CN1003189B - 估计机械构件预期寿命的方法与装置 - Google Patents

Abstract

估计承受反复载荷的机械构件的预期寿命的方法与装置。利用试验材料样品预先获得被试材料中形成的最大裂纹长度与该材料寿命比之间的关系，根据各个材料采样表面上形成的每一条最大裂纹长度，利用极值统计法，估计出材料表面上形成的最大裂纹长度。根据估计的最大裂纹长度与寿命比估计出机械构件的预期寿命。

Description

估计机械构件预期寿命的方法与装置

本发明涉及估计承受反复载荷的机械构件的预期寿命的方法与装置，更具体地说，它涉及估计在高温环境中承受反复载荷或波动载荷的机械构件的预期寿命的方法与装置。

在高温环境中承受反复载荷的机械构件包括发电厂的涡轮机。在发电厂的涡轮机中，当它反复启停或者承受波动载荷时，涡轮机的主要机械构件同时受到热疲劳与蠕变的损害。其结果是由于疲劳与蠕变引起的累积损害，可能会使构件产生裂纹，从而降低构件的强度。如果这样，除非从它的强度出发估计构件的预期寿命，否则设备可能会断裂，在发电厂引起很大的事故。考虑到这一点，从强度出发估计涡轮机机壳、转子以及各种阀门的预期寿命是十分重要的。

在设计这类设备时，以往的做法都是根据使用材料的蠕变强度确定一个较高的安全系数，以提高可靠性。这样，对于发电厂设备的预期寿命几乎都没有作过估计。然而，目前正在运行的油燃发电厂中大约有一半已经超过它们的设计使用期限，现在需要立即决定它们是否还能够留用，或者用新的设备来替换。因此，当前很需建立一种能够估计机械构件预期寿命的可靠方法。

此外，对电力需求量的变化也要求为满足基本负载而设计的发电厂能够按启动与停机的方式工作，以应付负载的变化。可以预料，当工作条件变得恶劣时，发电厂的使用寿命自然会缩短。因此，估计这类发电厂的预期寿命是十分重要的。

如果可以用非破坏性试验来决定涡轮机机壳、主阀门与调节阀所遭受的损害以估计预期寿命，发电厂的可靠性将大大提高。然而，迄今未曾提出一种成功地达到此目的的方法与装置。

举例来说，在日本专利（已审查的公告号21169/80与25842/83）中曾提出关于涡轮机转子的一些想法，它利用一个系统将转子附近的蒸汽与汽油温度以及机壳内部表面的温度检出，根据检出的温度计算转子可能承受的热应力，并根据热应力的变化率与绝对值控制涡轮机的运转，以避免在转子中产生过高的热应变。

上述系统旨在避免涡轮机转子中产生过高的热应变，防止转子的实际使用寿命短于设计使用寿命，但不能在运行的任何时刻估计预期寿命。尤其是那些工作条件很差的发电厂，这个系统不可能估计转子的预期寿命。

以线性破坏动力学为基础的“SAFER”是众所周知的作为估计蒸汽涡轮机转子预期寿命的一个代号（code）（电力中心研究所报告，研究报告号：283021，1983年12月）。

另外，还报导过一个用电化学法作为非破坏性蒸汽涡轮机老化诊断技术的例子（见电气现场技术，on-the-Site Technolog of Electrncity，第23卷，261期）。

这些有关先有技术的各种建议所遇到的问题是：虽然它在某种条件下能获得某些可靠的结果，但在其它条件下往往产生相悖的结果并引起错误。

本发明旨在提供一种以非破坏方式高精度估计机械构件预期寿命的方法与装置，这些构件承受反复或波动的载荷。

本发明根据了这样一个发现：在高温环境内承受反复载荷的构件中，容易产生蠕变，在开始工作的最初阶段，构件表面产生很小的裂纹，裂纹发展情况与构件的使用寿命紧密相关。

本发明最突出的特点是，根据构件表面产生的最长裂纹长度估计构件的预期寿命。构件表面上产生最长裂纹长度根据有限采样面上的最长裂纹用统计法获得。

图1曲线表示样品在断裂前施加反复载荷的次数，以及样品表面出现微小的裂纹之前施加反复载荷的次数;

