DLT654-1998火电厂超期服役机组寿命评估技术导则 37页

'中华人民共和国电力行业标准火电厂超期服役机组寿命评估技术导则DL/T654—1998Thetechnicalguideforthelifeassessmentofoverageunitsinfossilpowerplants中华人民共和国电力工业部1998-03-19批准1998-10-01实施前言火电机组设计寿命一般定为30年但机组的潜在寿命往往会大于设计寿命其超过部分谓之剩余寿命利用剩余寿命而继续运行的机组为超期服役机组(以下简称超役机组)从70年代起世界上许多工业发达国家由于受新建机组投资用地环境要求等不断变动因素的制约而把注意力转向了研究利用老机组的剩余寿命并通过周密的规划严格的评定加强监测分析和改造以在经济上有利安全上有保障的原则下使机组继续运行到50年或更长的时间并视此为一种可规划的资源来加以利用我国超役火电机组随着时间的推移不断在增加到1995年已超过30年的老机组有1205.7万千瓦除少量的作退役报废处理外大部分仍在继续使用老化问题日益突出延寿使用依据不足风险性较大如何科学地评估其剩余寿命和治理老化保证延寿使用机组的安全运行是急待解决的问题本导则是根据电力工业部1995年电力行业标准计划项目(技综44号文)的安排制定的编写格式和规则以电力标准编写的基本规定(DL/T600—1996)为基础本导则依据我国电力工业工作者几十年来积累的对机组部件寿命评估的经验和国外有关火电机组部件寿命的评估方法提出了我国超役机组热力机械部分寿命评估的基本步骤常用的评估方法以使超役机组的延长使用有技术上的依据安全上有保证充分发挥其可用潜力本导则是在其他金属监督规程基础上的发展和完善不论机组是否要进行寿命评估其常规的金属监督工作和锅炉监察工作皆应严格执行已颁布的有关标准规程的规定本导则虽是针对超役机组但其寿命评估的方法亦可为新机组设计和校核参考同时对所有不同役龄的甚至是新建机组应注意机组设计制造安装运行检测以及改造等技术资料的收集整理以便为今后的寿命评估提供完整的资料和可靠的依据本导则中引用了一些关于部件寿命评估中有关材料性能试验方法火电厂金属技术监督规程受压元件强度计算方法等国家标准和电力行业标准中有关条款及国外有关高温部件寿命评估标准中的有关条款故在进行火电厂部件寿命评估中应考虑相关的标准和资料本导则的附录AG均为提示的附录本导则由电力工业部电站金属材料标准化技术委员会提出并归口本导则起草单位电力工业部热工研究院湖北省电力工业局黑龙江省电力工业局本导则主要起草人郑泽民李益民王金瑞邢贵鑫李国节闫德林本导则由电站金属材料标准化技术委员会负责解释 1范围本导则规定了火力发电厂超期服役机组热力机械部分要进行寿命评估的基本原则提出了寿命评估的基本步骤推荐了常用的寿命评估方法并给出若干关键部件寿命评估实例本导则适用于火力发电厂50MW(含50MW)以上机组的热力机械部分50MW以下的超期服役机组应按国家有关能源政策处理但如仍要使用亦应进行寿命评估企业自备电站地方电站的火电机组可参照执行2引用标准下列标准所包含的条文通过在本标准中引用而构成为本标准的条文本标准出版时所示版本均为有效所有标准都会被修订使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性GB2038—91金属材料延性断裂韧度J1C试验方法GB2039—80金属拉伸蠕变试验方法GB2358—94裂纹张开位移(COD)试验方法GB4161—84金属材料平面应变断裂韧度K1C试验方法GB6395—86金属高温拉伸持久试验方法GB6398—86金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法GB6399—86金属材料轴向等辐低循环疲劳试验方法GB9222—88水管锅炉受压元件强度计算DL438—91火力发电厂金属技术监督规程DL439—91火力发电厂高温紧固件技术导则DL440—91在役电站锅炉汽包检验评定及处理规程DL441—91火力发电厂高温高压主蒸汽管道蠕变监督导则DL505—93汽轮机焊接转子超声波探伤规程DL/T551—94低合金耐热钢蠕变孔洞检验技术