CN117494502A - 包含热老化及环境影响的铸造不锈钢疲劳寿命预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种包含热老化及环境影响的铸造不锈钢疲劳寿命预测方法，包括：步骤1：测量或计算得到危险部位的应变幅εa；步骤2：通过常温空气环境未老化铸造不锈钢的应变幅‑疲劳寿命曲线，计算得到常温空气环境下的疲劳寿命Na；步骤3：计算不锈钢结构热老化及环境影响疲劳寿命影响因子Fae，对服役不锈钢的疲劳寿命Na进行修正，计算等效疲劳寿命Nae，Nae＝Na*Fae。本发明通过测量现场服役环境下铸造不锈钢服役时间及应变率状态，获得现场服役环境下铸造不锈钢热老化后考虑环境影响的疲劳寿命。
Description
技术领域
本发明涉及铸造不锈钢材料疲劳寿命预测技术领域，尤其涉及一种包含热老化及环境影响的铸造不锈钢疲劳寿命预测方法。
背景技术
不锈钢是核电厂常用的主管道材料，在长周期的高温高压水服役环境中会承受循环载荷，由于不锈钢中含有铁素体，从而会发生由于热老化和高温高压水介质共同作用下的环境疲劳断裂。针对核电厂主管道材料，尚未开发铸造奥氏体不锈钢考虑热老化-环境耦合作用的疲劳寿命评价方法，无法准确预测多因素耦合作用下主管道材料疲劳性能退化行为规律，因此建立不锈钢材料热老化-环境耦合作用的疲劳寿命评估方法对保障核电厂安全可靠运行具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种包含热老化及环境影响的铸造不锈钢疲劳寿命预测方法，解决不锈钢材料热老化作用的疲劳寿命预测问题。
本发明的另一目的在于提供一种包含热老化及环境影响的铸造不锈钢疲劳寿命预测方法，解决不锈钢材料环境作用的疲劳寿命预测问题。
本发明的另一目的在于提供一种包含热老化及环境影响的铸造不锈钢疲劳寿命预测方法，解决不锈钢材料热老化-环境耦合作用的疲劳寿命预测问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种包含热老化及环境影响的铸造不锈钢疲劳寿命预测方法，包括：
步骤1：测量或计算得到危险部位的应变幅εa；
步骤2：通过常温空气环境未老化铸造不锈钢的应变幅-疲劳寿命曲线，计算得到常温空气环境下的疲劳寿命Na；
步骤3：计算不锈钢结构热老化及环境影响疲劳寿命影响因子Fae，对服役不锈钢的疲劳寿命Na进行修正，计算等效疲劳寿命Nae，Nae＝Na*Fae。
步骤1中，通过对服役中铸造不锈钢结构的危险部位进行应变测量得到危险部位的应变幅εa。
步骤1中，通过有限元计算得到危险部位的应变幅εa。
步骤2中，常温空气环境下的应变幅-疲劳寿命曲线的表达式如下：
式中，εa为应变幅，Nae为常温空气环境下疲劳寿命，k1、k2和k3为常数。
步骤3中，影响因子Fae通过Fae＝kτ*kε*kE计算得到，式中，kτ为热老化疲劳敏感系数，kε为应变率敏感系数，kE为环境敏感系数。
进一步地，热老化疲劳敏感系数kτ、应变率敏感系数kε、环境敏感系数kE均为通过最小化曲线εa＝f(N)和应变幅-疲劳寿命数据点εi—Ni之间的差异来确定。
进一步地，热老化疲劳敏感系数kτ计算时，应变幅-疲劳寿命数据点εi—Ni为铸造不锈钢热老化后某些时间节点，在一定的应变幅εa、应变率ε、高温环境条件下获得的应变幅-疲劳寿命数据点：
εi-Ni，
式中，热老化后的时间节点选取最长热老化时间，数据点的数量为该时间节点时的单个或多个数据，i＝1,2,3，...。
进一步地，应变率敏感系数kε计算时，应变幅-疲劳寿命数据点为未热老化的不锈钢在高温水环境中固定应变幅εa、高温高压水环境条件下，改变应变率ε获取的疲劳寿命数据。
进一步地，环境敏感系数kE计算时，应变幅-疲劳寿命数据点为未热老化的不锈钢在高温水环境中固定应变幅εa、应变率ε，改变溶解氧O及温度T条件下获取的疲劳寿命数据。
与现有技术相比，本发明提供的包含热老化及环境影响的铸造不锈钢疲劳寿命预测方法具有以下有益效果：
本发明包含热老化及环境疲劳影响的铸造不锈钢的疲劳寿命预测方法，以实验室获得的以实验室获得的铸造不锈钢未热老化的室温空气环境下应变幅-疲劳寿命曲线和铸造不锈钢热老化后在高温水环境下的应变幅-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敏感系数、应变率敏感系数、环境敏感系数，通过测量现场服役环境下铸造不锈钢服役时间及应变率状态，获得现场服役环境下铸造不锈钢热老化后考虑环境影响的疲劳寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明提供的包含热老化及环境疲劳影响的铸造不锈钢疲劳寿命预测方法的流程图；
