高溫生產設備或部件缺陷的安全性評價方法

專利名稱：高溫生產設備或部件缺陷的安全性評價方法
技術領域：
本發明屬于安全工程技術領域，具體涉及一種高溫生產設備或部件缺陷的安全性評 價方法，尤其是鑒別高溫環境下使用的生產設備或部件在發現缺陷后是否發生蠕變斷裂 失效的方法，適用于高溫生產設備的安全管理與控制。
背景技術：
壓力容器、汽輪機、鍋爐、蒸汽管道等運行在高溫環境下的設備在服役和制造過程 中不可避免的會產生缺陷，蠕變變形和蠕變損傷是導致其失效的主要因素之一，因而如 何評價、鑒別這一類設備能否發生蠕變失效破壞，對保證安全生產具有重要意義。對于 常溫環境下設備缺陷的安全性評價，目前己發明建立了多個方法可提供保證，包括COD 曲線法，應力強度因子法和J判據方法，以及更先進的雙判據失效評定圖法(R6方法)， 但這些方法均不能使用于高溫蠕變斷裂機制下的評定。
目前針對高溫設備蠕變失效的問題己發展了多種評定方法，如英國的R5和法國的 A16等，但這些方法均是建立在相對嚴格的高溫斷裂力學基礎上，評定過程復雜、繁瑣， 需要專業的斷裂力學知識和力學計算。這種代價較高的評定方法對于需要絕對保證安全 的核設備來說是可行的，而且是必要的。但石油化工等過程工業中設備的安全性要求低 于核容器，其缺陷評定原則是"合乎使用"和"最薄弱環節"，并且這些設備大多由普通的
工程技術人員檢修維護，如果要求他們使用專業性很強的Cf參量或(Td方法來判定設備缺
陷的安全性，有一定的難度，而且不現實。
已有多個專利技術可用于解決設備安全性評定的問題，如專利CN1614294A "壓力 容器疲勞壽命安全預測方法"提出了J積分的裂紋臨界尺寸評價方法，但只能用于常溫 下發生疲勞破壞的設備。專利CN1477383A "高溫部件蠕變壽命的測試方法"提供了一 個考慮高溫老化因素的蠕變壽命預測方法，但沒有考慮預先裂紋存在的影響，因而不適 用于裂紋引起破壞的安全性評價。其它專利如CN101038248A "—種汽輪機高溫部件蠕 變壽命的預測方法及系統"、CN86103018A"確定渦輪部件剩余有效壽命的方法"以及 CN1908974A "—種汽輪機高溫耐用件日歷壽命在線評定及預測方法"等均是針對運行 汽輪機部件的壽命及安全問題，基于損傷理論建立的預測方法，沒有考慮蠕變斷裂和裂 紋因素，因而不能處理工程上檢測發現缺陷的評價。但實踐中結構發生裂紋等缺陷不可 避免，簡單停車維修和報廢均會造成不必要的浪費，并直接導致設備可靠性降低的后果。

發明內容
針對現有技術中存在的問題，本發明的目的在于提供一種高溫生產設備或部件發現 缺陷后的簡捷安全性評價方法。
本發明的用于預測高溫生產設備或部件發現缺陷后的蠕變斷裂失效的安全性評價 方法，包括以下步驟
一、 獲得生產設備或部件的材料在特定溫度下的蠕變應變一時間曲線，并基于蠕變 應變一時間曲線建立對應于特定時間的應力應變曲線，即等時應力應變曲線；
二、 建立與時間相關的失效評定曲線圖-
首先通過自變量丄r獲得不同的參考應力G"ref = ^a。T2 ，其中指等時應力應變曲線 上對應于0.2%非彈性應變的應力；
然后在所建立的等時應力應變曲線上得到對應于參考應力(Tref的參考應變&f ，根據 以下公式建立與時間相關的失效評定圖<formula>formula see original document page 5</formula>
式中
五為楊氏模量；
Sref為對應于參考應力C^f =^^12時由等時應力應變曲線確定的總應變，其中O", 指等時應力應變曲線上對應于0.2%非彈性應變的應力；
iV"ax通過ZT-^/《2確定，其中，C7fT指高溫流變應力，可通過f = l/2(C70r2+CTr) 計算， 為材料的蠕變破斷應力；
三、通過式a; = k//^at計算確定反映部件發生斷裂失效程度的參數尺r，其中夂"是
材料的蠕變韌性，通過以下公式計算-<formula>formula see original document page 5</formula>式中
A為試件的凈厚度； 『為試件寬度；
4為蠕變裂紋擴展量等于Aa時試驗中測得的加載點位移； F為施加的載荷；
;7為試樣幾何尺寸的校準因子，對于CT試樣，；;=2 + 0.522(1-^是彈性應力強度因子；
