超超临界机组管线弯头寿命评估方法综述

1、超超临界机组管线弯头寿命评估方法综述刘学，徐 鸿，段丽，王开龙（华北电力大学（北京）能源与动力工程学院，北京，邮编：102206）摘要：本文介绍了超超临界状态下主汽管道材料蠕变应变的特点和常用寿命评估方法，并介绍了在椭圆度和壁厚的影响下，如何评估弯头的剩余寿命。通过用有限元（ANSYS）模拟分析，阐述了在恒载荷下主汽管道剩余寿命评估的有效方法。同时还介绍该领域研究的新成果，以及未来超超临界状态下管线弯头寿命评估的关键问题和发展趋势，并提出新一代超超临界状态下管线弯头寿命损耗在线监测系统的新课题。关键词：蠕变，寿命评估，弯头，椭圆度，主汽管道，超超临界Life-assessment Method

2、 Summary Of Pipeline Elbow About Ultra Supercritical UnitLiu Xue ，Xu Hong ，Duan Li ，Wang Kai Long (School of energy and power engineering NCEPU， Beijing， Postal Code: 102206 )Abstract: In this paper， the characteristic of material Creep， usual life-assessment methods about the main steam piping unde

3、r the ultra supercritical state are introduced， especially under the effect of the pipe ovality and thickness， how to assess the remaining-life of the elbow， and by the means of simulation analysis through FEM(ANSYS)， effective methods of assessing the main steam piping remaining-life is exposited u

4、nder the state of invariable load. In addition， new achievements in the field， and the key problem and development trend of life-assessment about pipeline elbow under the ultra super critical state in future are mentioned， and a new subject of developing a new generation online monitoring system abo

5、ut life-span losses of pipeline elbow under the ultra super critical state is also proposed.Key Words: Creep；Life assessment；elbow ；Ovality ；Main steam piping；Ultra supercritical1、概述火电厂的蒸汽参数是指蒸汽的压力和温度。按照卡诺循环的原理，提高高温热源的温度或降低低温热源的温度，可以提高热机的热效率。火电厂正是遵循这个原理，在逐渐通过提高机组的蒸汽参数来提高火电厂的效率。一般来说，汽压高于24MPa的机组称为超临界

6、压力机组，汽压在27MPa以上的则称为超超临界压力机组。随着蒸汽参数的提高火电厂的主蒸汽管道(包括母管)、高温再热蒸汽管道是发电厂的主要高温部件，在超超临界的运行状态下均受到高温、高压蒸汽作用材料经常产生蠕变而发生破坏。蠕变是指在一定的温度和应力作用下，经过一段时间产生塑性变形，即使所加应力低于该温度下的屈服极限也会逐渐产生塑性变形的现象。蠕变应变随时间缓慢变化是一个级其复杂的过程。蠕变过程初期阶段由于材料内部的微观相结构发生重新分布,表现为应变时效的特点,在这个期间材料只是在组织形态上发生微小的变化。最初期的应变增加较快,是因为内部组织在应力作用下发生取向性形变所致。随后晶粒中的合金元素偏晰

7、并向晶界转移,进入稳定阶段。在稳定阶段中, 实际上是应变时效与材料内部组织发生损坏,两者互相竞争出现的动态平衡。随着时间增加，蠕变速率越来越快，直到蠕变断裂，这也就是蠕变的加速阶段。蠕变与多种因素有关，一般主要认为与运行时的温度、应力和时间有关，高温下金属力学行为的一个重要特点就是发生蠕变，即金属在恒定负荷(或应力)作用下随时间的增长形变不断增加，形变的结果最终可能导致金属的断裂。所以说，超超临界机组管线弯头部件的失效的主要形式是部件产生蠕变的结果。显然高温、高压是现代工业所面临的挑战就是材料发生蠕变的问题。然而在高温下构件的变形与损伤是依赖于时间（Time-dependent）以及空间多轴应

