多轴蠕变对超超临界机组关键部件寿命影响的研究
发布时间：2020-06-10 14:15
【摘要】：超超临界发电技术是洁净煤发电技术的优先选择,是我国在现阶段和今后很长一段时期内减少二氧化碳排放的最经济最有效的途径。为进一步增加节能减排的力度,各国正在研发蒸汽参数达700℃等级的先进超超临界技术,但蒸汽参数的提高,对超超临界机组关键部件材料的安全性和可靠性提出了更高的要求,同时也对设备的主要部件寿命设计和评估技术提出了更高要求,成为近年来洁净煤发电技术领域的研究热点。超超临界机组关键部件在高温下失效的最主要形式之一是蠕变,由于部件自身几何形状不规则且在运行过程中受到多种载荷的共同作用,基本上都处于多轴应力状态。而在机组设计时大多采用的是处于单轴应力状态的蠕变数据,按现有的方法得到的部件寿命预测结果有异于部件所处的实际情况,显然,这对超超临界机组的寿命评估和安全管理是不利的。因此,研究多轴应力状态下高温部件的蠕变行为、建立高温部件多轴蠕变本构模型,并用全尺寸部件实验进行验证,是揭示超超临界机组高温部件在多轴蠕变条件下寿命评估的关键科学问题,对超超临界机组关键部件的选材设计、制造、运行及维护都具有重要的意义。本论文针对多轴蠕变对超超临界机组关键部件寿命的影响,开展了一系列理论和实验研究,主要的研究工作和结论如下:(1)对600℃及以上超超临界机组蒸汽管道常用材料P92钢,开展了一系列不同条件下的圆棒试样单轴蠕变实验,为P92钢蠕变模型提供数据支持。基于连续损伤力学的 Kachanov-Rabotnov(K-R)模型改进了 Norton-Bailey(N-B)蠕变本构模型和Graham-Walles(G-W)蠕变本构模型,改进后的模型能够克服传统蠕变模型无法准确描述蠕变全过程的问题,并解决了 P92钢在温度高于600℃时蠕变实验中出现的最小蠕变速率和应力双对数之间的非线性关系的问题。通过与P92钢单轴蠕变实验结果的对比发现,两个模型均能准确预测P92钢单轴蠕变过程的三个阶段。(2)利用P92钢内压拉伸试样在不同内压和拉伸应力组合加载条件下可以形成不同的多轴度,开展了一系列多轴蠕变实验,研究了多轴应力对P92钢蠕变微观孔洞发展的影响,为P92钢多轴蠕变模型提供数据支持。通过引入多轴度和蠕变损伤,建立了 P92钢多轴蠕变本构模型,其中改进的N-B模型中,多轴度主要用于描述第一主应力和vonMises应力对损伤的贡献,改进的G-W模型中,多轴度主要用于描述静水应力(hydrostatic stress)和von Mises应力对损伤的贡献。通过与P92钢多轴蠕变实验结果的对比发现,两个模型均能较好的模拟P92钢多轴蠕变过程的三个阶段。(3)设计并搭建了全尺寸管道弯头蠕变实验系统,进行了厚壁和薄壁两种全尺寸管道弯头在平面内弯矩下的蠕变实验,对由小试件蠕变实验获得的多轴蠕变模型进行了修正和验证。对比实验结果发现,改进的N-B模型和改进的G-W模型均能较好的模拟P92钢管道弯头在平面内弯矩下的蠕变过程。(4)可以利用等时蠕变断裂面描述与单轴蠕变断裂时间相同的多轴蠕变在应力空间中应力状态的轨迹,推导了应力空间中多轴蠕变的等时蠕变断裂面在偏平面上的等时蠕变断裂轨迹的公式。