CN116127620A - 一种基于热电势的铸造不锈钢热老化单轴疲劳预测方法 - Google Patents

一种基于热电势的铸造不锈钢热老化单轴疲劳预测方法 Download PDF

Info

Publication number
CN116127620A
CN116127620A CN202211248792.5A CN202211248792A CN116127620A CN 116127620 A CN116127620 A CN 116127620A CN 202211248792 A CN202211248792 A CN 202211248792A CN 116127620 A CN116127620 A CN 116127620A
Authority
CN
China
Prior art keywords
stainless steel
heat aging
cast stainless
fatigue
fatigue life
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202211248792.5A
Other languages
English (en)
Inventor
肖青山
陈银强
王仪美
徐柱
桂春
肖调兵
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
China Nuclear Power Operation Technology Corp Ltd
Original Assignee
China Nuclear Power Operation Technology Corp Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by China Nuclear Power Operation Technology Corp Ltd filed Critical China Nuclear Power Operation Technology Corp Ltd
Priority to CN202211248792.5A priority Critical patent/CN116127620A/zh
Publication of CN116127620A publication Critical patent/CN116127620A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10—Geometric CAD
    • G06F30/17—Mechanical parametric or variational design
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/04—Ageing analysis or optimisation against ageing
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/08—Thermal analysis or thermal optimisation
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P90/00—Enabling technologies with a potential contribution to greenhouse gas [GHG] emissions mitigation
    • Y02P90/30—Computing systems specially adapted for manufacturing

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

Abstract

本发明涉及铸造不锈钢热老化后的疲劳寿命预测领域，利用热电势检测参数对铸造不锈钢热老化后的单轴低周疲劳寿命进行预测。包括以下步骤：步骤A，对服役中铸造不锈钢结构的危险部位进行应变测量或有限元计算，得到危险部位的应变幅εa；步骤B，对危险部位的应变幅εa进行修正，计算等效应变幅εea；步骤C，将等效应变幅代入铸造不锈钢未热老化的应变幅‑疲劳寿命曲线εa＝f(N)中，计算热老化后的单轴低周疲劳寿命N。优点在于：通过对现场服役环境下的铸造不锈钢进行热电势无损检测，以热电势检测参数作为表征铸造不锈钢的热老化程度，将该无损参数引入到铸造不锈钢热老化后的单轴低周疲劳寿命预测。