四、 通過式A :F/《("，cr2)計算用于確定反映構件發生極限載荷失效程度的參量
丄r，式中尸^，(7\2)是結構的極限載荷，fl為裂紋尺寸；
五、 將上述得到的參量(Kr,Lr)作為狀態點放在失效評定圖中進行比較的步驟，若 含缺陷結構的狀態點落到失效評定曲線下方的安全區內，則可判定為當前設備不會發生 蠕變斷裂失效；若結構的狀態點落到失效評定曲線的上方，則表明不能排除發生蠕變失 效的可能性，需進一步維護和監控。
本發明的高溫生產設備缺陷的安全性評價方法所建立的失效評定曲線為時間的函 數，隨著時間增長，失效評定圖所定義的安全區域降低，能夠合理反映高溫蠕變機制的 影響，克服了彈塑性失效機制下評定方法的不足。
與現有預測技術相比，本發明的高溫生產設備缺陷的安全性評價方法不僅快速便 捷，而且，含缺陷結構的安全與否可通過比較狀態點在失效評定圖的位置直觀獲得，不 需要復雜的高溫蠕變斷裂分析，只需簡單計算應力強度因子和極限載荷即可完成，從而 可以有效減少工作量以及對操作人員專業知識的要求。


圖l是由標準蠕變拉伸試驗數據獲得蠕變應變一時間曲線以及基于蠕變應變一時間
曲線獲得等時應力應變曲線的示意圖。
圖2是根據本發明實施例確定的不銹鋼在特定溫度下的與時間相關的失效評定圖。 圖3是本發明實施例中試驗獲得蠕變韌性由允許裂紋擴展量確定允許加載線位移的歩驟。
圖4是本發明實施例中某反應器器壁上發現的裂紋缺陷簡化后的形狀示意圖。 圖5是本發明實施例中建立的與時間相關的失效評定圖和狀態評定點。
具體實施例方式
本發明提供了一種高溫生產設備或部件發現缺陷后的安全性評價方法，以避免發生 蠕變斷裂失效，具體包括以下步驟
一、 獲得生產設備或部件的材料在特定溫度下的蠕變應變一時間曲線，進而按照圖 l所示的方法，基于蠕變應變一時間曲線建立對應于特定時間的應力應變曲線，即等時 應力應變曲線；
二、 建立與時間相關的失效評定曲線圖
首先通過自變量"獲得不同的參考應力CTref = Z"。T2 ，其中0"2指等時應力應變曲線 上對應于0.2%非彈性應變的應力；
然后在所建立的等時應力應變曲線上得到對應于參考應力CJref的參考應變Sref ，根據 以下公式建立與時間相關的失效評定圖(圖2):
<formula>formula see original document page 7</formula>
式中
五為楊氏模量；
^f為對應于參考應力CTref =^^2時由等時應力應變曲線確定的總應變，其中C7" 指等時應力應變曲線上對應于0.2%非彈性應變的應力；
^隨通過丄r、^/《2確定，其中，^指高溫流變應力，通過式5 = 1/2 + ) 計算，'CTr為材料的蠕變破斷應力；
三、通過式/;=尺/《i計算確定反映部件發生斷裂失效程度的參數Kr，其中a:乙是
材料的蠕變韌性，是服役時間的函數，通過以下公式計算
<formula>formula see original document page 7</formula>
式中
A為試件的凈厚度； 『為試件寬度；
A為蠕變裂紋擴展量等于a"c時試驗中測得的加載點位移，確定方法與步驟如風3， 即先在試驗獲得的裂紋擴展量-時間曲線上確定對應于允許裂紋擴展量的時間ti，由此時 間ti即可在試驗得到的相應加載線-時間曲線上獲得加載點位移Jc;
F為施加的載荷；
;7為試樣幾何尺寸的校準因子，對于CT試樣，
<formula>formula see original document page 7</formula>
^是彈性應力強度因子，可查找應力強度因子手冊或相關標準獲得計算式；
四、 通過式Lf =^7&(",(^2)計算用于確定反映構件發生極限載荷失效程度的參量
丄r，式中尸!^^\2)是結構的極限載荷，"為裂紋尺寸；
五、 將上述得到的參量(Kr,LT)作為狀態點放在失效評定圖中進行比較，若含缺陷
結構的狀態點落到失效評定曲線下方的安全區內，則可判定為當前設備不會發生蠕變斷
裂失效；若結構的狀態點落到失效評定曲線的上方，則表明不能排除發生蠕變失效的可
能性，需進一步維護和監控。
以下結合具體實施例對本發明作進一步詳細說明。應理解，以下實施例僅用于說明 的目的，而非用于限定本發明的范圍。
實施例
