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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
2、Method Summary Of Pipeline Elbow About Ultra Supercritical Unit Liu 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 pip
3、ing under 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 exp
4、osited under 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 sy
5、stem about 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 supercritical 1、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24
6、MPa的机组称为超临界压力机组，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
7、后晶粒中的合金元素偏晰并向晶界转移,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-depe
8、ndent）以及空间多轴应力状态（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 1 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。 2、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
9、，在温度和应力作用下，材料的显微结构、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
10、段加大的应力作用，其承受的主要应力有： 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 2 累年致。 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
11、命的因素很多:持久强度、蠕变极限、疲劳强度、腐蚀的交互作用等。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 3 据。 3、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 55通过试验获取其在110h甚至210h下的持
12、久强度数据是极为困难的，一般采用提高应力 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。 4 3.1 LarsonMiller预测法 Larson-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
13、据Larson-Miller的研究认为:对各种材料和应力水平条件,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：?f(tr,T,?)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
14、并得： ? f(?)?c1?c2lg?c3lg?2?c4lg?3 (2) T(lgTr?c)?c1?c2lg?c3lg?2?c4lg?3 (3) 这样就可通过对加速蠕变实验的持久数据进行统计分析建立上述函数关系,再用工作温度 3和应力外推得到Tr作为管道的寿命。 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： d?P(?0.5) （4） 2t 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 5值,即在此温度和应力下的使用寿命。 63.2 ZParameter法（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） P?z1?z2lg?z3? 即，（6） T(lgTr?C0)?z1?z2lg?z3? 对于CrMoV钢C0取常数20，在12Cr1Mov钢中的LM参数为： P?26.6?2.49lg?0.01? （7） 用