8、力状态（Multiaxiality）的复杂现象。高温部件的蠕变过程和部件的温度水平密切相关。当温度低于材料的晶体转化温度的0.50.7倍时，蠕变不会发生。同时，蠕变的破坏是随时间积累的过程。一旦进入蠕变破坏温度，其破坏就不断地积累，并且随着温度继续升高，这种破坏的速度呈现明显加速的趋势。所以考虑高温部件的蠕变是对该部件进行寿命评估的主要因素。12、管线弯头失效部位火电厂的高温高压管道失效形式大部分取决于的高温蠕变失效状况。在火电厂的过热蒸汽的主蒸汽管道、高温再热蒸汽管道及过热汽出口汽管道的弯头由于长期处于高温高压状态，特别是工作在超超临界状态下的主蒸汽管道材料，在温度和应力作用下，材料的显微结

9、构、力学性能、耐热性能、物理性能都会缓慢地变化，材料在使用过程中出现的老化现象，易产生蠕变裂纹而导致破坏性事故，直接影响锅炉的安全运行和整个热力发电系统的正常运转，这实质上是蠕变损伤积累和材质劣化，并最终在应力作用下导致开裂失效。因而监测主蒸汽管道蠕变情况观察主蒸汽管道蠕变产生的现象、时间及发展速度，准确的为电厂提供技术资料，提高主蒸汽管道工作的可靠性，防止由于长期蠕变后引起爆管事故的产生是计算部件剩余寿命的重点。根据全国电站多年经验和已发生事故资料来看，电厂高温主蒸汽管道、高温再热蒸汽管道及高温过热器出口蒸汽管道的弯头部位与其直管段相比，弯头部位受到比直管段加大的应力作用，其承受的主要应力有

10、：1、 管壁承受的工作应力。2、 管道椭圆度造成的附加应力。3、 管系应力：包括自重应力，热补偿应力等。应力计算结果表明：弯头部位有两处受到较大的应力作用，一是在弯管外弧外表面受有较大的切向应力；二是在弯管中性面，裂纹一般由内壁萌生。后者取决于弯管的椭圆度，椭圆度越大，此处所受应力越大。因而弯头部位更是潜在事故的危险部位。这除因弯管时存在的外部缺陷、用错钢材等原因外，一般均具有典型的蠕变断裂特征，系由蠕变损伤的逐渐积累年致。2目前，对现役机组的电厂锅炉，最现实的问题是，如何预测管道的剩余寿命?另外，高温管道的蠕变并非单独存在，我们知道影响管道寿命的因素很多:持久强度、蠕变极限、疲劳强度、腐蚀的

11、交互作用等。为了保证管道安全运行，预测管道的剩余寿命是目前分析的主要手段，通常采用：一、综合材质鉴定法，二、等温直线法，三、寿命损耗参数法，四、参数法，五、金相法，六、密度法。通过这些综合检验，我们可以得知管道在高温高压的工况下长期运行中的金属组织、力学性能、珠光体和球化碳化物等情况。从而判断产生蠕变裂纹的可能性，预测产生蠕变裂纹的时间，提前预防蠕变裂纹的产生，为电厂安全运行提供可靠科学依据。33、寿命预测方法：蠕变寿命对高温部件的设计极其重要，对于火电厂使用的低合金耐热钢高温部件，直接通过试验获取其在1×105h甚至2×105h下的持久强度数据是极为困难的，一般采用提高应

12、力和温度的方法得到短时的断裂时间与应力、温度之间的关系，再推出长时的断裂时间与应力、温度之间的关系，这就是所谓的寿命外推。这也是目前国内外专业人士对高温部件的蠕变寿命预测所采用的普遍方法。人们进行了大量的研究，提出了各种不同的寿命预测方法：通常采用的是根据LarsonMiller预测法、Z-Parameter预测法、-函数预测法及其修正法、C-影射法、Graham-walles数学模型、蠕变曲线逼近预测法等。3.1 LarsonMiller预测法4Larson-Miller方法是以持久强度为主要指标进行寿命预测的方法，该方法应用较为广泛的方法。根据Larson-Miller的研究认为:对各种材

