锅炉高温承压部件剩余寿命的评估及应用.pdf

第34卷第4期
锅炉技术
2003年7月
BOIL ER TECHNOLO GY
Jul.2003
文章编号:CN31-1508(2003)04~0025~-05
锅炉高温承压部件剩余寿命的评估及应用
郑哓红,赵翔,曹欣玉2,周俊虎2,王如竹
(1.上海交通大学制冷与低温研究所,上海200030:2.浙江人学热能工程研究所,浙江.杭州310027)
关键词:剩余寿命;高温部件:;持久强度;蠕变损伤; Larson Miller参数
摘要:详细探讨了持久强度法、蠕变损伤法、 Larson-Milr参数法、θ法计算锅炉高温部件剩余寿命,推
导了各种方法的基本公式,并分析其适用性和优缺点
中图分类号:TK225
文献标识码
ト式表小
我国热电中的锅炉高温部件由于长期服式中:应力,MPa;
役,其所用材料组织逐渐老化,引起材料性能恶
一断裂时间,h
化,导高温部件损坏事故时有发生,而它们的
材料常数
工作状况直按影响着热电厂的安全性和经济效
公式(1)?边取对数,则可得到
益。因此,近乍米对热电厂锅炉高温部件剩余寿
log/, =log4-blog
命的计算方法的研究已引起相当重视。
H公式(2)可知,在对数坐标上,成力与时间
锅炉高温部件剩余寿命的计算方法随着国关系的持久强度出线是直线关系。以公式(2)
内外对剩余寿命评估研究的深入和成熟,经厉了基础,经数学推导后获得的剩余寿命评估公式如
4个不同的阶段山。最早采用的是线性外推持久ド。根据持久强度曲线分散带下限和中限,在寿
强度法,侧重研究端变过程中的断裂机理;第2命计算中采用最小理论寿命和平均理论寿命2
阶段是蠕变损伤法2?,侧重于材料的组织变化,种形式。
预测的准确性得到很大提高;第3阶段是参数外
(1)最小理论寿命
推法), Larson Miller公式就是蠕变间参
log(0.8 dn5/a,)
数外推法屮最著名的一个;第4阶段是外推中的
lo
0°log(do/do)
解析法,是第3阶段的进一步卞富和发展,如θ法
log(0.8]/:s)
寿命评估,它可以把前面各种参数法统一成一体。
2×105=0.301
g(o0'/p x10'
本文对当今应用较为广泛的几种锅炉高温
(2)平均埋论寿命
部件的剩余寿命评定方法进行分析比较探讨了
在不同应用条件ド的各种方法优劣。
lo
5)
10°log(dd/do5)
持久强度法
0gっ×10
vg(ddV/のx0)(6)
持久强度主要是用来衡量耐热材料在高温式中:mn最小理论寿命,h
长期应力作用ド抗塑性断裂能力的一种高温强
平均理论寿命,h;
度特性指标,并规定在某一温度下1×10h所对
、工作应力(或管道内压折算应力),
应的应力值为持久强度枚限。
有的文章中计算寿命时,也采用
国内用持久强度估算高温部件剩余寿命多
n0x,n为安全系数取1.5或2.5
采用双对数坐标上的持久强度曲线?。在一定d、do、dx。分別为一定温度C下1
温度ド持久强度出线的应力与断裂时间关系如
04、1×103、2X10°h持久强
收稿日期:2002-11-14
作者简介:郑晓红(1977-),女、现为上海交通人学机械与动力「程学院博上研究生,主要从事热能T程和人工坏境方面的研究。
o 1995-2004 Tsinghua fong/ang Optical Disc Co, Lid. All righs reserved
技术
第34卷
度平均值,MPa。
式中:A一品界卒洞比例数;
根据管道的工作床力和管子尺寸,可按现行
寿命损耗
管道设训規范讣算山T作应力(内压折算应力)。
a,b为直线拟合系数。
述各式是目前国内工程技术人员用来计算高
剩余寿命rmJ以用下式表示
温部件剩余寿命的基本公式,但不同作者或采用
最小理论寿命,或采用平均理论寿命,还没有形
Icin
(8
成统一规范。
将公式(7)代入公式(8)得晶界空洞比例数
确定持久强度值是由儿千h的持久强度曲4与剩余寿命cm之间的关系:
线线性外推所得。国内?外许多试验证明,用直
线外推1×10h或2×10°h的持久强度偵与试验
实际测待的持久强度相差很人,而且高温部件在
Can等人利用约宋空洞成长模型建了晶界
实际运行过程中,除承受拉伸应力外,还承受弯
洞比例数A与∥r之间的关系
应力或扭转应力及疲劳交变应力,其应力状谷
A=1
/mん
(10)
?高温蠕变损伤速度有岄显的影响,枚断裂机理
不能单纯用持久强度试验结果衡量。
式中:入=er-s;
er蠕变断裂变形;
蠕变损伤法
一一蠕变第阶段变形;
美国电力研究院把锅炉爆管原囚分成6大
n一端变指数。
类,共22和失效机理,其中的短期过热、高温
将公式(4)代入公式(2),可得到晶界空河比
蠕变、热疢劳等导纹的高温部件失效主要是H」例数与剩余寿命的关系
引起材料组织老化和高温长期成力作用下端变
损伤所造成。根据这一原理,英、美、日、德等国
1-(1.4)m/(-1
着重研究珠光体或碳化物颗粒粗化与剩余寿命
美、日、韩等国将公式(11)应用于锅炉管道
的关系以及端变损伤与剩余寿命的关系,同时井剩余寿命评估。该方法的优点:以要川复膜金相
发了一些兀损檢测技术、端变损伤的定量评定方在电厂现场测定高温部件的蠕变损伤度参数A
法高温部件蠕变损伤的现场测定技术等。其中将其代入公式(1)即可计算其剩余寿命。缺点
复膜金相技术已经相当成熟地用作现场蠕变损定量测定蠕变空洞数的工作量较大,且比较
伤和材料老化的测定投术?。另外,为了能対
保守
带裂纹或缺陷的高温部件剩余寿命进行评定
研究了变裂纹扩展速度a/d,建立了do/4时间一温度参数法
与力学参数问关系,从而可定量计算裂纹扩展寿
为预测剩余寿命,从锅炉管上切取试验试样
命。当部件承受高温低周疫劳作用时,用高温低
周疲劳扩展速度dIN/d,计算疲劳寿命循环数评定蠕变断裂强度,可在试验试样上加高于实际
Nr。利用这此基础研究成果,并结合电厂现场测使川应力值的载荷,或可进行试验温度较实际使
量,可対高温部件,特别是管道的剩余寿命进行?温度高的加速蠕变试验。
综合评定。
作用于各种试验条仲ド的内压断裂试验试
美国电力研究院対不同成分钢材通过热处的周向应力采用以下所示的公式计算
理获得模拟热影响区的显微组织,然后在不同温
(12)
度和应力下进行蠕变试验,対不同蠕变损耗率
(管道材料运行付间/与其断裂时间々之比)的式中:一一周向应力,MPa;
试样测定其蠕变空洞、从而建了晶界空洞比例
内力,MI
数A与端变寿命损耗悴问的关系。一定温度下
D实测的外径、mm
的试验数据一般处ず一个小分散带内,其下限
x测的壁厚mm。
可表小为
对端变断裂吋问的外推,可使用各种时问
温度参数法,这种时问温度