专利名称：高温部件蠕变寿命的测试方法
技术领域：
本发明涉及一种发电厂高温下使用部件的蠕变寿命的测试方法。
对于前者，人们研究的较多，而对于后者，国内外的系统研究很少，高温连续服役后材料的抗蠕变能力改变的规律是什么，如何定量而连续的描述部件材料老化过程对使用寿命的影响等关键问题，一直没有确切的解释和相应理论模型。人们在处理此类问题时一般认为材料的本质蠕变寿命总寿命是基本不变的，即可以用传统残余寿命＝新材料总蠕变寿命-已使用时间的简单关系来描述使用后的残余寿命。研究几乎全部集中在温度、应力等因素对新材料总蠕变寿命影响的模型探讨上，著名的Larson-Miller法或K-D法，均是普遍采用的理论模型。实际上，本质蠕变寿命是强时间相关的，不是一成不变的，其变化是随着材料的逐渐老化而逐渐降低的过程，是与材料状态密切相关的变量，这一基本观点越来越被大家所认识。近年来，随着部件老化规律的逐渐揭示，材料老化对部件使用寿命的影响也越来越受到重视，迫切需要开发新的更为客观反映寿命本质的高温部件寿命预测技术。以往国际上通用的高温部件寿命评估方法即Larson-Miller法或K-D法，Larson-Miller法基本方程为式(1)的形式，即T(C+logtr)＝f(σ)这一模型公式考虑了温度T、应力σ、寿命tr之间的三变量相互关系，用于研究新材料的蠕变特性，是合理的。但这一模型未考虑部件材料的老化过程，因而导致采用这一方法评估长期服役部件的寿命时其结果存在严重的缺陷与误差，采用传统的L-M方法得出的结果远高于部件的真实寿命，如电厂过热器管实际使用寿命常常远低于理论计算的结果。由于材料的老化状态未加考虑，只能被动地采用安全系数进行修正，而采用多大的安全系数最合适是不确定的，因此使得人为因素影响急剧放大，预测结果与实际相比必然存在很大的误差，这种误差的不确定性，直接导致了寿命评估结果可靠性低的后果。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是首先采用模拟爆管试验机或持久强度试验机，选择不同老化程度及未老化的新材料为样品，在480～630℃系列温度变化、10～110MPa系列应力变化下对样口进行蠕变断裂加速模拟试验，得到不同的蠕变断裂时间即寿命时间的结果；采用多项式回归分析法对数据进行处理，首先得到未老化新材料的模型关系式T(20+logtr)＝Ca+A1logσ+A2log2σ+A3log3σ，式中A1，A2，A3为Larson-Miller常数、T为温度、σ为应力，同时得到同一材料老化因子Ca的初始值；采用老化特征参数测量方法定量描述不同样品的老化程度，将每一样品的试验温度代入T(20+logtr)＝Ca+A1logσ+A2log2σ+A3log3σ得到每一样品唯一的老化因子Ca值，并统计老化特征参数与老化因子值Ca之间的表达式Ca＝f(HB、σb、E——)式中HB为布氏硬度、σb为材料的抗拉强度、E为材料组织变化的级别，根据其中某一个特征参数的检验结果即可换算出老化因子，式中A1，A2，A3为Larson-Miller常数；利用材料老化因子Ca对经典L-M参数法模型进行修正，采用回归分析法形成温度T、应力σ、寿命时间tr、老化因子Ca之间的四变量关系，即将Larson-Miller法的基本方程T(C+logtr)＝f(σ)进行修正，得到材料老化程度对蠕变寿命的影响表达式T(C+logtr)＝f(σ)+Ca；将每一个样品的试验温度T、应力σ和老化程度即老化因子Ca代入，T(C+logtr)＝f(σ)+Ca中即可得到该试样的蠕变使用寿命。