利用P92钢单轴和内压拉伸多轴蠕变实验数据,提出了针对P92钢多轴蠕变的等时蠕变失效准则,通过P92钢全尺寸管道弯头在平面内弯矩作用下的蠕变实验结果进行了验证。利用多轴蠕变模型的有限元分析结果和偏平面上的等时蠕变断裂失效准则,提出了一种新的超超临界机组关键部件蠕变寿命的评估方法。(5)比较了现有的各国电站高温部件寿命设计和评估标准或推荐方法,计算了超超临界机组T型部件关键位置处的蠕变和疲劳寿命。结果发现,不同标准采用的寿命评估理论有差异,计算出的结果相差较大;在设计工况条件下,T型部件损伤的累积形式主要为蠕变损伤,疲劳损伤基本可以忽略不计。利用改进的G-W多轴蠕变模型分析了 T型部件在设计工况下前三个周期的蠕变行为,并利用超超临界机组关键部件蠕变寿命评估新方法对T型部件关键位置进行了蠕变寿命评估。
【图文】：
如式（１－１）。欧洲ＤＩＮ邋ＥＮ邋１２９５２－３／４标准、英国Ｒ５推荐标准和美国逡逑电力研究协会ＥＰＲＩ建议方法采用的是与材料无关的损伤界限值曲线，如式（１－２）。逡逑损伤界限值曲线如图１－２所示。逡逑Ｄ邋＝邋Ｄｆ＋Ｄｃ＜ｌ逦（１－１）逡逑Ｄ邋＝邋Ｄ邋ｆ邋＋邋Ｄｃ邋＝邋Ｉ逦（１－２）逡逑１．０－ｐ逦＝＝——｜逡逑〔＇＇逦逦９Ｃｒ１ＭｏＶ逡逑Ｖ逦－邋－邋２．２５ＣｒｌＭｏ／Ａｌｌｏｙ邋８００Ｈ逡逑０．８邋－邋Ｖ－邋、、逦逦３０４／３１６不锈钢逡逑．Ｖ．逦……材料无关的标准邋Ｉ逡逑ｒ＼逦Ｖ逦＊逡逑ｆ邋Ｖ逡逑０邋４邋￣邋Ｉ邋＊逦－逦＊．逦．．．．逡逑＾逦＇邋Ｖ．逦、＇？逡逑0．２＿逦ｕ逦？、．、、逦＇．逡逑＼逦逦邋“邋－－」：、、、：、逡逑0．0邋＿］逦逦，逦．．－心逡逑０．０逦０．２逦０．４逦０．６逦０．８逦１．０逡逑疲劳损伤逡逑图１－２不同标准的损伤界限曲线逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｄａｍａｇｅ邋ｌｉｍｉｔ邋ｃｕｒｖｅｓ邋ｏｆ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｓｔａｎｄａｒｄｓ逡逑综上所述，目前国内外对多轴蠕变寿命的研究在理论和实验两方面均已开逡逑展了大量的工作，并基于不同的理论提出了大量的蠕变寿命评估模型，部分模逡逑型还应用到电站部件寿命评估标准中。但这些模型大多是针对特定的材料，，对逡逑超超临界机组常用＿温材料Ｐ９２钢的Zf变二个阶段全过程的描述还有所欠缺，逡逑且得到的多轴蠕变模型均是基于实验室小试件蠕变实验数据，缺少全尺寸部件逡逑蠕变实验的验证。现有的电站机组寿命评估准则和方法均是基于弹性或理想弹逡逑塑性本构模型来分析部件的应力－应变关系
应用到Ｔ型部件在机组频繁启停工况下的寿命评估。高温蠕变实验、损伤逡逑演化规律和有限元分析结果互为验证，为超超临界机组关键部件的寿命评估提逡逑供理论指导。研究采用的技术路线如图１－３所示。逡逑多轴蠕变对超超临界机组关键部件寿命影响的研究逡逑Ｉ逡逑１邋＞逡逑寿命评估方法逦逦逦逦逦邋多轴蟥变研究￣￣逡逑１邋逦逦邋逦逦逡逑现有标准逦理论研宄逦实验研究逡逑丨邋Ｊ逡逑逦逦邋逦邋逦Ｉ逦Ｉ逦逡逑新的评估方法逦基于ＣＤＭ模型逦蠕变实验逦机理研宄逡逑Ｉ逦逦ｉ逦邋逦１逦邋逦逡逑}犚嗵牡沸棠Ｐ臀⒐坼义象け浔竟关庑筒问∈约笛楦宋义嫌邢拊治鲥澹驽巍危危履Ｐ湾巍蔚ブ崂戾我唬嘀崛浔浠礤义希苠澹澹牵啄Ｐ湾文谘梗戾义希埽插胃慕尾考危叽珏义希苠伟凉坼义系仁比浔涫у危芏嘀崛浔淠Ｐ湾稳叽绻艿劳溴涡形味嘀嵊α腿溴义
