CN106290775A - 一种电站锅炉受热面sa210c钢材料状态评估方法 - Google Patents

一种电站锅炉受热面sa210c钢材料状态评估方法 Download PDF

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徐雪霞
王庆
陈二松
王勇
李文彬
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Electric Power Research Institute of State Grid Hebei Electric Power Co Ltd
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Abstract

本发明涉及一种电站锅炉受热面SA210C钢材状态评估方法，通过关联常温理化特征参量和范围，建立了常温理化数据与高温蠕变数据的关联性，当待评估受热面的常温理化性能与关联特征参量范围相匹配时，就可以直接查询调取高温蠕变性能，从而避免重复的高温蠕变性能试验，提高了评估的时效性。同时采用局部化蠕变损伤力学和多轴应力理论，获得改进的多轴应力下的蠕变损伤本构方程(即改进的K‑R方程),并根据调取的高温蠕变性能数据通过数据拟合获得蠕变临界损伤值，从而为受热面状态评估提供数据标准，提高了评估的准确性。

Description

一种电站锅炉受热面SA210C钢材料状态评估方法
技术领域
本发明涉及一种电站锅炉材料状态评估方法，具体涉及一种基于特征归纳相似性理论的关联数据库和基于高温蠕变损伤力学的数值模拟的电站锅炉受热面SA210C钢材料状态评估方法。
背景技术
电站锅炉受热面因材质老化发生蠕变失效导致爆管在锅炉事故中占很大比例，对其进行材料状态评估，根据评估结果指导维修和技改工作，是保障锅炉安全运行的重要手段。常用的电站锅炉受热面材料评估方法主要是对受热面割管进行高温蠕变试验，然后通过分析试验结果进行材料状态评估。常用的高温蠕变失效机理的状态评估方法主要包括等温持久强度法、蠕变损伤法、参数外推的L-M法、外推法中的解析法即θ法。
现有的评估方法存在以下缺陷：首先，对材料进行高温蠕变试验需要时间长，不能在机组停炉期间给出评估结果，从而无法及时指导受热面检修和技改工作，而且需要试样多，费用高。其次，对蠕变试验结果的分析方法均存在局限性：等温持久强度法是利用高应力短时数据直线外推低应力的长时数据，对应力过于敏感且没有考虑蠕变变形，与真实应力状态有较大差距，特别是“拐点”问题，造成外推数据的不准确性；蠕变损伤法的蠕变金相损伤的定量评定受电站现场条件和无损检测技术发展的限制，且定量分析工作量大； L-M公式法通过提高试验温度降低蠕变断裂时间，采用短期的试验数据外推某应力下的长期数据，其缺点主要来自高温蠕变机理与常温蠕变机理不同，升高温度引起金属组织变化的效应不能用时间效应代替，且缺乏以蠕变断裂机制为基础的物理理论依据，而参数的简化计算也大大影响了评估的准确性。θ法通过描述整个高温蠕变曲线的特征进而状态评估，但蠕变数据都是在单应力下得到的数据，而实际受热面在真实应力状态下服役，因此需要进一步改进。
目前，在长期的电站金属监督和受热面状态评估工作中，已经积累了大量的常温理化数据和高温蠕变数据。试验研究和数据统计表明，在材料的常温理化性能与高温蠕变性能之间存在关联性，但是对此研究很少。因此，确立材料常温理化性能与高温蠕变性能之间的关联性，充分利用已有的高温蠕变数据，避免重复性试验，是亟待解决的问题。同时，针对目前受热面材料状态评估方法的不足，采用具有严格物理意义的高温损伤力学方法，研究金属材料的蠕变变形规律，通过单轴蠕变拉伸试验得出受热面改进后的K-R蠕变损伤本构方程，得到损伤力学中的蠕变临界损伤值Dcr，为受热面评估提供状态评价数据标准，提高评估的准确性，十分必要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种电站锅炉受热面SA210C钢材料状态评估方法，其可以有效提高评估的时效性和准确性。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种电站锅炉受热面SA210C钢材状态评估方法，其具体包括如下步骤：
1)通过分析已有的常温理化性能和高温蠕变数据，确定与高温蠕变数据关联的常温理化特征参量和范围，建立常温理化性能与高温蠕变数据的关联数据库；
2)对待评估受热面进行常温理化检验，并将常温理化性能与关联数据库的常温理化特征参量进行匹配；
3)根据匹配得出的常温理化特征参量和范围，从关联数据库中调取高温蠕变数据；
4)在唯象学蠕变损伤理论（简称K-R理论）的基础上，考虑高温构件蠕变损伤的局部化特征，推导得出基于局部化损伤力学的单轴蠕变损伤本构方程（即改进的K-R方程），并推广到多轴真实应力状态，从而建立改进的多轴应力状态下的蠕变损伤本构方程，然后根据查询调取的高温蠕变数据获得蠕变损伤临界值Dcr，为受热面状态评估提供数据标准。
作为本发明进一步的改进，所述常温理化特征参量为化学成分、金相组织、力学性能。
作为本发明进一步的改进，所述常温理化特征参量的范围为：化学成分合格, 珠光体球化级别2-3级, 晶粒度6-7级，未见蠕变损伤，抗拉强度510-530MPa。