13、料和应力水平条件,在温度和时间变量间存在一个统一的参数P,可用下式表示:P=T(lgTr+C)/1000 (1)式中:P-为Larson-Miller参数,C-为常数,Tr-为断裂时间,T-为绝对温度。对于电厂常用的高温管材，用已有大量的单轴拉伸持久的长时实验数据，根据这些数据可以回归出材料蠕变断裂寿命Tr与应力、温度的关系：其中，为蠕变应变率，Tr为断裂时间（h），T为运行温度（°F），为载荷应力(MPa)。用Larson-Miller方法可以外推持久实验时间的3倍寿命。并且认为P是应力的函数,即P=f()将以上两式合并得： (2) (3)这样就可通过对加速蠕变实验的持久数据进行统

14、计分析建立上述函数关系,再用工作温度和应力外推得到Tr作为管道的寿命3。使用Larson-Miller参数法外推材料在实际使用状态下的蠕变断裂寿命时，由于管道上材料实际工作条件是多轴应力状态，因此采用计算等效应力： （4）式中：P蒸汽压力；d管道直径；t管道壁厚。对于某种钢,可经过大量试验确定上述参数。例如对12Cr1MoV钢,由试验数据整理而来的参数值为:C1、C2、C3、C4、C值，如表1所示。然后将应力和温度值代入,即可得到断裂时间值,即在此温度和应力下的使用寿命。5表1 12Cr1MoV钢的C1、C2、C3、C4、C值 参数钢号CC1C2C3C412Cr1MoV2331326.6471

15、-7392.56017554.0785-4224.21463.2 ZParameter法6（LarsonMiller模型的变形）使用的该方法计算12Cr1MoV钢的蠕变寿命时，考虑到微观组织碳的球化等级不同对金属寿命影响。实际上是LarsonMiller参数法的一种变形，把LM参数法中的P参数用下式表示： （5）即， （6）对于CrMoV钢C0取常数20，在12Cr1Mov钢中的LM参数为： （7）用Z-Parameter代替LM方法中的P参数： （8） （9）其中，为球化级别指数；b为抗拉强度；由于金属在高温工况下长期工作，金属碳化物组织结构必然要发生变化，即碳化物球化级别不同。对火电厂服役

16、的12Cr1MoV钢的碳化物球化级别分为五个等级6，如图1所示。利用Z-Parameter方法对于12Cr1MoV钢进行剩余寿命的预测, 效果较好，寿命误差小。图1 12Cr1MoV钢的碳化物球化级别3.3 -函数法-函数法是一种以恒应力蠕变试验为基础的寿命外推方法。可以比较准确地确定蠕变寿命，外推时间长（3个月试验外推30年），其基本思想是将一般的蠕变曲线看作是蠕变速率下降的第一阶段和蠕变速率上升的第三阶段的叠加。该方法需要知道材料的断裂应变、材料在蠕变初始阶段和第三阶段的蠕变速率及蠕变变形量。该方法认为应力-时间-温度之间存在唯一的函数关系，即： （10）设蠕变过程满足以下方程： （11）

17、式中：蠕变应变；总应变；弹性应变；参数（i=14）t时间； 蠕变第二阶段开始的时刻其中，（i=14）和断裂应变f又同材料本身以及温度、应力水平存在以下的关系： （j=1，2，3） （12） （13）aij、bij、cij、dij四个变量只与材料有关，而同温度、应力无关，在温度一定时，lgi与i成线性关系。通过多元线性回归对蠕变断裂数据进行拟合即可求得任意温度应力下的蠕变变形方程。当参数和断裂应变确定后，任何蠕变应变、蠕变寿命都可直接计算出来。然而-函数法也有其局限性，该方法必须先确定式中的i，要确定式中的i就必须按照（12）式先确定好ai、bi、ci、di，这样做不免有很多困难又时常难以实现。

18、因为构件各段之间材质不尽相同，有的甚至差别较大。不仅如此，各个构件的应力状态和系统应力的影响也差别很大。大量取样试验求出每个构件的ai、bi、ci、di是不可能的。因而-函数并不能直接用于真实构件上。3.4 -函数法的修正模型：工程蠕变大多在恒载荷下进行，恒载荷下测得的蠕变曲线，第一阶段不存在或极短，第二阶段较长，为了处理恒载荷下的蠕变数据，采用下式描述主要由第二、三阶段构成蠕变过程的蠕变曲线。该方程可以进一步修正如下方程： （14）为方便数据处理，对修正后的面貌函数法数学模型进行参数形式上改变，将1、2、3分别改写为A、B、，则有下式： （15）同样可以通过（12）式得到aij、bij、ci

