CN105651606A - 一种高温高压焊接构件结构完整性的评定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高温高压焊接构件结构完整性的评定方法，它包括以下步骤：（a）对焊接构件的接头材料在常温和高温下进行力学性能测试；（b）在高温环境下，对焊接构件的接头进行蠕变、疲劳、蠕变-疲劳交互作用下的裂纹扩展速率测试，获得高温断裂参量表征的裂纹扩展特性；（c）采用SEM对焊接构件接头的断口进行分析，确定试样的失效模式，选取对应的高温断裂参量；（d）建立焊接构件接头的等时应力应变曲线；（e）以应力强度因子与断裂韧性的比值为纵坐标、施加载荷与塑性垮塌载荷的比值为横坐标建立焊接构件接头材料与时间相关的失效评定曲线，将其评定区域分为安全区和失效区，进行结构安全评定。这样得到的安全评价更加科学、准确。

Description

一种高温高压焊接构件结构完整性的评定方法

技术领域

本发明涉及一种结构安全的评定方法，具体涉及一种蠕变、疲劳以及蠕变-疲劳交互作用的高温高压焊接构件结构完整性的评定方法。

背景技术

在高温(一般是500℃以上)下，金属结构蠕变和疲劳断裂成为主要的失效形式。例如，30％左右的锅炉和高温裂解重整装置中的管道，尤其是焊接接头的失效均由蠕变或疲劳断裂引起。蠕变和疲劳交互作用问题的关键挑战在于损伤在材料内部逐渐累积，往往在未见明显征兆的情况下突然发生破坏，给生产带来严重的损失，甚至引发惨重的后果。

目前，我国在“七五”、“八五”科技攻关课题针对压力容器中的局部减薄缺陷开展了研究，形成了我国《在用含缺陷压力容器安全评定(GB/T19624-2004)》的标准。不过这个标准仅针对常温设备，高温蠕变情况下的含缺陷评定并未涉及。而国外标准中对蠕变-疲劳交互作用下的失效评定，仅是采用线性叠加方法，显然有较大误差。

在当前能源与环境的双重压力下，发展高效、节能、大容量、洁净环保、可靠性高的火力发电技术，不仅能够满足国民经济快速发展对电力的迫切需要，而且能够应对来自环境保护方面的日益严峻的要求和挑战。超临界燃煤发电技术通过提高蒸汽的温度(600℃以上)、压力(25MPa-30MPa)实现高效、节能和环保的发电，是目前国际上较为成熟和广泛使用的一种清洁燃烧技术，这些大型装置的服役温度和压力的提高，对设备装置运行时的安全可靠性提出了更高的要求。超临界机组在运行过程中，高温高压管道及其焊接接头，难免会产生缺陷，因此，考虑蠕变-疲劳交互作用提出其含缺陷结构的结构完整性评定方法，对保障机组安全稳定运行变得尤其重要。

发明内容

本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种高温高压焊接构件结构完整性的评定方法。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种高温高压焊接构件结构完整性的评定方法，它包括以下步骤：

(a)对焊接构件的接头材料在常温和高温下进行力学性能测试；

(b)在高温环境下，对焊接构件的接头进行蠕变、疲劳、蠕变-疲劳交互作用下的裂纹扩展速率测试，获得高温断裂参量表征的裂纹扩展特性；

(c)采用SEM对焊接构件接头的断口进行分析，确定试样的失效模式，选取对应的高温断裂参量；

(d)建立焊接构件接头的等时应力应变曲线；

(e)以应力强度因子与断裂韧性的比值为纵坐标、施加载荷与塑性垮塌载荷的比值为横坐标建立焊接构件接头材料与时间相关的失效评定曲线，将其评定区域分为安全区和失效区，进行结构完整性的评定。

优化地，步骤(a)中，所述力学性能测试包括常温和高温拉伸试验、断裂韧性试验以及蠕变性能试验。

优化地，步骤(b)中，所述裂纹扩展速率采用电位法测量。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明高温高压焊接构件结构完整性的评定方法，不是对蠕变和疲劳影响因素进行简单的线性叠加，而是采用综合蠕变-疲劳交互作用综合试验，通过测试焊接接头材料的裂纹扩展速率，同时结合微观分析，获得其失效原因，选择合适的高温断裂参量，并结合相关力学测试数据，建立失效评定曲线，这样得到的安全评定更加科学、准确。