图2、3的曲线表示裂纹的发展;

图4表示裂纹长度与寿命比之间的关系;

图5曲线表示表面上的裂纹条数与该表面承受反复载荷次数之间的关系;

图6与图7的曲线表示累计频度与裂纹长度之间的关系;

图8表示裂纹长度与寿命比之间的关系;

图9是涡轮机机壳的剖面图;

图10是主蒸汽管的详图;

图11是按本发明提出的装置基本结构的框图;

图12中的图示出了被估计对象的表面上分布的裂纹;

图13是本发明其中一个实施方案中的装置图;

图14与图15是本发明另外两个实施方案中的装置图。

在详细介绍本发明的最佳实施方案之前，先说明一下本发明关于估计预期寿命的方法所根据的原理。

图1中的曲线表示光滑的样品在650℃大气温度中出现裂纹前被施加的反复载荷的次数，以及断裂前施加反复载荷的次数，样品为奥氏体不锈钢（SUS316），用于制成蒸汽涡轮机的主蒸汽管与其它部件。在这种情况下，应变速度ε为10^-3/秒，引起应变的载荷波形为三角波，因此只允许应变以上述应变速度增加，当到达预定的应变范围△ε时允许应变减少。在图中，白色小块表示使每个样品表面上最大裂纹达到0.05毫米的反复加载次数，黑色小块表示使每个样品断裂的反复加载次数。

这一曲线表明，当应变范围△ε为1%时，反复加载次数Nf达到大约200时表面出现大小为0.05毫米的裂纹，反复加载次数Nf达到1000时发生断裂。

从图1可清楚看到，当反复加载次数为引起断裂的反复加载次数的10～20%时，不论应变范围△ε的数值是多少，终是会产生大小为0.05毫米的裂纹。换句话说，这说明出现0.05毫米的微小裂纹时，如果连续施加反复载荷，当反复加载次数达到引起微小裂纹的反复加载次数的5～10倍后，就会发生断裂。

这说明微小裂纹的产生与发展是决定样品断裂前寿命的主要因素。因此，如果裂纹产生与发展的过程能够进行定量地分析，对剩下的使用寿命所作的估计，就可以大大提高精度。

图2以应变范围△ε为参数，示出了微小裂纹的发展情况。采用的样品为不锈钢（SUS316），应变速度ε为2×10^-3/秒，载荷波为三角波。

在图2所示的图形中，纵座标表示样品表面上出现的裂纹长度，以对数尺度表示，横座标为反复加载次数。从图可见，不论变形范围怎样，裂纹发展过程可近似地用直线表示。换句话说，这说明裂纹长度的对数与反复加载次数呈线性的关系。

高温环境中的使用寿命在很大程度上取决于应变速度与载荷波形。图3示出了在各种载荷波形情况下裂纹的发展情况。图3给出了用F-F、S-S、S-F、F-S与“保持390秒”五种载荷波形所作试验的结果。这些波形详述于下：

（Ⅰ）F-F 以ε＝2×10^-3/秒的应变速度朝一个方向加载，以同样速度用同样载荷朝反方向加载。

（Ⅱ）S-S 以ε＝5×10^-5/秒的应变速度朝一个方向加载，以同样速度用同样载荷朝反方向加载。

（Ⅲ）S-F 以ε＝2×10^-3/秒的应变速度作正向加载，以ε＝5×10^-5/秒的应变速度作反向加载。

（Ⅳ）F-S 此波形与（Ⅱ）节所示的波形相反。

（Ⅴ）保持390秒 以阶跃方式加载，保持390秒，然后用同样载荷朝反方向加载。

图3示出的实验结果说明，样品断裂前寿命在很大程度上取决于在各种载荷波作用下微小裂纹的发展情况，这些载荷包括一般认为蠕变损害较显著的“保持390秒”以及锯齿形波F-F、S-S、F-S与S-F。甚至在同时受到疲劳与蠕变损害的样品中，裂纹长度的对数log2a与反复加载次数N基本上仍然能保持近似线性关系，它们之间的关系为：

log2a＝C·N （1）

因此，裂纹的发展速度da/dN，可表示为：

da/dN＝C·a （2）

假定在表示微小裂纹发展过程的（2）式中，裂纹的初始长度为50微米，相当于晶粒的直径，引起样品断裂的最终长度为10毫米，则可从（2）式获得下式：

${\∫}_{\mathrm{0.05}}^{\mathrm{10}}\frac{1}{a}\mathrm{da=G.}{\∫}_{\mathrm{No}}^{\mathrm{Nf}}\mathrm{dN}$