19、j、dij四个常数，这部分工作可以用计算机采用多元非线性回归来完成。现将用-函数法的修正模型计算10CrMo910钢的a、b、c、d值的结果列入下表1，根据表2中的数值，可以建立任一温度和应力下的蠕变变形方程。7表2 10CrMo910钢的a、b、c、d值钢号参数（）abcdVar10CrMo910A-13.36586000-0.498099000.008700900.001673660.09656059B44.73729000-7.34893400-0.099545960.014219820.26175200-16.301160000.223321600.019144090.00019414

20、0.101658303.5 C-影射法由于一函数法不能直接用于构件上进行寿命测量。而在火电厂管系上可以直接测量其表现行为(蠕变形变,如管径胀粗)与时间的关系是很方便的。但从(11)式仍然求不出参数（i=14）来。因此,又提出了射影的方法。由(11)式,在与函数完全相同的条件下,将(11)式按Taylor级数展开后就得到下列的表达式: （16)其中: (17) (22)0<<12是误差项,理论上可以证明从(11)式到(16)式的转换是可以无限精确的,而且在任意的时间范围内收敛。由(16)式可以看出蠕变变形与时间之间可以由一系列有规律的系数i构成的多项式来描述。且i与i之间由(17)式

21、来确定,这就是的射影方法的数学模型。其本质上是函数法的进一步发展8。3.6蠕变曲线逼近法大多数关于材料蠕变曲线的测量实验都是在较低度应力下用标准拉伸试样在单轴应力条件下进行的，计算管道直径蠕变曲线可用以下方程表示：Iseda8等认为，系数m约为0.3，这里的、是待定参量，可通过对管道运行过程中所测量的蠕变曲线进行拟合而求得。3.7 Graham-walles的数学模型为： Graham and Walles,1955 （15）其中，：蠕变应变率；cr：蠕变应变；T：温度（K）；e：壁厚（mm）；：应力（MPa）；A1，n1，m1，K1：GrahamWalles蠕变规则中第一阶段中的常数A2，n

22、2，m2，K2：GrahamWalles蠕变规则中第一阶段中的常数A3，n3，m3，K3：GrahamWalles蠕变规则中第一阶段中的常数由于目前这些数据还不完整，比较缺乏。时间、温度方法是仍是当前在蠕变寿命计算中较为流行的方法，可以比较容易地根据蠕变温度取得蠕变断裂寿命。近年来，对机组寿命及其零部件的监测和管理越来越受到重视，而且计算机监测系统逐渐有取代监测仪表的趋势。为适应这一要求，利用B软件开发技术，自主研制开发了超超临界机组高温高压管线弯头材料寿命损耗在线监测系统。4、结论：我国人均工业化水平远低于国际平均水平,设备性能差、单位能耗高、排放污染严重的现状必将会制约我国国民经济的持续发

23、展。因此，大力发展超超临界发电技术,是实现我国电力工业升级换代、缩小与发达国家装备技术的差距、实现洁净煤发电最现实和最快捷的途径。所以，高温材料的使用是超超临界机组发展的关键，而火电厂的管道弯头的寿命更是普遍关心的重要问题。为了能够快速地、准确地预测在超超临界工况下火电厂管道弯头的剩余寿命，近年来提出的修正法、C-影射法、Z-Parameter参数法、蠕变曲线逐步外推法、蠕变损伤及裂纹扩展的寿命评估方法、基于可靠性概率评估方法等能较好地预测主蒸汽管道寿命。这些方法都基于持久强度或蠕变试验曲线的基础上逐步外推，可以避免由于工况变化所带来的误差。但所有这些方法仅仅预测管道弯头的监测段或在试验相近的条件下运行的高温构件的寿命,仅是局部的范围，而对整个火电厂管系寿命的预测还要考虑许多因素：金属的高温腐蚀、金属的热疲劳、材质的不均匀性、管壁的局部减薄、管系附加应力、焊接工艺等因素。总之，由于科学技术的发展，试验条件的改善。目前