附图说明

图1为本发明焊接接头的常温拉伸试验图；

图2为本发明焊接接头的高温拉伸试验图；

图3为本发明焊接接头的断裂韧性试验图；

图4为本发明焊接接头的蠕变性能试验图；

图5为本发明裂纹长度-循环次数曲线图；

图6为本发明焊接构件接头启裂区的SEM图；

图7为本发明焊接构件接头扩展区的SEM图；

图8为本发明裂纹扩展速率da/dt与C*的关联曲线；

图9为本发明焊接接头的等时应力应变曲线；

图10为本发明焊接接头的时间相关的确定方法曲线；

图11为本发明基于高温蠕变-疲劳交互作用下焊接接头材料与时间相关的失效评定曲线。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明优选实施方案进行详细说明。

本发明高温高压焊接构件结构完整性的评定方法，它包括以下步骤：

(a)对焊接构件的接头材料在常温和高温下(500℃以上)进行力学性能测试；

构建焊接构件接头结构的完整性评定曲线，必须对焊接接头进行常温和高温下基本力学性能测试，其中包括：常温拉伸试验(如图1所示，其温度为20℃)、高温拉伸试验(如图2所示，其温度为610℃)、断裂韧性试验(如图3所示)以及蠕变性能试验(如图4所示)；

(b)在高温环境下，对焊接构件的接头进行蠕变、疲劳、蠕变-疲劳交互作用下的裂纹扩展速率测试，获得高温断裂参量表征的裂纹扩展特性；

为获得合适的高温断裂参量表征裂纹扩展特性，需对焊接接头进行蠕变、疲劳、蠕变-疲劳交互作用下裂纹扩展速率测试，由于在高温环境下进行试验，测试裂纹扩展速率采用电位法测量，以提高测量准确程度，裂纹扩展长度计算公式如下：

$a=\frac{2W}{\mathrm{\π}}{\cos }^{-1}\frac{\cosh \left(\frac{\mathrm{\π}y}{2W}\right)}{\cosh \{\frac{U}{U_0}{\cosh }^{-1}\[\cosh \left(\frac{\mathrm{\π}y}{2W}\right)cos\left(\frac{{\mathrm{\πa}}_0}{2W}\right)\]\}}---\left(1\right)$

裂纹扩展速率计算公式如下：

${\[\frac{da}{dN}\]}_{\stackrel{\‾}{a}}=(a_{i+1}-a_i)/(N_{i+1}-N_i)---\left(2\right)$

获得裂纹长度与载荷循环次数关系如图5所示。

(c)采用SEM对焊接构件接头的断口进行分析，确定试样的失效模式，选取对应的高温断裂参量；

采用SEM对试样断口进行分析，确定试样的失效模式，根据不同的失效模式判定选取合适的高温断裂参量：蠕变-疲劳交互作用下的裂纹尖端主控区域，当外载荷较小时弹性应力分量占主导地位，这时采用线弹性力学的应力强度因子描述裂纹扩展；随着载荷增大，裂纹尖端区域内蠕变应变或塑性应变分量的影响增大并起主要作用，这时需采用弹塑性断裂力学参量J积分或高温断裂力学参量C*预测剩余寿命。如图6和图7所示，该样品的失效模式为蠕变断裂，可选择J积分或C*作为高温断裂参量。

以蠕变控制为主的失效模式为例，选取高温断裂参量为C*。根据ASTME1457-07，对于CT试样，在蠕变控制的裂纹扩展中，参量C*可以通过加载线位移速率进行计算，如下所示，裂纹扩展速率与C*关联曲线如图8所示；

$C^{*}=\frac{P{\stackrel{\·}{V}}_c}{B_N(W-a)}\frac{n}{n+1}(\frac{2}{1-a/W}+0.522)---\left(3\right).$