作为本发明进一步的改进，所述改进的多轴应力状态下的蠕变损伤本构方程如下：
，
其中， Dcr为临界损伤值，g和φ为材料常数，g是考虑损伤非均匀性的常数，综合反映了材料中损伤微元的种类和比例，φ是损伤常数，都可以通过拟合单轴蠕变曲线获得。在运行温度450℃下的蠕变临界损伤值D cr 为0.593221031。
与现有技术相比，本发明所取得的有益效果如下：
1)该方法通过常温理化性能与高温蠕变数据的关联性建立了关联数据库，实现了通过待评估受热面的常温理化性能，借助关联常温理化特征参量匹配，直接查询调取高温蠕变数据，避免了重复高温试验，提高了评估的时效性。
2)该方法通过建立改进的K-R蠕变损伤本构方程为受热面蠕变损伤状态评估提供了数据标准，提高了评估的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
附图1为SA210C受热面1-8组试样在200MPa，450℃下的应变-时间曲线；
附图2为SA210C在450℃的应变-时间曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对发明进行清楚、完整的描述。
实施例1
随着运行时间的延长，电站锅炉受热面SA210C的金相组织不断老化，常温力学性能不断下降。为研究珠光体球化2-3级的SA210C受热面管的常温理化性能与高温蠕变数据的特征参量及范围，选择8 组试样，其常温理化性能试验结果见表1-3。
受热面的化学成分分析结果见表1：
。
受热面的金相组织分析结果见表2：
表2 受热面的金相组织分析结果
试样编号 1 2 3 4 5 6 7 8
球化级别 3 2 2 2 2 3 3 3
晶粒度 6.0 7.0 6.0 6.0 6.0 7.0 7.0 6.0
受热面的力学性能结果见表3：
综合表1-表3，SA210C钢的1-8 组试样的化学成分均符合相关标准要求，未见明显区别，珠光体球化级别为2-3 级，晶粒度为6-7级,力学性能符合相关标准要求，总体差别不显著。
对以上8 组试样在180MPa、200MPa和220MPa的试验应力下进行450℃恒温单轴蠕变试验，200MPa下的蠕变试验结果见附图1，可见试样1-8 组在高温蠕变曲线的第二阶段具有相似的变化趋势。分析1-8组的常温理化性能数据可知，归纳相似特征为：化学成分符合标准要求，珠光体球化2-3级，未见蠕变损伤，晶粒度6-7级，抗拉强度在510-530MPa，即为关联数据库的常温理化特征参量。
待评估的SA210C受热面的常温理化性能见表4：
与关联数据库中的常温理化特征参量标准范围对比，其符合化学成分合格，珠光体球化级别2-3级，晶粒度6-7级，未见蠕变损伤，抗拉强度510-530MPa的特征，因此该待评估件可以和关联数据库中的数据匹配，查询调取高温蠕变数据。
根据获得的高温蠕变数据，得出单轴蠕变试验下试样在不同载荷下的应变-时间曲线，见附图2，从而获得单轴蠕变试验结果，如表5所示。
根据蠕变损伤力学和多轴应力理论，建立SA210C的蠕变损伤本构方程，并通过对蠕变曲线的大量数据进行拟合，计算得出运行温度（450℃）下的蠕变临界损伤值Dcr。如表6所示，为受热面状态评估提供数据标准。
然后采用ABAQUS软件及子程序通过应力数值模拟和有限元分析，完成受热面在真实多轴应力下的状态评估。
本发明提供的关联常温理化特征参量和范围，建立了常温理化数据与高温蠕变数据的关联性，当待评估受热面的常温理化性能与关联特征参量范围相匹配时，就可以直接查询调取高温蠕变性能，从而避免重复的高温蠕变性能试验，提高了评估的时效性。同时采用蠕变损伤力学和多轴应力损伤理论，获得蠕变临界损伤值，为受热面状态评估提供数据标准，提高了评估的准确性。
以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种电站锅炉受热面SA210C钢材状态评估方法，其特征在于，其具体包括如下步骤：
1)通过分析已有的常温理化性能和高温蠕变数据，确定与高温蠕变数据关联的常温理化特征参量和范围，建立常温理化性能与高温蠕变数据的关联数据库；
2)对待评估受热面进行常温理化检验，并将常温理化性能与关联数据库的常温理化特征参量进行匹配；
3)根据匹配得出的常温理化特征参量和范围，从关联数据库中调取高温蠕变数据；
4)建立基于高温蠕变数据的蠕变损伤本构方程即改进后的K-R方程，获得蠕变损伤临界值Dcr，为受热面状态评估提供数据标准。
2.根据权利要求1所述的一种电站锅炉受热面SA210C钢材状态评估方法，其特征在于，所述常温理化特征参量为化学成分、金相组织、力学性能。
3.根据权利要求1所述的一种电站锅炉受热面SA210C钢材状态评估方法，其特征在于，所述常温理化特征参量的范围为：化学成分合格, 珠光体球化级别2-3级, 晶粒度6-7级，未见蠕变损伤，抗拉强度510-530MPa。
4.根据权利要求1所述的一种电站锅炉受热面SA210C钢材状态评估方法，其特征在于，所述蠕变损伤本构方程如下：
，
其中，g和φ为材料常数，在运行温度450℃下的蠕变临界损伤值D cr 为0.593221031。
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