某煉化廠的一臺關鍵反應設備，1996年11月投入運行，在2000年9月的一次常規 檢測中發現設備筒體上有1條裂紋。該裂紋位于內徑為2800mm，壁厚為45mm筒體的 內表面，徑向分布且垂直于器壁。裂紋遠離焊縫，而且檢測中沒有發現明顯的應力腐蝕 開裂跡象。由于生產工藝的限制，該設備需要繼續運行l年后才可以進行大修。從投入 運行至發現裂紋，該反應器共工作了 33120小時。 一年按365天計，則該反應器還需要 繼續運行8760h。
為確保反應器在此后一年內運行的可靠性，現采用本發明的安全性評價方法，采用 與時間相關的失效評定圖，分別評定該設備在檢測到裂紋后半年、l年、2年和3年后 的安全性。在這期間，裂紋的允許擴展量分別取為Aa-Omm和Aa-lmm，這個擴展量相 對于壁厚45mm來說是非常小的。評定過程中不考慮開停車造成的影響。
反應器的材料為316不銹鋼制造，幾何形狀為一簡單的筒體，內徑為D尸2800mm， 壁厚B二45mm，承受內壓載荷p=2.7MPa，工作溫度為55(TC。根據國標GB19624提供 的缺陷規則化原則，設備中的表面裂紋可規則化為半橢圓形，尺寸為深a=12mm,裂 紋半長^25mm，具體形狀如圖4所示。
第一步，獲得反應器材料，即316不銹鋼，在55(TC的工作溫度下的蠕變應變一時 間曲線，進而基于蠕變應變一時間曲線建立對應于特定時間的等時應力應變曲線；
安全性評定所需的蠕變性能通常可以通過蠕變試驗機在特定的溫度下進行試驗獲 得；對于本實施例，316不銹鋼的蠕變性能可以通過手冊和公開數據直接獲得，具體的， 316不銹鋼在操作溫度55(TC下的蠕變應變一時間數據可以由BS7910"金屬結構缺陷驗 收評定方法導則"得到
<formula>formula see original document page 9</formula>式中se為時間《h)和應力cr(N/mm"下的累積蠕變應變，T為絕對溫度(K)。
對應于評定容器的應力水平，短時塑性應變可以忽略，因此該式可以認為表示了總 的非彈性應變。
由蠕變應變加上彈性應變(由胡克定律計算獲得)就可以很容易地得到相應的等時 應力應變曲線。
第二步，建立與時間相關的失效評定曲線圖
316不銹鋼的蠕變壽命和蠕變斷裂應力之間存在以下關系
ni。g10/A +22.0) = 2遍5 x104 -25.320o" +1.9748 x 10-2o"2 式中tR為蠕變斷裂時間(h)， Yc為安全系數，法國標準RCC-MR推薦取為10。 由上面兩式可以確定蠕變破斷應力cjr和對應于0.2X非彈性應變的應力a10.2，其對 應于不同評定時間下的值如表1所示。
表1
要求的操作時間(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
起裂韌性Kemat(MPamQ5)104.9979.2373.0467.3464.21
Kemat對應臨界裂紋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參量取裂紋最深處的應力強度因子與材料斷裂韌性之比。
由上述確定的等時應力應變曲線可以建立316不銹鋼的時間相關失效評定曲線
/(L,) = [1 + 6.0 x 10—(0.004,333 + 5.21 x l(T6f)(Ao"02)3]—1/2
根據式= (Tf7 /t7乙計算得到的不同情況下的截止線￡rm3X的值示于表1 ，所建立的 失效評定曲線圖如圖5所示。
從Z,"的值可以看出其對時間的依賴性也并不強，因此圖5中僅取了對應于時間 33120h的一個值1.734。
第三步，通過式^=《//:1^計算^"參量
首先確定蠕變斷裂韌性1^^:采用帶側向槽的CT緊湊拉伸試樣，進行55(TC溫度
下316不銹鋼的蠕變裂紋擴展試驗，即可通過以下公式計算得到不同運行時間下的材料 蠕變韌性值-
<formula>formula see original document page 10</formula>根據獲得的蠕變斷裂韌性Kemat的值具體見表1 。
對于圖4所示的半橢圓裂紋，根據國標GB19624給出的應力強度因子解，可以進 一步得到Kr參量的計算式
<formula>formula see original document page 10</formula>①為第二類完備型橢圓積分，O = [1 + 1.4640〃)'655;