图2为本发明提供的铸造奥氏体不锈钢空气环境应变幅值-疲劳寿命曲线；
图3为本发明提供的热老化时间对疲劳寿命影响曲线；
图4为本发明提供的应变率对疲劳寿命影响曲线；
图5为本发明提供的服役环境对疲劳寿命影响曲线；
图6为本发明提供的预测疲劳寿命与试验寿命对比示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供了一种包含热老化及环境疲劳影响的铸造不锈钢的疲劳寿命评估方法，包括以下步骤：
步骤1：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2：将应变幅εa带入常温空气环境未老化铸造不锈钢的应变幅-疲劳寿命曲线εa＝f(N)中，计算得到常温空气环境下的疲劳寿命Na；
步骤3：计算考虑铸造不锈钢结构热老化及环境影响疲劳寿命影响因子Fae，对服役不锈钢的疲劳寿命Na进行修正，计算最终等效疲劳寿命Nae：Nae＝Na*Fae。
步骤2中，εa＝f(N)为未热老化铸造不锈钢常温空气环境下的应变幅-疲劳寿命曲线，表达式如下：
式中，εa为应变幅，Nae为常温空气环境下疲劳寿命，k1、k2和k3为常数。
步骤3中，不锈钢结构热老化及环境影响疲劳寿命影响因子Fae计算方法如下：
Fae＝kτ*kε*kE
式中，kτ为热老化疲劳敏感系数，kτ＞1表示热老化后疲劳寿命增加，kτ<1表示热老化后疲劳寿命降低，kτ＝1表示热老化后疲劳寿命没有变化；kε为应变率敏感系数，kε>1表示应变率变化使疲劳寿命增加，kε<1表示应变率变化使疲劳寿命降低，kε＝1表示应变率变化疲劳寿命没有变化；kE为环境(温度及溶解氧)敏感系数，kE>1表示环境变化疲劳寿命增加，kE<1表示温度变化疲劳寿命降低，kE＝1表示温度变化疲劳寿命没有变化。
作为一种可实施的方式，热老化疲劳敏感系数kτ、应变率敏感系数kε、环境敏感系数kE均为通过最小化曲线εa＝f(N)和应变幅-疲劳寿命数据点εi—Ni之间的差异来确定。
作为一种可实施的方式，热老化疲劳敏感系数kτ计算时，应变幅-疲劳寿命数据点εi—Ni为铸造不锈钢热老化后某些时间节点，在一定的应变幅εa、应变率ε、高温环境条件下获得的应变幅-疲劳寿命数据点：
εi-Ni
式中，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，...。
作为一种可实施的方式，应变率敏感系数kε计算时，应变幅-疲劳寿命数据点为未热老化的不锈钢在高温水环境中固定应变幅εa、高温高压水环境条件下，改变应变率ε获取的疲劳寿命数据。
作为一种可实施的方式，环境敏感系数kE计算时，应变幅-疲劳寿命数据点为未热老化的不锈钢在高温水环境中固定应变幅εa、应变率ε，改变溶解氧O及温度T条件下获取的疲劳寿命数据。
因此，本发明以实验室容易获得的铸造不锈钢未热老化的空气环境下应变幅-疲劳寿命曲线和热老化后时间节点的高温高压水环境下的应变幅-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，确定铸造不锈钢的热老化敏感系数、应变率敏感系数、环境敏感系数，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，依据铸造不锈钢未热老化的空气环境下应变幅-疲劳寿命曲线得到疲劳寿命，再测量铸造不锈钢的热老化时间、应变率并分析运行环境，基于热老化敏感系数、应变率敏感系数、环境敏感系数进行修正，实现对现场铸造不锈钢热老化后的高温高压水环境疲劳寿命进行预测，如图1所示。
示例性地，以Z3CN20-09M铸造奥氏体-铁素体不锈钢及其焊缝的热老化前后高温高压水环境中疲劳寿命试验结果进行说明。
(1)获取铸造奥氏体-铁素体不锈钢及其焊缝未热老化的应变幅-疲劳寿命曲线εa＝f(N)，表达式如下：
其中k1＝21.0，k2＝-0.41，k3＝0，该曲线采用室温空气环境下应变率为0.4％/s的疲劳寿命数据拟合，如图2所示。
(2)依据奥氏体-铁素体不锈钢及其焊缝热老化1000h及5000h后300℃高温高压水环境下、应变幅为0.6％及应变率0.4％/s的疲劳寿命数据，与未老化的不锈钢材料300℃高温高压水环境下、应变幅为0.6％及应变率0.4％/s的疲劳寿命数据对比，如图3所示，计算得到kτ＝1，其中t为热老化时间，该示例表明不锈钢热老化时间增加，疲劳寿命不变。