（3）

No是裂纹形成寿命（形成50微米初始长度的裂纹之前反复加载的次数），它表示发生断裂之前总寿命的最初阶段。因此，早期阶段可以忽略，No可认为等于零。这一假定是合乎逻辑的，因此长度为几微米到几十微米的裂纹，通常都是由于加工不慎或表面粗糙，使用之前就在机械构件的表面上存在的。

（5）

上式指出，如果能确定裂纹长度，则寿命比N/Nf或预期寿命就可以估计出来。然而，如果C′的影响较大，就可能使估计的预期寿命产生很大的误差。

因此，需要设法在各种条件下实测寿命比与裂纹发展之间的关系。获得的结果示于图4，其中采用与图3所示的标记具有同样意义的标记，每种场合下的应变范围示于括号内。在图4中，RT表示应变是在室温下由F-F载荷波引起的，预蠕变（Precrept，10公斤/平方毫米，100小时）表示在括号内所示的条件下样品预先已经产生蠕变。

这些实试结果说明，尽管加载条件变动，log2a与N/Nf之间的关系在变化为2倍的范围内是线性的。

这一发现奠定了本发明关于预期寿命估计法的基础。图4所示的裂纹长度表示主裂纹（引起样品断裂的裂纹）的发展状况。然而在实际中，在构件表面可以产生许多条微小的裂纹，逐渐增长，或者互相合并成大的裂纹，直到断裂为止。图5示出了在样品表面上某一特定面积（5×5平方毫米）内产生的裂纹数的变化。在图中可以看到，裂纹是分别产生的，其数目不断增加直到反复加载次数达到400为止。然而，当反复加载次数超过这一数字，裂纹就彼此合并，尺寸增大，而该特定面积内的裂纹数开始减少。这些微小裂纹组的行态可仍是引起实际损害发展的直接原因。因此，为了根据图4所示的裂纹长度与寿命比之间的关系通过对微小裂纹组的统计处理来估计预期寿命，提出了一种从不同长度的全部裂纹中确定最大裂纹长度的方法。

为了证实可以用数理统计法来处理裂纹长度的分布，进行了使裂纹长度服从韦氏概率分布的试验，如图6所示。从图可知，裂纹长度近似于韦氏分布。机械构件的强度，可以根据全部裂纹分布中最大裂纹的长度来决定。因此，将已检出的微小裂纹组中最大的裂纹定义为主裂纹，就可以将主裂纹的大小看作为构件在该特定时刻遭受的损害程度的参数。这样，当确定设备所遭受的实际损害程度后，就可以根据设备采样表面上的裂纹分布用极值统计法估计被检范围内最大裂纹的长度。

更具体地说，最大值分布是根据Combel分布确定的，它是双重指数型分布，可用下式表示：

Fx（X）＝exp〔-exp（-x-λ/a）〕 （6）

其中X：一个样品中的最长裂纹的长度作为极值的变量。

λ：位置参数。

α：测量参数。

作为确定参数λ与α的方法，可采用极值计算法，根据采样数据采用线性无偏估值法。作为一种图解法，可采用利用概率纸的方法。在实验中采用了概率纸法。其结果示于图7，这是一张极值统计纸，纵座标为累计频度F（y），横座标为以算术尺度表示的裂纹长度2a。图中右侧纵座标是所谓再现时间T，用来估计被检范围内最大裂纹的长度。T表示为一个采样面积与设备的被检面积之比。

图8示出了用上述方法估计的最大裂纹长度与实测最大裂纹长度的比较结果。在图8中，黑点表示根据估计的最大裂纹长度获得的寿命比，白方块表示根据整个被检表面上测得的最大裂纹长度获得的寿命比。可以看出，估计值与实测值相符。