工艺导则ASME—86锅炉和压力容器规范规范实例N—47高温工作条件下的类部件ASME—89锅炉和压力容器规范第2卷第8章(SectionDivision2)CVDA—84压力容器缺陷评定规范TRD300—92蒸汽锅炉强度计算TRD301—92承受内压的圆筒TRD508—92按持久强度值计算的构件的补充检验3技术术语本标准采用下列技术术语3.1机组寿命unitlife机组寿命有设计寿命使用寿命经济寿命和技术寿命本导则中所指机组寿命为使用寿命3.2超期服役机组overageunit超过原设计寿命而继续运行的机组3.3基本负荷机组baseloadunit承担电网中的基本负荷年运行小时超过5000h的机组3.4调峰机组variableloadunit承担电网调峰负荷的机组可为原设计的调峰机组也可是由基本负荷机组改为调峰运行的机组通常又分为中间负荷机组与尖峰负荷机组3.5关键部件maincomponent指发生事故时迫使机组产生持续的停运危及人身安全及修理更换费用高时间长的 部件是进行机组寿命评估的主要对象3.6一般部件或称有影响的部件generalcomponentorinfluentialcomponent指发生事故或故障时可能导致机组的性能严重下降出力降低或机组短时间的停运但不会危及人身安全的部件这类部件在损坏时一般易作更换处理3.7断裂力学fracturemechanics研究带裂纹的材料部件中裂纹开始扩展的条件和扩展规律的力学分析方法在部件和裂纹尺寸载荷与材料力学性能之间建立定量的关系从而可确定部件中裂纹的容许尺寸评价其承载能力估算其使用寿命3.8疲劳fatigue材料或部件在循环应力或应变作用下在某点或某些点逐渐产生局部的累积损伤经一定循环次数后形成裂纹或继续扩展直至完全断裂的现象3.9低周疲劳low-cyclefatigue4在局部循环塑性应变作用下循环周次一般低于510次循环的疲劳也称塑性或应变疲劳3.10蠕变creep在一定的温度下金属材料或机械部件在长时间的应力作用下发生缓慢塑性变形的现象3.11持久强度durativestrength材料在规定的蠕变断裂条件(一定的温度和规定的时间)下保持不失效的最大承载应力通常以试样在恒定温度和恒定拉伸载荷下到达规定时间发生断裂时的蠕变断裂应力表示4机组寿命评估步骤4.1机组进行寿命评估的条件机组进行寿命评估的条件应根据其历史的运行情况和现状以及在电网中的地位经技术经济比较分析后确定本导则对机组的热力机械部件分为关键性部件和一般性部件(详见表1)表1中同时给出了各部件的主要损伤机理表1机组各部件的主要损伤机理损伤机理部件名称蠕疲蠕变-疲侵腐应力腐磨损其他变劳劳蚀蚀蚀关锅炉汽包键高温过热器集箱性部高温再热器集箱件集汽集箱关水冷壁集箱键性省煤器入口集箱部件下降管主蒸汽管道及大口径三通高温再热蒸汽管道 汽轮机转子汽室阀门汽轮发电机转子护环高温过热器管高温氧化再热器管低温过热器管高温氧化再热器管锅炉水冷壁管锅炉省煤器管一汽轮机叶片般性汽轮机隔板部件汽轮机外缸内缸汽轮机喷嘴组凝汽器给水加热器4.1.1对关键性部件根据其运行历程和现状检查结果有下列情况之一时应进行详细的寿命评估a)已运行20万h(含20万h)以上的带基本负荷的机组b)对于曾提高参数(相对于设计参数)运行的机组其进行寿命评估的运行时间应适当提前c)对于运行20万h的机组若对其有关系统进行过改造更换了一些一般性部件但未对关键部件进行更换当继续运行时(包括移地使用)需根据实际情况按要求进行寿命评估工作d)对于设计的调峰机组当超过设计(规定的起停)循环周次后应进行低周疲劳寿命校核对由基本负荷机组改为调峰运行的机组及其它频繁启动参数波动较大的锅炉必须进行疲劳强度校核e)部件有裂纹或严重的超标缺陷时首先应做消缺处理若消缺难度大或不能消除时不论其运行时间的长短均应用断裂力学的方法进行安全性评定和剩余寿命评估f)主蒸汽管道汽包集箱的实测壁厚小于理论计算壁厚时g)工作温度大于和等于450的碳钢钼钢主蒸汽管道当运行时间达到或超过10万h时应进行石墨化普查以后的检查周期约5万h运行时间超过20万h的管道在石墨化普查基础上要进行寿命评估 