Description

一种基于热电势的铸造不锈钢热老化单轴疲劳预测方法
技术领域
本发明涉及铸造不锈钢热老化后的疲劳寿命预测领域，利用热电势检测参数对铸造不锈钢热老化后的单轴低周疲劳寿命进行预测。
背景技术
在压水堆核电厂中，铸造不锈钢、马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、铁素体低合金钢及镍基合金等长时间服役于250～350℃高温环境下会发生热老化现象，主要表现在硬度和强度增加，延性和冲击强度减小，断裂韧性降低等，它会导致一回路压力边界的安全性降低。
同时疲劳也是影响压水堆整个一回路压力边界许多主要部件的老化降质机理之一。疲劳是由波动载荷或温度变化引起的交变应力/应变循环导致的结构破坏。铸造不锈钢结构在服役过程中承受着交变应力/应变循环，如果危险部位积累了足够的局部疲劳损伤，就会出现疲劳裂纹，在后续的交变应力/应变等作用下会导致裂纹扩展。低周疲劳是由相对高的应力变程引起，循环次数小于约104到105的疲劳，它一般是由电厂正常运行时的压力、管道弯矩、局部热应力的组合效应引起。
在长期服役的压水堆中，用于主冷却剂管道的铸造不锈钢会发生热老化而导致材料变硬化和脆化，同时热老化也会对铸造不锈钢的疲劳性能产生影响，两种因素对反应堆压力边界的完整性产生威胁。目前对铸造不锈钢热老化后的疲劳研究很少，关于热老化对疲劳性能的影响尚没有统一的结论，其中热老化对单轴低周疲劳寿命的影响程度与铸造不锈钢的铁素体含量及其服役环境下经历的热老化温度、热老化时间有关系。
当前热电势检测技术被国内外相关机构采用并研发了相关检测仪器，用于检测铸造不锈钢等金属因热老化引起的材料微观结构和力学性能变化。热电势检测是一种无损检测方法，它的基本原理利用了Seebeck效应，当金属部件的两端存在温度差ΔT时，同时会在两端产生一个电势差ΔV，两者的比值(ΔV/ΔT)称为热电势。所以可以基于热电势检测参数对铸造不锈钢热老化后的单轴低周疲劳寿命进行预测。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于热电势的铸造不锈钢热老化单轴低周疲劳预测方法，以实验室容易获得的铸造不锈钢未热老化的应变幅-疲劳寿命曲线和热老化后时间节点的应变幅-疲劳寿命数据点为基础，通过测量现场服役环境下铸造不锈钢的热电势，获得基于热电势检测参数的现场服役环境下铸造不锈钢热老化后单轴低周疲劳寿命。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于热电势的铸造不锈钢热老化单轴低周疲劳预测方法，包括以下步骤：
步骤A，对服役中铸造不锈钢结构的危险部位进行应变测量或有限元计算，得到危险部位的应变幅εa；
步骤B，对危险部位的应变幅εa进行修正，计算等效应变幅εea：
εea＝εa(1+kPδ)                        (1)
其中k为热老化-单轴低周疲劳敏感系数，k>0表示热老化后疲劳寿命降低，k<0表示热老化后疲劳寿命增加，k＝0表示热老化后疲劳寿命没有变化；Pδ为归一化热老化参数Pδ，P为Arrhenius热老化参数，δ为铸造不锈钢的铁素体含量(％)。
步骤C，将等效应变幅代入铸造不锈钢未热老化的应变幅-疲劳寿命曲线εa＝f(N)中，计算热老化后的单轴低周疲劳寿命N。
进一步地，所述步骤B中归一化热老化参数Pδ的计算依据如下关系式：
Pδ＝g(TEP)                                  (2)
其中TEP为不锈钢的热电势值。
进一步地，所述不锈钢的热电势值TEP为对现场服役中铸造不锈钢结构进行测量获得。
进一步地，所述步骤B中热老化-单轴低周疲劳敏感系数k为通过最小化曲线εa＝f(N)和应变幅-疲劳寿命数据点εai-Ni之间的差异来确定。
进一步地，所述最小化曲线εa＝f(N)为铸造不锈钢未热老化的应变幅-疲劳寿命曲线，即Manson-Coffin方程：
其中εa为应变幅，N为疲劳寿命，σ′f为疲劳强度系数，b为疲劳强度指数，E为弹性模量，ε′f为疲劳强度延性系数，c为疲劳强度延性指数。
进一步地，所述应变幅-疲劳寿命数据点εai-Ni为铸造不锈钢热老化后某个任意时间节点的应变幅-疲劳寿命数据点：
εai-Ni         (4)
其中热老化后的时间节点尽量选取最长热老化时间，数据点的数量可以为该时间节点时的单个或多个数据，i＝1,2,3，...。
进一步地，所述获取应变幅-疲劳寿命数据点εai-Ni之后，需要计算热老化后时间节点的归一化热老化参数Piδi。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明基于热电势的铸造不锈钢热老化单轴低周疲劳预测方法，通过对现场服役环境下的铸造不锈钢进行热电势无损检测，以热电势检测参数作为表征铸造不锈钢的热老化程度，将该无损参数引入到铸造不锈钢热老化后的单轴低周疲劳寿命预测。
(2)本发明基于基于热电势的铸造不锈钢热老化单轴低周疲劳预测方法，以实验室容易获得的铸造不锈钢未热老化的应变幅-疲劳寿命曲线和热老化后时间节点的应变幅-疲劳寿命数据点为基础，最小化该曲线和数据点之间的差异来确定铸造不锈钢的热老化-单轴低周疲劳敏感系数，通过测量现场服役环境下铸造不锈钢的热电势，获得基于热电势检测参数的现场服役环境下铸造不锈钢热老化后单轴低周疲劳寿命。
(3)本发明基于热电势的铸造不锈钢热老化单轴低周疲劳预测方法，引入了归一化热老化参数对应变幅进行修正，考虑了不同的热老化时间、热老化温度、铁素体含量和化学成分对铸造不锈钢热老化和低周疲劳的影响，适应范围较广。
附图说明
图1为本发明提出的基于热电势的铸造不锈钢热老化单轴低周疲劳预测方法流程图；