(3)依据未老化的奥氏体-铁素体不锈钢及其焊缝在300℃高温高压水环境下、应变幅为0.6％、应变率0.4％/s～0.0004％/s之间的疲劳寿命数据分析，如图4所示，计算得到kε＝1.19×ε0.18，其中ε为应变率，该示例中应变率最大0.4％/s，最低0.0004％/s，在此范围内，应变率减小时，疲劳寿命减少。
(4)依据未老化的奥氏体-铁素体不锈钢及其焊缝在高温高压水环境及应变率为0.4％/s的疲劳寿命数据，与未老化的不锈钢材料空气环境及应变率为0.4％/s的疲劳寿命数据对比，如图5所示，计算得到kE＝0.57，该示例中高温水温度T为300～325℃，溶解氧O为5～8000ppb。
综合上述分析结果，推测1000h热老化后奥氏体-铁素体不锈钢及其焊缝在高温高压水环境下、应变幅为0.6％、应变率0.004％/s的疲劳寿命结果与实测结果对比，如图6所示。从对比结果可以看出，采用本发明所提出的包含热老化及环境疲劳影响的铸造不锈钢的疲劳寿命预测方法可以很好地预测铸造不锈钢热老化后考虑环境疲劳影响的铸造不锈钢的疲劳寿命。
本发明提供热老化及环境疲劳影响的铸造不锈钢的疲劳寿命评估方法，以实验室获得的铸造不锈钢未热老化的应变幅-疲劳寿命曲线和铸造不锈钢热老化后在高温水环境下的应变幅-疲劳寿命数据点为基础，依据不锈钢的服役时间测量、现场服役环境下铸造不锈钢的服役温度、应变率及溶解氧状态，获得现场服役环境下铸造不锈钢热老化后考虑环境影响的疲劳寿命。
以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种包含热老化及环境影响的铸造不锈钢疲劳寿命预测方法，其特征在于，包括：
步骤1：测量或计算得到危险部位的应变幅εa；
步骤2：通过常温空气环境未老化铸造不锈钢的应变幅-疲劳寿命曲线，计算得到常温空气环境下的疲劳寿命Na；
步骤3：计算不锈钢结构热老化及环境影响疲劳寿命影响因子Fae，对服役不锈钢的疲劳寿命Na进行修正，计算等效疲劳寿命Nae，Nae＝Na*Fae。
2.根据权利要求1所述的包含热老化及环境影响的铸造不锈钢疲劳寿命预测方法，其特征在于，步骤1中，通过对服役中铸造不锈钢结构的危险部位进行应变测量得到危险部位的应变幅εa。
3.根据权利要求1所述的包含热老化及环境影响的铸造不锈钢疲劳寿命预测方法，其特征在于，步骤1中，通过有限元计算得到危险部位的应变幅εa。
4.根据权利要求1所述的包含热老化及环境影响的铸造不锈钢疲劳寿命预测方法，其特征在于，步骤2中，常温空气环境下的应变幅-疲劳寿命曲线的表达式如下：
式中，εa为应变幅，Nae为常温空气环境下疲劳寿命，k1、k2和k3为常数。
5.根据权利要求1所述的包含热老化及环境影响的铸造不锈钢疲劳寿命预测方法，其特征在于，步骤3中，影响因子Fae通过Fae＝kτ*kε*kE计算得到，式中，kτ为热老化疲劳敏感系数，kε为应变率敏感系数，kE为环境敏感系数。
6.根据权利要求5所述的包含热老化及环境影响的铸造不锈钢疲劳寿命预测方法，其特征在于，热老化疲劳敏感系数kτ、应变率敏感系数kε、环境敏感系数kE均为通过最小化曲线εa＝f(N)和应变幅-疲劳寿命数据点εi—Ni之间的差异来确定。
7.根据权利要求5或6所述的包含热老化及环境影响的铸造不锈钢疲劳寿命预测方法，其特征在于，热老化疲劳敏感系数kτ计算时，应变幅-疲劳寿命数据点εi—Ni为铸造不锈钢热老化后某些时间节点，在一定的应变幅εa、应变率ε、高温环境条件下获得的应变幅-疲劳寿命数据点：
εi-Ni，
式中，热老化后的时间节点选取最长热老化时间，数据点的数量为该时间节点时的单个或多个数据，i＝1,2,3，...。
8.根据权利要求5或6所述的包含热老化及环境影响的铸造不锈钢疲劳寿命预测方法，其特征在于，应变率敏感系数kε计算时，应变幅-疲劳寿命数据点为未热老化的不锈钢在高温水环境中固定应变幅εa、高温高压水环境条件下，改变应变率ε获取的疲劳寿命数据。
9.根据权利要求5或6所述的包含热老化及环境影响的铸造不锈钢疲劳寿命预测方法，其特征在于，环境敏感系数kE计算时，应变幅-疲劳寿命数据点为未热老化的不锈钢在高温水环境中固定应变幅εa、应变率ε，改变溶解氧O及温度T条件下获取的疲劳寿命数据。
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