本发明还可采用老化特征参数测量方法定量描述不同样品的老化程度，还可将每一样品的试验硬度代入T(20+logtr)＝Ca+A1logσ+A2log2σ+A3log3σ中得到每一样品唯一的老化因子Ca值，并统计老化特征参数与老化因子值Ca之间的表达式Ca＝A+B(HB)n式中A、n、B为材料常数；利用材料老化因子Ca对经典L-M参数法模型进行修正，采用回归分析法形成温度T、应力σ、寿命时间tr、老化因子Ca之间的四变量关系，即将T(20+logtr)＝Ca+A1logσ+A2log2σ+A3log3σ进行修正得到材料老化程度对蠕变寿命的影响表达式T(20+logtr)＝A+B(HB)n+A1logσ+A2log2σ+A3log3σ，将每一个样品的试验温度T、应力σ和老化程度即老化因子Ca代入T(20+logtr)＝A+B(HB)n+A1logσ+A2log2σ+A3log3σ中即可得到该试样的蠕变使用寿命，其中C为材料常数。
由于本发明将可定量测量的老化特征参数作为影响寿命的与时间相关的变量因子，通过试验模拟其影响规律，从而得到了高温部件蠕变寿命的老化因子修正结果。
选择实际使用后得到的不同老化程度的12Cr1MoV钢管样，首先采用定量老化程度测试方法评定每一根管样的老化程度，未使用新材料的老化程度为零，蠕变失效管样的老化程度为100％。
对每一老化程度的样品，在恒定温度T下进行变应力模拟试验和恒定应力应力σ下的变温度模拟试验，得到一组蠕变断裂时间tr数据。示于

图1。
采用多项式回归分析的统计方法对数据进行分析，首先给出新材料的统计关系式，得到老化因子初始值(老化程度为零)和其他系数；分别将每一模拟试验样品温度T、应力σ、断裂寿命时间数据代入T(20+logtr)＝Ca+A1logσ+A2log2σ+A3log3σ，得到唯一的老化因子Ca值；采用回归分析方法，统计给出每一样品的老化因子与老化程度之间的关系，示于图2。
图1中灰色数据点为新材料的试验数据，黑色数据点为使用后不同老化程度状态下材料的试验数据，显然，老化数据与新材料数据不在同一个数据带内，老化程度越明显，试验数据越向下移动而远离数据曲线。这表明，采用原始新材料得到的寿命预测数据曲线，只能预测新部件的使用寿命，不能直接用来外推已老化材料的断裂寿命，其误差将随老化程度的增加而逐渐变大，而采用本发明则可以较好的模拟实际情况，评估计算结果也更准确。
图2给出试验得到的老化因子与材料抗拉强度之间的关系曲线，其中横坐标为不同样品的老化特征参数抗拉强度值，纵坐标为老化因子值。将试验结果代入T(20+logtr)＝Ca+A1logσ+A2log2σ+A3log3σ，即可得到确切的12Cr1MoV钢蠕变寿命计算公式T(20+logtr)＝A+B(HB)n+A1logσ+A2log2σ+A3log3σ，将每一个样品的试验温度T、应力σ和老化程度即老化因子Ca代入T(20+logtr)＝A+B(HB)n+A1logσ+A2log2σ+A3log3σ中即可得到该试样的蠕变使用寿命，式中tr为寿命时间，A1，A2，A3为Larson-Miller常数、T为温度、σ为应力，Ca为老化因子的初始值，A、n、B为材料常数。
实施例2
对象是某电厂已实际使用8万小时严重老化的高温过热器部件，由于使用环境的差异，管排的34根过热器管的老化程度有明显的差别，造成其残余寿命也有明显差异。
采用本发明对每根过热器管的老化程度进行定量评定；采用锅炉管金属壁温的间接评价方法，对每根过热器管的金属壁温当量温度进行定量评定；采用锅炉管周向应力计算方法，对每根过热器管的实际周向应力进行定量评定。
分别采用两种新旧方法对同一管排的残余寿命进行了评估，结果示于图3。
由结果可知，采用不考虑部件老化状况的传统L-M方法，依据温度、应力、断裂时间的关系式，每一根管子的残余寿命评估结果(图中灰线)在6～101万小时之间，显然与实际情况中大多数过热器管使用寿命不超过20万小时的事实不符。
而采用本发明的方法，结果(图中黑线)为2～6万小时，比较接近实际情况。具体的证明是，其中一根残余寿命预测结果为8600小时，结果在9000小时发生开裂泄漏事故，其误差仅几百小时，表明评估结果已十分接近电厂实际情况。
图3采用新旧两种方法对实际使用管排中的34根过热器管分别进行评估的结果示意图，其中横坐标为1～34根管子的编号，纵坐标为计算评估的每一管子对应的残余寿命结果(小时数)。