图2为铸造不锈钢热老化前、后的应变幅-疲劳寿命曲线和数据(文献数据)；
图3为修正前的单轴低周疲劳试验寿命和预测寿命对比；
图4为修正后的单轴低周疲劳试验寿命和预测寿命对比。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明以实验室容易获得的铸造不锈钢未热老化的应变幅-疲劳寿命曲线和热老化后时间节点的应变幅-疲劳寿命数据点为基础，最小化该曲线和数据点之间的差异来确定铸造不锈钢的热老化-单轴低周疲劳敏感系数，对服役中铸造不锈钢结构的危险部位进行应变测量或有限元计算得到危险部位的应变幅，测量铸造不锈钢的热电势后计算归一化热老化参数，依据上述热老化-单轴低周疲劳敏感系数和归一化热老化参数对应变幅进行修正计算，最后基于实验室容易获得的上述应变幅-疲劳寿命数据和对现场服役环境下铸造不锈钢结构测量得到的应变幅、热电势参数，对现场铸造不锈钢热老化后的单轴低周疲劳寿命进行预测，如图1所示。
一种基于热电势的铸造不锈钢热老化单轴低周疲劳预测方法，包括以下步骤：
步骤A：对服役中铸造不锈钢结构的危险部位进行应变测量或有限元计算，得到危险部位的应变幅εa；
步骤B：对危险部位的应变幅εa进行修正，计算等效应变幅εea：
εea＝εa(1+kPδ)                        (1)
其中k为热老化-单轴低周疲劳敏感系数，k>0表示热老化后疲劳寿命降低，k<0表示热老化后疲劳寿命增加，k＝0表示热老化后疲劳寿命没有变化；Pδ为归一化热老化参数Pδ，P为Arrhenius热老化参数，δ为铸造不锈钢的铁素体含量(％)。
所述步骤B中归一化热老化参数Pδ的计算依据如下关系式：
Pδ＝g(TEP)                                  (2)
其中TEP为不锈钢的热电势值。
所述不锈钢的热电势值TEP为对现场服役中铸造不锈钢结构进行测量获得。
所述步骤B中热老化-单轴低周疲劳敏感系数k为通过最小化曲线εa＝f(N)和应变幅-疲劳寿命数据点εai-Ni之间的差异来确定。
所述最小化曲线εa＝f(N)为铸造不锈钢未热老化的应变幅-疲劳寿命曲线，即Manson-Coffin方程：
其中εa为应变幅，N为疲劳寿命，σ′f为疲劳强度系数，b为疲劳强度指数，E为弹性模量，ε′f为疲劳强度延性系数，c为疲劳强度延性指数。
所述应变幅-疲劳寿命数据点εai-Ni为铸造不锈钢热老化后某个任意时间节点的应变幅-疲劳寿命数据点：
εai-Ni      (4)
其中热老化后的时间节点尽量选取最长热老化时间，数据点的数量可以为该时间节点时的单个或多个数据，i＝1,2,3，...。
所述获取应变幅-疲劳寿命数据点εai-Ni之后，需要计算热老化后时间节点的归一化热老化参数Piδi。
步骤C：将等效应变幅代入铸造不锈钢未热老化的应变幅-疲劳寿命曲线εa＝f(N)中，计算热老化后的单轴低周疲劳寿命N。
实施例：以文献中热老化对铸造奥氏体-铁素体不锈钢的低周疲劳寿命影响为例，铸造不锈钢CF8M在430℃下分别热老化0,300,1800h的试验结果进行说明。引用文献为：
Kwon J D,Woo S W,Lee Y S.Effects of thermal aging on the low cyclefatigue behavior of austenitic-ferrite duplex cast stainless steel[J].NuclearEngineering and Design,2001,206:35-44.
1.获取铸造不锈钢CF8M未热老化的应变幅-疲劳寿命曲线εa＝f(N)，即Manson-Coffin方程：
其中b＝-0.1669,ε′f＝0.1689，c＝-0.4845。
2.获取铸造不锈钢CF8M热老化后某个任意时间节点的应变幅-疲劳寿命数据点εai-Ni，即热老化1800h后分别在应变幅εa＝0.3,0.5,0.8,1.0和1.5％的疲劳寿命数据点，如图2所示。
3.计算铸造不锈钢CF8M热老化1800h的归一化热老化参数Piδi，计算得到Piδi＝0.3510。
4.通过最小化铸造不锈钢CF8M未热老化的应变幅-疲劳寿命曲线εa＝f(N)和热老化1800h后分别在应变幅εa＝0.3，0.5，0.8，1.0，1.2和1.5％的疲劳寿命数据点εai-Ni之间的差异，来确定热老化-单轴低周疲劳敏感系数k，计算得到k＝2.2208。
5.对热老化300h的数据点进行验证。在恒温430℃热老化条件下，归一化热老化参数Pδ可以不用关系式Pδ＝g(TEP)换算，直接计算得到Pδ＝0.2763。
6.计算热老化300h的等效应变幅εea。利用热老化-单轴低周疲劳敏感系数k和热老化300h的归一化热老化参数Pδ计算等效应变幅εea＝εa(1+kPδ)，得到热老化300h分别在应变幅εa＝0.3，0.5，0.8，1.0，1.2和1.5％时的等效应变幅εea＝0.4780，0.7966，1.2746，1.5932，1.9119和2.3899％。
7.计算热老化后的单轴低周疲劳寿命。将上述等效应变幅εea分别代入未热老化的应变幅-疲劳寿命曲线εa＝f(N)，分别计算得到热老化后的单轴低周疲劳寿命N。
8.铸造不锈钢热老化后，对应变幅修正前的单轴低周疲劳试验寿命和预测寿命对比如图3所示，对应变幅修正后的单轴低周疲劳试验寿命和预测寿命对比如图4所示，修正后大部分数据点的预测寿命和试验寿命误差处于两倍分散带以内，且偏于安全区间。从对比结果可以看出，采用本发明所提出的基于热电势检测参数的铸造不锈钢热老化后单轴低周疲劳寿命预测方法可以很好地预测铸造不锈钢热老化后的单轴低周疲劳寿命。
本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (7)