M, =1.13 —0.09("〃)；
M2 = 0.89/
+14(1 - a //)24;
計算得到的對應于不同評定時間和裂紋擴展量(Aa=0和Aa-lmm)的i^參量的值 見表l。
第四步，通過式A-F/K(a，《2)計算Zr參量
首先獲得外加廣義載荷F (這里指外加裂紋局部的載荷或應力)，對于本實施例，
沒有彎曲應力產生，因此只需計算垂直于裂紋面的膜應力，具體通過以下公式計算
F = ^ = 2.7(28QQ + 45)=85 35 Mpa 25 2x45
根據獲得的外加廣義載荷(或應力)尸，由含軸向半橢圓裂紋圓筒體的極限載荷解 Fl，即可得到A參量的計算式如下
<formula>formula see original document page 10</formula>
式中- M為鼓脹系數，M = (l + 2^^)°5。 由此計算得到的對應于不同評定時間下的參量^的值示于表1 。
第五步，將上述得到的參量(Kr,Lr)作為狀態點放在失效評定圖中進行比較，以確 定失效評定點并判定是否安全
采用表1中的材料性能分別對應于裂紋起裂和擴展量A『lmm的評定點ar， &)， 放在失效評定圖中，結果如圖5所示。可以看出對應于半年、l年、2年和3年后的評 定點都位于失效評定曲線的下方，即安全區內。由此可以得出結論該設備在l年乃至 3年內的裂紋擴展量都不會超過lmm，因而是安全的。
而該反應器在1年后大修檢測中并沒有發現裂紋擴展，這與采用本發明的安全性評 定方法獲得的評定結果相吻合。
權利要求
1、一種高溫生產設備或部件缺陷的安全性評價方法，其特征在于包括以下步驟一、獲得生產設備或部件的材料在特定溫度下的蠕變應變一時間曲線，并基于蠕變應變一時間曲線建立對應于特定時間的應力應變曲線，即等時應力應變曲線；二、建立與時間相關的失效評定曲線圖首先通過自變量Lr，獲得不同的參考應力<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指等時應力應變曲線上對應于0.2％非彈性應變的應力；然后在所建立的等時應力應變曲線上得到對應于參考應力σref的參考應變εref，根據以下公式建立與時間相關的失效評定圖
2、 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，建立所述蠕變應變一時間曲線所需 的蠕變性能通過蠕變試驗機在特定溫度下進行試驗而獲得。
3、 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，建立所述蠕變應變一時間曲線所需 的蠕變性能通過査閱相關手冊或公開數據獲得。
4、 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟五中，若含缺陷結構的狀態點(Kr,Lr)落到失效評定曲線下方的安全區內，則可判定為當前設備或部件不會發生蠕變 斷裂失效。
5、 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟五中，若結構的狀態點落到失 效評定曲線的上方，則表明不能排除發生蠕變失效的可能性，需進一步維護和監控。
全文摘要
本發明公開了一種高溫生產設備或部件缺陷的安全性評價方法，包括獲得生產設備或部件的材料在特定溫度下的蠕變應變-時間曲線，并基于蠕變應變-時間曲線建立對應于特定時間的等時應力應變曲線；建立與時間相關的失效評定曲線圖計算確定反映部件發生斷裂失效程度的參數Kr，以及用于確定反映構件發生極限載荷失效程度的參量L_r，最后將上述得到的參量(K_r，L_r)作為狀態點放在失效評定圖中進行比較，以確定失效評定點并判定是否安全。本發明提供的技術方法可用于高溫生產設備或部件的制造及使用過程中缺陷的安全性分析，避免不必要的維修和保費，進而提高高溫生產設備檢修計劃制定的合理性。
文檔編號G05B19/048GK101178590SQ20071017050
公開日2008年5月14日 申請日期2007年11月16日 優先權日2007年11月16日
發明者涂善東, 王正東, 軒福貞 申請人:華東理工大學