(d)建立焊接构件接头的等时应力应变曲线；

由于考虑蠕变-疲劳交互作用的影响，即考虑了与时间相关因素对焊接接头材质的影响，因此必须建立焊接接头的等时应力应变曲线，其特点在于能够充分考虑材料在服役过程中的弹塑性力学性能和蠕变力学性能两者的应变累积。构建等时应力应变曲线，需采用(1)中所要求的基本力学性能测试结果，回归出等时应力应变曲线参数，其表达公式如下，等时应力应变图如图9所示；

$\frac{\mathrm{\ϵ}}{{\mathrm{\ϵ}}_0}=\frac{\mathrm{\σ}}{{\mathrm{\σ}}_0}+\mathrm{\α}{\left(\frac{\mathrm{\σ}}{{\mathrm{\σ}}_0}\right)}^n---\left(4\right).$

(e)以应力强度因子与断裂韧性的比值为纵坐标、施加载荷与塑性垮塌载荷的比值为横坐标建立焊接构件接头材料与时间相关的失效评定曲线(TDFAD)，将其评定区域分为安全区和失效区，进行结构安全评定。

失效评定图的纵坐标为应力强度因子(K)与断裂韧性(KI_c)的比值，称为断裂比(K_r)；横坐标为施加载荷(P)与塑性垮塌载荷(P₀)的比值，称为载荷比(L_r)。失效评定曲线是K_r随载荷变化的曲线，其将评定区域分为安全区和失效区(失效评定曲线包络线内为安全区，包络线外为失效区)。国内外多个标准给出了失效评定曲线的建立方法，具体可以参考R6评定标准。在R6评定标准中，根据安全要求的不同给出了3种失效评定曲线的建立方法。其中最常用的是Option1失效评定曲线，Option1失效评定曲线的特点是具有通用性，能够对不同材料和不同结构进行安全评定。然而不同材料的力学性能存在差异，为了获得更加精确的评定曲线就需要针对特定材料建立相应的失效评定曲线，R6中的Option2失效评定曲线就是基于这种思想提出的。

R6中的Option1失效评定曲线称为通用失效评定曲线，广泛地适用于拉伸应力应变曲线上无明显屈服平台的材料，由函数可表示为：

$\left\{\begin{array}{cc}f\left(L_r\right)={(1+0.5{L_r}^2)}^{-1/2}\[0.3+0.7\exp (-0.6{L_r}^6)\]& 0\≤L_r\≤L_r^{\max }\\ f\left(L_r\right)=0& L_r>L_r^{\max }\end{array}\right.---\left(5\right)$

$L_r^{\max }=\frac{{\mathrm{\σ}}_y+{\mathrm{\σ}}_u}{2{\mathrm{\σ}}_y}---\left(6\right)$

R6中Option2失效评定曲线是基于J积分估算方法来建立的，结合材料的拉伸应力应变曲线就能建立针对特定材料的失效评定图。Option2失效评定曲线可定义为：

$\left\{\begin{array}{cc}{K}_r={\[\frac{{\mathrm{E\ϵ}}_{ref}}{L_r{\mathrm{\σ}}_y}+\frac{L_r^3{\mathrm{\σ}}_y}{2{\mathrm{E\ϵ}}_{ref}}\]}^{-1/2}& L_r\≤L_r\≤L_r^{\max }\\ K_r=0& L_r>L_r^{\max }\end{array}\right.---\left(7\right)$

其中ε_ref为应力应变曲线上L_yσ_y所对应的应变。

蠕变-疲劳交互作用下TDFAD的建立：在常温下J积分通常可以采用估算方法来获得，R6中Option2曲线就是根据J积分方法来建立的，该方法在蠕变-疲劳交互作用下，蠕变控制为主的断裂条件下仍然成立，则有

$J_T\left(L_r\right)=J_e\[\frac{{\mathrm{E\ϵ}}_{ref}}{{\mathrm{\σ}}_{ref}}+\frac{L_r^2{\mathrm{\σ}}_{ref}}{2{\mathrm{E\ϵ}}_{ref}}\]---\left(8\right)$