因此可以肯定，根据微小裂纹的分布采用极值统计法来估计最大裂纹长度的方法具有很高的精度，根据上述及图4所示的裂纹长度与寿命比之间的关系可用此法来估计最大裂纹的长度，从而可估计出预期寿命。

上面已指出，可能引起断裂的裂纹长度为10毫米。然而并非所有构件达到这个数字时都会发生断裂，根据构件种类，某些构件甚至裂纹超过这一长度时也许还有一段较长的使用寿命。因此，用本发明的方法估计预期寿命时，预先要设定一些表示各种构件使用寿命极限的裂纹长度。

使裂纹大小达到断裂前使用寿命临界值的反复加载次数随材料的质量与强度而变。因此，如果用同样材料的样品在某个应变范围内获到Nf值，并预先获得图4所示的寿命比（N/Nf）一裂纹长度特性，则有可能根据最大裂纹长度获得构件的现在寿命比。

现在，介绍将上述估计法付诸实现的有关装置。在目前情况下，被选的估计对象是涡轮机机壳。

图9是蒸汽涡轮机高压级的涡轮机机壳，如图所示，由上壳1与下壳2组成。高温、高压的主蒸汽流5，通过调节气阀室3从轴向流入机壳，高压乏汽6流入回热器（没有示出），在这里将乏汽加热到高温与高压，作为重热蒸汽7流入中压级。经过中压级后，重热蒸汽7中的大部份以中压乏汽进入低压级，余下部分作为排汽9从机壳排出。

这类机壳是一种经受高温、高压蒸汽的机械构件，当蒸汽涡轮机启动停机时，由高温蒸汽引起的构件内层与层之间温度的剧烈变化，构件承受很大的热应力。因此，机壳同时受到由启动停机时反复作用的热应力引起的热疲劳损害以及由持续加载或内部高温压力引起的蠕变损害。

在本发明提出的方法中，先检查经受蠕变与疲劳的高温构件表面上的微小损害，决定损害的程度，并根据损害检测收集的数据估计构件的预期寿命。当本发明用于上述蒸汽机机壳时，检查的对象只局限于机壳上被认为受损害严重的一个区域。检测区域可这样选定：根据整个机壳的作用应力分析结果，或者依靠以往的研究成果，确定作用到机壳的最大应力的位置。一旦确定检测区域后，就可确定区域内几个采样位置上的损害。在这个实施方案中，主蒸汽管中的进口部分被选为被检测的区域，这是蒸汽机机壳中承受很大应力的部位之一。

图10是主蒸汽管11的进口部分，它通过焊缝12与蒸汽涡轮机的上壳1相接，这一部分经受高压高温蒸汽5。涡轮机启动停机时由于在厚度方向层与层之间的温度变化，热应力反复地作用在焊缝12。尤其是与焊缝12毗接的区域13内应力集中，因为材料与结构在这里是不连续的。这样，很大的载荷反复作用到区域13。所以区域13所承受的蠕变与疲乏被认为比其它区域严重。根据本发明实现预期寿命估计法的装置，其基本结构可用图11来说明。标号为14的方框是用来检测被检区域13表面上从几微米到几毫米的裂纹分布的装置。检测器14的作用是在预定的被检面积内完成随机采样。图12例举了一个微小裂纹的分布，它是通过研究区域表面在使用寿命的初期承受650℃高温蠕变与疲劳时发生的情况获得的。标号为15的方框是处理机，用来检出输入处理机的各种采样微小裂纹分布中裂纹长度的极值，并根据几次采样的极值用极值统计法估计被检区域中存在的最大裂纹的长度，被检区域比进行随机采样的面积大几倍到几十倍。控制处理机15的软件可以包括用线性无偏估值法估计极值统计分布参数的程序。处理机15还完成X²试验或Kolmoaorov Smirnov试验，从统计学的观点对采样数据进行试验以完成合适性试验，从而可以决定被研究的采样数据能否用来代表某一分布的采样，以进一步确定数据数目与采样次数的合适性。如果合适性试验的结果是否定的，则处理机15完成一次反馈操作，使检测器14再次进行采样。当数据数目与采样次数被确定为合适时，处理机15产生一个估值，送入确定器16，估计损害程度并算出预期寿命，送入显示器17，显示出最大裂纹长度以及由此得到的方差值与预期寿命。