1.一种基于热电势的铸造不锈钢热老化单轴疲劳预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A：对服役中铸造不锈钢结构的危险部位进行应变测量或有限元计算，得到危险部位的应变幅εa；
步骤B：对危险部位的应变幅εa进行修正，计算等效应变幅εea：
εea＝εa(1+kPδ)                        (1)
其中k为热老化-单轴低周疲劳敏感系数，k>0表示热老化后疲劳寿命降低，k<0表示热老化后疲劳寿命增加，k＝0表示热老化后疲劳寿命没有变化；Pδ为归一化热老化参数Pδ，P为Arrhenius热老化参数，δ为铸造不锈钢的铁素体含量；
步骤C：将等效应变幅代入铸造不锈钢未热老化的应变幅-疲劳寿命曲线εa＝f(N)中，计算热老化后的单轴低周疲劳寿命N。
2.如权利要求1所述的一种基于热电势的铸造不锈钢热老化单轴疲劳预测方法，其特征在于：所述步骤B中归一化热老化参数Pδ的计算依据如下关系式：
Pδ＝g(TEP)                                  (2)
其中，TEP为不锈钢的热电势值。
3.根据权利要求2所述的一种基于热电势的铸造不锈钢热老化单轴疲劳预测方法，其特征在于：所述不锈钢的热电势值TEP为对现场服役中铸造不锈钢结构进行测量获得。
4.根据权利要求1所述的一种基于热电势的铸造不锈钢热老化单轴疲劳预测方法，其特征在于：所述步骤B中热老化-单轴低周疲劳敏感系数k为通过最小化曲线εa＝f(N)和应变幅-疲劳寿命数据点εai-Ni之间的差异来确定。
5.根据权利要求4所述的一种基于热电势的铸造不锈钢热老化单轴疲劳预测方法，其特征在于：所述最小化曲线εa＝f(N)为铸造不锈钢未热老化的应变幅-疲劳寿命曲线，即Manson-Coffin方程：
Figure FDA0003887060310000021
其中εa为应变幅，N为疲劳寿命，σ′f为疲劳强度系数，b为疲劳强度指数，E为弹性模量，ε′f为疲劳强度延性系数，c为疲劳强度延性指数。
6.根据权利要求4所述的一种基于热电势的铸造不锈钢热老化单轴疲劳预测方法，其特征在于：所述应变幅-疲劳寿命数据点εai-Ni为铸造不锈钢热老化后某个任意时间节点的应变幅-疲劳寿命数据点：
εai-Ni                    (4)
其中热老化后的时间节点尽量选取最长热老化时间，数据点的数量可以为该时间节点时的单个或多个数据，i＝1,2,3，...。
7.根据权利要求4所述的一种基于热电势的铸造不锈钢热老化单轴疲劳预测方法，其特征在于：所述获取应变幅-疲劳寿命数据点εai-Ni之后，需要计算热老化后时间节点的归一化热老化参数Piδi。
CN202211248792.5A 2022-10-12 2022-10-12 一种基于热电势的铸造不锈钢热老化单轴疲劳预测方法 Pending CN116127620A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211248792.5A CN116127620A (zh) 2022-10-12 2022-10-12 一种基于热电势的铸造不锈钢热老化单轴疲劳预测方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211248792.5A CN116127620A (zh) 2022-10-12 2022-10-12 一种基于热电势的铸造不锈钢热老化单轴疲劳预测方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116127620A true CN116127620A (zh) 2023-05-16