式中，ε_ref为等时应力应变曲线上参考应力σ_ref为对应的总应变，其包括弹性应变、塑性应变以及蠕变应变三部分。根据JT的估算公式，就能够建立与时间相关的失效评定图。

失效评定曲线是根据J积分来建立的，参照常温下失效评定曲线的定义，蠕变条件下与时间相关失效评定曲线可定义为：

$K_r=\sqrt{J_e/J_T}---\left(9\right)$

将公式(8)代入公式(9)，

$K_r={\[\frac{{\mathrm{E\ϵ}}_{ref}}{{\mathrm{\σ}}_{ref}}+\frac{L_r^2{\mathrm{\σ}}_{ref}}{2{\mathrm{E\ϵ}}_{ref}}\]}^{-1/2}---\left(10\right)$

参考应力 为等时应力应变曲线上0.2％非弹性应变(塑性加蠕变)所对应的应力值。得出时间相关的失效评定图定义为：

$\left\{\begin{array}{cc}{K}_r={\[\frac{{\mathrm{E\ϵ}}_{ref}}{L_r{\mathrm{\σ}}_{0.2}^c}+\frac{L_r^3{\mathrm{\σ}}_{0.2}^c}{2{\mathrm{E\ϵ}}_{ref}}\]}^{-1/2}& L_r\≤L_r^{\max }\\ K_r=0& L_r>L_r^{\max }\end{array}\right.---\left(11\right)$

$L_r^{\max }={\mathrm{\σ}}_r/{\mathrm{\σ}}_{0.2}^c---\left(12\right);$

其中，σ_r为某时的破断应力。在短时蠕变情况下，为了与R6保持一致，应不超过(σ_y+σ_u)/2σ_y。等时应力应变曲线上各参量的取值如图9所示。由于σ_r、以及等时应力应变曲线均是与时间相关的，由此获得的失效评定曲线也将会是与时间相关的。蠕变-疲劳交互条件下L_r与常温下L_r的计算没有很大区别，因此在蠕变-疲劳交互条件下仍然可以采用R6中所提供的计算方法和公式来计算L_r，只需要将常温下的屈服应力替换为与时间相关的如图10所示。根据步骤(a)中的拉伸实验和蠕变实验获得了焊接接头在高温下拉伸力学性能参数和蠕变力学参数，并通过计算获得了高温下等时应力应变公式。基于与时间相关失效评定曲线的定义公式(11)和公式(12)，建立高温蠕变-疲劳交互作用下焊接接头材料与时间相关的失效评定曲线，如图11所示。由图11不难发现，不同时间下，TDFAD所包络的安全范围不同，高温蠕变-疲劳交互作用对结构安全评定有明显的影响。因此，选择考虑蠕变-疲劳交互作用影响的TDFAD对焊接结构进行安全评价(焊接构件结构的完整性)能得到更安全、更精确的结果。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种高温高压焊接构件结构完整性的评定方法，其特征在于，它包括以下步骤：

（a）对焊接构件的接头材料在常温和高温下进行力学性能测试；

（b）在高温环境下，对焊接构件的接头进行蠕变、疲劳、蠕变-疲劳交互作用下的裂纹扩展速率测试，获得高温断裂参量表征的裂纹扩展特性；

（c）采用SEM对焊接构件接头的断口进行分析，确定试样的失效模式，选取对应的高温断裂参量；

（d）建立焊接构件接头的等时应力应变曲线；

（e）以应力强度因子与断裂韧性的比值为纵坐标、施加载荷与塑性垮塌载荷的比值为横坐标建立焊接构件接头材料与时间相关的失效评定曲线，将其评定区域分为安全区和失效区，进行结构完整性的评定。

2.根据权利要求1所述的高温高压焊接构件结构完整性的评定方法，其特征在于：步骤（a）中，所述力学性能测试包括常温和高温拉伸试验、断裂韧性试验以及蠕变性能试验。

3.根据权利要求1所述的高温高压焊接构件结构完整性的评定方法，其特征在于：步骤（b）中，所述裂纹扩展速率采用电位法测量。