图13示出了将本发明提出的预期寿命估计法付诸实现的具体实施装置，它利用一个带放大镜系统的电视摄象机作为检测主蒸汽管焊缝表面裂纹的检测器。检测器18中有一个小型工业摄象机21，包括一组放大系数可在20～200X之间变化的放大镜19与高灵敏度图象传感器20，例如固态图象形成部件，可以检出输入视域内的图象，并将光学图象转换成视频信号。电视摄象机21位于检测器18的中心部分，光源22安排在图象传感器20的四周，发射的光线经位于检测器18前面下方的小镜22a反射，以45度的角度照亮被检焊缝的部分表面，以便于检测微小的裂纹。视频信号从上述结构的检测器18送入图象分析系统23，对图象进行处理。对输入图象设定一个阈值，如图12所示，这样就对图象的模糊部分进行处理，在24将图象变换成二进制图象。接着，对图象进行边缘处理，决定图象中全部微小裂纹的长度，并记以示于25的数字。将微小裂纹以数字方式记录的数据26，由处理机27作统计处理，它可能是一台个人计算机，根据采样获得被检区域表面上存在的最大裂纹的长度。此后，根据最大裂纹的长度数值估算预期寿命，并将估计值输出到阴极射线管显示器28，以供肉眼检查。

在图14所示的装置中，利用固态图象形成部件18与带有放大镜19的电视摄象机，可使检测器的体积更为紧凑。为了处理来自检测器29的输入信号，配置了一个小型的预期寿命估计器30，它包括一组微处理机与显示器31。利用上述结构的检测器18，操作人员可以一边获得任选部位上的损害采样，一边监视显示器31显示的输入图象。

在图15所示的装置中，检测器18与磁性裂痕探测器33与34相联。采用此装置时，被检区域的表面被磁化。如果表面上有一个裂痕，它将阻止磁力线通过，产生裂痕处的漏磁通将在那里形成一个小磁极。在裂痕处撒以细小的铁粉后，铁粉被磁极吸引，使铁粉聚集在一起。为了便于观察被检区域表面上铁粉聚集的图形，使用的铁粉可涂以荧光色，利用紫外线生辉来完成检查。

还有一种更特殊的方法是，采用图15所示的装置时，被检区域喷以含磷的铁粉溶液，利用电源34与电极33来磁化表面。上述结构的检测器18与电极33相接，用荧光灯作为光源使被检区域生辉。利用图15的装置可以十分方便地来研究微小裂纹的分布。

从以上叙述可知，利用本发明可以根据构件在寿命初期遭受到的微小损害来估计机器构件的预期寿命。因此，本发明有可能避免本将发生的各种事故，以保证工厂能安全地运行。

Claims (12)

1、估计承受反复载荷的机械构件的预期寿命的方法，这一方法包括这些步骤：

用实验方法预先确定被估计的材料中裂纹长度与材料寿命比之间的关系;

确定材料表面产生的最大裂纹的长度;以及

根据材料中产生的裂纹长度与材料寿命比之间的关系，从最大裂纹长度计算材料的预期寿命。

2、权利要求1中提出的方法，在确定最大裂纹长度这一步中，根据材料各个采样表面上形成的每一条最大裂纹长度，用极值统计法来估计最大裂纹的长度。

3、估计承受反复载荷或波动载荷的机械构件的预期寿命的一种装置，该装置包括：

检测被估计材料的表面微小损害的装置;

对所述微小损害的分布进行统计处理以估计最大损害的装置;

根据处理装置算出的损害最大值确定材料预期寿命的装置;

显示由确定装置确定的材料估计预期寿命的装置。

4、权利要求3提出的装置，其中所述的检测装置包括一机构，它利用带放大镜的电视摄象机来完成损害的随机采样。

5、权利要求3提出的装置，其中所述处理装置能接收视频信号，这些信号表示由电视摄象机从材料表面上检出的微小损害，并将它转换成数字式数据，所述数据根据图象分析用数理统计法进行处理。

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