CN109255137B - 高温管道中含椭圆形周向外表面裂纹的孕育期预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了高温管道中含椭圆形周向外表面裂纹的孕育期预测方法，包括以下步骤：(1)首先确定高温管道中椭圆形周向外表面裂纹的裂纹深度比率a/t、裂纹长度比率a/c、内压P，其中a为裂纹深度，t为管道厚度，2c是裂纹长度，a、t、c的单位均为mm，P的单位为MPa；(2)将内压P归一化，得到P′，其中P′＝P/(1MPa)，将P′以及步骤(1)中的a/t、a/c，代入本发明拟合的函数关系中，计算得到ti。本发明的有益效果是:利用大量模拟数据，拟合提出了高温管道中含椭圆形周向外表面裂纹的孕育期预测方法，使得孕育期的预测更加简单方便。

Description

高温管道中含椭圆形周向外表面裂纹的孕育期预测方法
技术领域
本发明涉及高温管道中含椭圆形周向外表面裂纹的孕育期预测工程临界评价，或者，就是确定高温管道中含椭圆形周向外表面裂纹下时，评价此高温管道的孕育期。
背景技术
高温环境下服役的蒸汽管道，在生产和服役的过程中难免会产生各种缺陷。蠕变裂纹的萌生和扩展是含缺陷高温构件的一个主要失效机制，并导致其在设计寿命之前失效。而蠕变裂纹的孕育期在高温部件的服役寿命中占有很大比重，为了确保高温环境下服役的部件的可靠性，对蠕变裂纹孕育期的研究也就显得愈加重要。蠕变萌生定义为显微裂纹(或孔洞)首次连接形成主要裂纹的时间。而孔洞和显微裂纹的产生和长大连接过程称为损伤。大量的理论和实验证明，蠕变裂纹萌生以及扩展是造成服役管道失效的主要原因。
国外学者提出了基于韧性耗散模型改进后的孕育期预测模型，该模型考虑了在不同应力状态下所发生的蠕变萌生。但是该预测模型目前只是用于标准的紧凑拉伸试样的孕育期预测，对于实际的服役管道的应用还有一定局限。所以，亟需提出一个有效的计算高温管道中孕育期预测模型，以简化工程应用。
发明内容
针对以上问题，本发明提出了一种高温管道中含椭圆形周向外表面裂纹的孕育期预测方法，包括以下步骤：
(1)首先确定高温管道中椭圆形周向外表面裂纹的裂纹深度比率a/t、裂纹长度比率a/c、内压P，其中a为裂纹深度，t为管道厚度，2c是裂纹长度，a、t、c的单位均为mm，P的单位为MPa；
(2)将内压P归一化，得到P′，其中P′＝P/(1MPa)，将P′以及步骤(1)中的a/t、a/c，代入下述关系式中，计算得到ti：
Figure BDA0001348538770000011
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明公开了一种高温管道中含椭圆形周向外表面裂纹的孕育期预测模型和方法，本发明利用大量模拟数据，拟合提出了含椭圆形周向外表面裂纹的孕育期预测模型。使用高温管道模型，计算提取孕育期，本发明的有益效果是:提出了高温管道中含椭圆形周向外表面裂纹的孕育期预测模型，本设计方法能够将简化的高温管道中含椭圆形周向外表面裂纹的孕育期的模型中。
附图说明
图1所示为本发明的高温管道含椭圆形周向外表面裂纹的有限元模型示意图。
图2所示为图1中裂纹前沿的结构示意图，即裂纹前沿的周向截面图。
具体实施方式
下面结合具体实例进一步说明本发明的技术方案。
本发明的高温管道中含椭圆形周向外表面裂纹的孕育期预测方法，包括以下步骤：
S1：建立如图1所示的高温管道中含椭圆形周向外表面裂纹的孕育期预测模型，所述模型包括高温管道本体，在高温管道周向截面上插入预制外表面裂纹，所述高温管道本体的内部施加恒定压力载荷，所述压力载荷的方向垂直于管道管壁。通过后处理中的自定义变量获取损伤值随时间的变化，当所研究的裂纹前沿位置(如图1所示，裂纹前沿位置是指裂纹端部在周向截面上的部分)d(mm)的损伤值ω最先达到的位置为萌生位置，对应的时间即为孕育期；d是判定蠕变萌生发生时裂尖前蠕变损伤达到1所延伸的距离，即蠕变萌生发生的临界距离，d取所研究材料的晶粒尺寸。
S2：通过有限元模拟可以获得含椭圆形周向外表面裂纹的孕育期；在不同的几何尺寸和载荷条件下，获得的具体数据。
其中孕育期ti的有限元模拟采用abaqus完成，ti的提取过程包括以下步骤：
(1)在S1建立的模型基础上，在材料属性模块里设置弹性塑性参数，在载荷模块里设置压缩载荷，以及拘束条件，所述拘束条件包括对称条件和固定条件，在分析步模块里设置好输出参量：损伤值ω，在网格模块划分网格；
(2)在作业模块提交任务计算，获得管道蠕变的计算结果，结果文件中，从自定义变量中可以获取损伤值ω；
(3)通过后处理中的自定义变量获取损伤值随时间的变化，当所研究的裂纹前沿位置d的损伤值ω达到1的时候即为孕育期；
(4)得到不同裂纹深度比率a/t(其中a(mm)为裂纹深度，t(mm)为管道厚度(见图2)。)、裂纹长度比率a/c(2c(mm)是裂纹长度)、内压P(MPa)情况下的孕育期ti(h)数据；
Figure BDA0001348538770000021
Figure BDA0001348538770000031
S3：根据数据建立孕育期ti关于裂纹深度比率a/t、裂纹长度比率a/c、内压P等变量的函数；
Figure BDA0001348538770000032
其中P′是归一化的内压：P′＝P/(1MPa)
本实施例选取P92高温耐热钢，以a/t＝0.3，a/c＝0.65，P＝20MPa，的含椭圆形周向外表面裂纹的高温管道作为研究对象。其主要材料属性见下表：
Figure BDA0001348538770000033
(1)确定裂纹深度比率a/t、裂纹长度比率a/c、内压P等参数：
a/t＝0.3，a/c＝0.65，P＝20MPa；
(2)带入上述公式中计算含椭圆形周向外表面裂纹的孕育期预测方法：
P′＝20
Figure BDA0001348538770000034
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.高温管道中含椭圆形周向外表面裂纹的孕育期预测方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)首先确定高温管道中椭圆形周向外表面裂纹的裂纹深度比率a/t、裂纹长度比率a/c、内压P，其中a为裂纹深度，t为管道厚度，2c是裂纹长度，a、t、c的单位均为mm，P的单位为MPa；
(2)将内压P归一化，得到P′，其中P′＝P/(1MPa)，将P′以及步骤(1)中的a/t、a/c，代入下述关系式式I中，计算得到孕育期ti，其中ti的单位为h：
Figure FDA0001348538760000011
2.如权利要求1所述的高温管道中含椭圆形周向外表面裂纹的孕育期预测方法，其特征在于：所述高温管道为电站锅炉的服役温度650度下的管道。
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