实施例3在2002年11月采用老化因子修正法对华能淮阴电厂2号炉对流过热器进行了残余寿命评估，基本方法同上。
其中过热器热段下弯头部位管排共84根管子的寿命评估结果如图4所示。由结果可知，实际使用6万小时后，部分管段的残余寿命已低于2万小时，个别管子的残余寿命已仅几千小时，必须尽快进行更换。电厂采纳了这一建议，已将过热器热段进行了整体更换，保证了设备运行的可靠性。
图中横坐标为1～84根管子的编号，纵坐标为计算评估的每一管子对应的残余寿命结果(小时数)。
实际评估实践证明，采用本发明的方法是准确、安全的。本方法不仅可以应用于高温下使用部件如过热器、再热器、联箱、管道、汽轮机转子、汽缸、螺栓等的蠕变寿命评估，而且可以应用于其它行业的高温部件状态评估和寿命评估工作中。
权利要求
1.一种高温部件蠕变寿命的测试方法，其特征在于1)首先采用模拟爆管试验机或持久强度试验机，选择不同老化程度及未老化的新材料为样品，在480～630℃系列温度变化、10～110MPa系列应力变化下对样口进行蠕变断裂加速模拟试验，得到不同的蠕变断裂时间即寿命时间的结果；2)采用多项式回归分析法对数据进行处理，首先得到未老化新材料的模型关系式T(20+logtr)＝Ca+A1logσ+A2log2σ+A3log3σ，式中A1，A2，A3为Larson-Miller常数、T为温度、σ为应力，同时得到同一材料老化因子Ca的初始值；3)采用老化特征参数测量方法定量描述不同样品的老化程度，将每一样品的试验温度代入T(20+logtr)＝Ca+A1logσ+A2log2σ+A3log3σ得到每一样品唯一的老化因子Ca值，并统计老化特征参数与老化因子值Ca之间的表达式Ca＝f(HB、σb、E——)式中HB为布氏硬度、σb为材料的抗拉强度、E为材料组织变化的级别，根据其中某一个特征参数的检验结果即可换算出老化因子，式中A1，A2，A3为Larson-Miller常数；4)利用材料老化因子Ca对经典L-M参数法模型进行修正，采用回归分析法形成温度T、应力σ、寿命时间tr、老化因子Ca之间的四变量关系，即将Larson-Miller法的基本方程T(C+logtr)＝f(σ)进行修正，得到材料老化程度对蠕变寿命的影响表达式T(C+logtr)＝f(σ)+Ca；5)将每一个样品的试验温度T、应力σ和老化程度即老化因子Ca代入T(C+logtr)＝f(σ)+Ca中即可得到该试样的蠕变使用寿命。
2.根据权利要求1所述的高温部件蠕变寿命的测试方法，其特征在于所说的采用老化特征参数测量方法定量描述不同样品的老化程度，还可将每一样品的试验硬度代入T(20+logtr)＝Ca+A1logσ+A2log2σ+A3log3σ中得到每一样品唯一的老化因子Ca值，并统计老化特征参数与老化因子值Ca之间的表达式Ca＝A+B(HB)n式中A、n、B为材料常数；利用材料老化因子Ca对经典L-M参数法模型进行修正，采用回归分析法形成温度T、应力σ、寿命时间tr、老化因子Ca之间的四变量关系，即将T(20+logtr)＝Ca+A1logσ+A2log2σ+A3log3σ进行修正得到材料老化程度对蠕变寿命的影响表达式T(20+logtr)＝A+B(HB)n+A1logσ+A2log2σ+A3log3σ，将每一个样品的试验温度T、应力σ和老化程度即老化因子Ca代入T(20+logtr)＝A+B(HB)n+A1logσ+A2log2σ+A3log3σ中即可得到该试样的蠕变使用寿命，其中C为材料常数。
全文摘要
高温部件蠕变寿命的测试方法，采用模拟爆管试验机或持久强度试验机，在系列温度及应力下对不同老化程度及未老化的新材料进行蠕变断裂加速模拟试验，得到不同的蠕变断裂时间，采用多项式回归分析法对数据进行处理，得到未老化材料关系式T(20+logt
文档编号G01N3/08GK1477383SQ0313431
公开日2004年2月25日 申请日期2003年6月23日 优先权日2003年6月23日
发明者李耀君 申请人:国电热工研究院