本文编号：2706405
【图文】：
如式（１－１）。欧洲ＤＩＮ邋ＥＮ邋１２９５２－３／４标准、英国Ｒ５推荐标准和美国逡逑电力研究协会ＥＰＲＩ建议方法采用的是与材料无关的损伤界限值曲线，如式（１－２）。逡逑损伤界限值曲线如图１－２所示。逡逑Ｄ邋＝邋Ｄｆ＋Ｄｃ＜ｌ逦（１－１）逡逑Ｄ邋＝邋Ｄ邋ｆ邋＋邋Ｄｃ邋＝邋Ｉ逦（１－２）逡逑１．０－ｐ逦＝＝——｜逡逑〔＇＇逦逦９Ｃｒ１ＭｏＶ逡逑Ｖ逦－邋－邋２．２５ＣｒｌＭｏ／Ａｌｌｏｙ邋８００Ｈ逡逑０．８邋－邋Ｖ－邋、、逦逦３０４／３１６不锈钢逡逑．Ｖ．逦……材料无关的标准邋Ｉ逡逑ｒ＼逦Ｖ逦＊逡逑ｆ邋Ｖ逡逑０邋４邋￣邋Ｉ邋＊逦－逦＊．逦．．．．逡逑＾逦＇邋Ｖ．逦、＇？逡逑0．２＿逦ｕ逦？、．、、逦＇．逡逑＼逦逦邋“邋－－」：、、、：、逡逑0．0邋＿］逦逦，逦．．－心逡逑０．０逦０．２逦０．４逦０．６逦０．８逦１．０逡逑疲劳损伤逡逑图１－２不同标准的损伤界限曲线逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｄａｍａｇｅ邋ｌｉｍｉｔ邋ｃｕｒｖｅｓ邋ｏｆ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｓｔａｎｄａｒｄｓ逡逑综上所述，目前国内外对多轴蠕变寿命的研究在理论和实验两方面均已开逡逑展了大量的工作，并基于不同的理论提出了大量的蠕变寿命评估模型，部分模逡逑型还应用到电站部件寿命评估标准中。但这些模型大多是针对特定的材料，，对逡逑超超临界机组常用＿温材料Ｐ９２钢的Zf变二个阶段全过程的描述还有所欠缺，逡逑且得到的多轴蠕变模型均是基于实验室小试件蠕变实验数据，缺少全尺寸部件逡逑蠕变实验的验证。现有的电站机组寿命评估准则和方法均是基于弹性或理想弹逡逑塑性本构模型来分析部件的应力－应变关系
应用到Ｔ型部件在机组频繁启停工况下的寿命评估。高温蠕变实验、损伤逡逑演化规律和有限元分析结果互为验证，为超超临界机组关键部件的寿命评估提逡逑供理论指导。研究采用的技术路线如图１－３所示。逡逑多轴蠕变对超超临界机组关键部件寿命影响的研究逡逑Ｉ逡逑１邋＞逡逑寿命评估方法逦逦逦逦逦邋多轴蟥变研究￣￣逡逑１邋逦逦邋逦逦逡逑现有标准逦理论研宄逦实验研究逡逑丨邋Ｊ逡逑逦逦邋逦邋逦Ｉ逦Ｉ逦逡逑新的评估方法逦基于ＣＤＭ模型逦蠕变实验逦机理研宄逡逑Ｉ逦逦ｉ逦邋逦１逦邋逦逡逑}犚嗵牡沸棠Ｐ臀⒐坼义象け浔竟关庑筒问∈约笛楦宋义嫌邢拊治鲥澹驽巍危危履Ｐ湾巍蔚ブ崂戾我唬嘀崛浔浠礤义希苠澹澹牵啄Ｐ湾文谘梗戾义希埽插胃慕尾考危叽珏义希苠伟凉坼义系仁比浔涫у危芏嘀崛浔淠Ｐ湾稳叽绻艿劳溴涡形味嘀嵊α腿溴义
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