Family

ID=86306935

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211248792.5A Pending CN116127620A (zh) 2022-10-12 2022-10-12 一种基于热电势的铸造不锈钢热老化单轴疲劳预测方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116127620A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhang et al. P92 steel creep-fatigue interaction responses under hybrid stress-strain controlled loading and a life prediction model
CN108052698B (zh) 一种滞回能密度预测材料蠕变疲劳交互寿命的方法
CN115017745B (zh) 一种用于火电机组结构件的蠕变疲劳寿命预测方法及系统
Loghman et al. Creep damage and life assessment of thick-walled spherical reactor using Larson–Miller parameter
Ohno et al. Resetting scheme for plastic strain surface in constitutive modeling of cyclic plasticity
Sawada et al. Analysis of long-term creep curves by constitutive equations
CN116127620A (zh) 一种基于热电势的铸造不锈钢热老化单轴疲劳预测方法
Amiable et al. A computational lifetime prediction of a thermal shock experiment. Part II: discussion on difference fatigue criteria
Tendo et al. Stress relaxation behavior at high-tension bolted connections of stainless-steel plates
JP7465037B2 (ja) 構造物の寿命評価方法及び評価システム
Zhan et al. Constitutive modelling of viscoplasticity in a nickel-based superalloy at high temperature
Dragunov et al. Stress–strain kinetics in calculations of high-temperature strength and longevity of reactor structures
James Frequency Effects in the Elevated Temperature Crack Growth Behavior of Austenitic Stainless Steels—A Design Approach
Kim et al. In-Situ Creep Testing Capability Development for Advanced Test Reactor
Ellis et al. An improved analytical method for life prediction of bolting
Heckmann et al. StrainLife: Efficient fatigue life data generation for an enhanced ageing assessment of metallic components
Mroziński et al. Elevated temperature low cycle fatigue properties of martensitic cast steel
CN117725702A (zh) 一种铸造不锈钢多轴低周疲劳预测方法
Mehringer et al. Low-Cycle Fatigue of Two Nickel-Base Alloys by Thermal-Stress Cycling
CN117494502A (zh) 包含热老化及环境影响的铸造不锈钢疲劳寿命预测方法
Kim et al. Improved methodology for determining tensile elastic and plastic strain components of Alloy 617
Cabrillat et al. Creep Fatigue Behavior and Damage Assessment for Mod 9 Cr 1 Mo Steel
Cedro III et al. Statistical Comparison of Creep-Rupture Lifetime Predictions of Single and Two-Step Aged Wrought Haynes 282 Alloy
Krovvidi et al. Comparison between RCC-MR and ASME section-III/NH for creep-fatigue design of bellows
CN115931532B (zh) 基于修正时间分数法的电力高温部件损伤状态判定方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination