接构件的接头进行蠕变、疲劳、蠕变-疲劳交互作用下的裂 纹扩展速率测试，获得高温断裂参量表征的裂纹扩展特性；
[0009] (c)采用SEM对焊接构件接头的断口进行分析，确定试样的失效模式，选取对应的 高温断裂参量；
[0010] (d)建立焊接构件接头的等时应力应变曲线；
[0011] (e)以应力强度因子与断裂韧性的比值为纵坐标、施加载荷与塑性垮塌载荷的比 值为横坐标建立焊接构件接头材料与时间相关的失效评定曲线，将其评定区域分为安全区 和失效区，进行结构完整性的评定。
[0012] 优化地，步骤(a)中，所述力学性能测试包括常温和高温拉伸试验、断裂韧性试验 以及蠕变性能试验。
[0013] 优化地，步骤(b)中，所述裂纹扩展速率采用电位法测量。
[0014] 由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明高温高压 焊接构件结构完整性的评定方法，不是对蠕变和疲劳影响因素进行简单的线性叠加，而是 采用综合蠕变-疲劳交互作用综合试验，通过测试焊接接头材料的裂纹扩展速率，同时结合 微观分析，获得其失效原因，选择合适的高温断裂参量，并结合相关力学测试数据，建立失 效评定曲线，这样得到的安全评定更加科学、准确。
【附图说明】
[0015] 图1为本发明焊接接头的常温拉伸试验图；
[0016] 图2为本发明焊接接头的高温拉伸试验图；
[0017]图3为本发明焊接接头的断裂韧性试验图；
[0018] 图4为本发明焊接接头的蠕变性能试验图；
[0019] 图5为本发明裂纹长度-循环次数曲线图；
[0020] 图6为本发明焊接构件接头启裂区的SEM图；
[0021]图7为本发明焊接构件接头扩展区的SEM图；
[0022]图8为本发明裂纹扩展速率da/dt与C*的关联曲线；
[0023]图9为本发明焊接接头的等时应力应变曲线；
[0024] 图10为本发明焊接接头的时间相关的C^.2确定方法曲线；
[0025] 图11为本发明基于高温蠕变-疲劳交互作用下焊接接头材料与时间相关的失效评 定曲线。
【具体实施方式】
[0026] 下面将结合附图对本发明优选实施方案进行详细说明。
[0027] 本发明高温高压焊接构件结构完整性的评定方法，它包括以下步骤：
[0028] (a)对焊接构件的接头材料在常温和高温下(500°C以上)进行力学性能测试；
[0029]构建焊接构件接头结构的完整性评定曲线，必须对焊接接头进行常温和高温下基 本力学性能测试，其中包括:常温拉伸试验(如图1所示，其温度为20°c)、高温拉伸试验(如 图2所示，其温度为610°C)、断裂韧性试验(如图3所示）以及蠕变性能试验(如图4所示）；
[0030] (b)在高温环境下，对焊接构件的接头进行蠕变、疲劳、蠕变-疲劳交互作用下的裂 纹扩展速率测试，获得高温断裂参量表征的裂纹扩展特性；
[0031] 为获得合适的高温断裂参量表征裂纹扩展特性，需对焊接接头进行蠕变、疲劳、蠕 变-疲劳交互作用下裂纹扩展速率测试，由于在高温环境下进行试验，测试裂纹扩展速率采 用电位法测量，以提高测量准确程度，裂纹扩展长度计算公式如下：
[0032] (1)
[0033] 裂纹扩展速率计算公式如下：
[0034]
(:2>
[0035] 获得裂纹长度与载荷循环次数关系如图5所示。
[0036] (c)采用SEM对焊接构件接头的断口进行分析，确定试样的失效模式，选取对应的 高温断裂参量；
[0037] 采用SEM对试样断口进行分析，确定试样的失效模式，根据不同的失效模式判定选 取合适的高温断裂参量:蠕变-疲劳交互作用下的裂纹尖端主控区域，当外载荷较小时弹性 应力分量占主导地位，这时采用线弹性力学的应力强度因子描述裂纹扩展;随着载荷增大， 裂纹尖端区域内蠕变应变或塑性应变分量的影响增大并起主要作用，这时需采用弹塑性断 裂力学参量J积分或高温断裂力学参量C*预测剩余寿命。如图6和图7所示，该样品的失效模 式为蠕变断裂，可选择J积分或C*作为高温断裂参量。
[0038]以蠕变控制为主的失效模式为例，选取高温断裂参量为C*。根据ASTM E1457-07， 对于CT试样，在蠕变控制的裂纹扩展中，参量C*可以通过加载线位移速率进行计算，如下所 示，裂纹扩展速率与C*关联曲线如图8所示；
[0039] C 3 ) 〇
[0040] (d)建立焊接构件接头的等时应力应变曲线；
[0041]由于考虑蠕变-疲劳交互作用的影响，