h)对于工作温度为540工作压力为10MPa外径为273mm的10CrMo910钢制主蒸汽管道符合下列条件之一者要进行寿命评估1)实测壁厚为2023.5mm的管道当运行时间达到10万h时2)实测壁厚为20mm的管道当运行时间达到或超过10万h时或蠕变相对变形量达0.5%时i)对12CrMo15CrMo和12Cr1MoV钢制主蒸汽管道当实测最大蠕变相对变形量大于-70.75%或最大蠕变速率大于0.3510mm/(mmh)监督段中碳化物内钼含量占钢中钼总量的比值12CrMo和15CrMo超过85%12Cr1MoV超过75%者监督段金相组织严重球化(Cr-Mo钢达到6级Cr-Mo-V钢达到5级)时即使运行时间未达20万h也应进行寿命评估j)除4.1.1中i)所述3种钢外其他合金钢主蒸汽管道高温再热蒸汽管道长期运行后-7当蠕变相对变形量达到1%或蠕变速率大于110mm/(mmh)时4.1.2对关键部件和一般性部件根据现状检查结果有下列情况之一者应进行修复或判废更换4.1.2.1主蒸汽管道高温再热蒸汽管道a)弯管发现下列情况时应及时处理或更换1)内外表面存在裂纹分层和过烧等缺陷2)弯曲部分不圆度大于5%(对于公称压力10MPa)3)弯曲部分不圆度大于7%(对于公称压力10MPa)4)弯管外弧部分壁厚小于直管的理论计算壁厚5)产生蠕变裂纹或严重的蠕变损伤b)三通有以下情况时应及时处理或更换1)发现严重缺陷时应及时采取处理措施如需更换应选用锻造热挤压带有加强的焊制三通2)已运行20万h的铸造三通检查周期应缩短到2万h根据检查结果决定是否采取更换措施3)碳钢和钼钢焊接三通当发现石墨化达4级时应予以更换c)弯头有下列情况时应处理或更换1)已运行20万h的铸造弯头检查周期应缩短到2万h根据检查结果决定是否采取更换措施2)碳钢和钼钢弯头以及焊接接头发现石墨化达4级时应更换3)发现外壁有蠕变裂纹时应及时更换d)铸钢阀壳存在下列缺陷时应处理或更换裂纹缩孔夹渣粘砂折叠漏焊重皮等缺陷4.1.2.2受热面管子a)各受热面的管子表面有氧化微裂纹或壁厚减薄量已大于原壁厚的30%时b)碳钢管的胀粗量超过3.5%Do(Do为管子的原始外径)合金钢管胀粗量超过2.5%Do时c)管子的腐蚀点坑深大于原壁厚的30%和管子的实测壁厚小于按强度计算的设计取用壁厚时d)碳钢管的石墨化达4级及以上时e)高温过热器管表面氧化层厚度超过0.6mm且晶界氧化裂纹深度超过35个晶粒时4.1.2.3凝汽器和给水加热器管子腐蚀断裂泄漏时4.2机组寿命评估所需资料4.2.1机组设计运行检修资料 为了对机组进行寿命评估必须收集机组的设计制造安装运行历次检修及对关键部件的检验与测试记录事故工况更新改造等资料尽可能全面详细其主要内容如下a)部件设计资料包括设计依据部件材料及其力学性能制造工艺结构几何尺寸强度计算书管道系统设计资料等b)部件出厂质量保证书检验证书或记录等c)机组安装资料重要安装焊口的工艺检查资料主要缺陷的处理记录资料主蒸汽管道安装的预拉紧记录等d)机组投运时间累计运行小时数e)机组典型的负荷记录(或代表日负荷曲线)最大出力及调峰运行方式f)机组热态温态冷态启停次数及启停参数强迫紧急停机和甩负荷到零次数g)机组事故史和事故分析报告h)运行压力温度典型记录是否有过长时间的超设计参数(温度压力等)运行i)机组历年可靠性统计资料j)维修与更换部件记录k)历次检修检查记录包括部件内外观检查无损探伤几何尺寸测定材料成份的校对金相检查硬度测量蠕胀测量记录腐蚀状况检查和管子的支吊系统检查记录等l)机组未来的运行计划4.2.2机组的现状检查对确定要进行寿命评估的机组首先应对机组的现状进行检查关键性部件及一般性部件的检查项目及内容见表2如果已对该机组作过检查或全面性的普查则可视需要补充作一些有针对性的检查表2机组进行寿命评估前的现状检查部件名检查项目及内容称内部腐蚀状况检查筒体角变形焊缝错边量和筒体圆度检查汽包筒体封头壁厚测定焊缝母材的金相检验与硬度测定筒体纵环焊缝和接管座焊缝的无损检查筒体内壁开孔边缘无损探伤高温过热器集箱封头焊缝及接管座焊缝的无损探伤筒体封头壁厚测量硬集汽集箱度测定金相组织检查(主要为珠光体球化级别)蠕变孔洞和等1)锅高温再热器集级集箱变形测量箱封头焊缝及接管座焊缝的无损探伤筒体封头壁厚测量硬水冷壁集箱度测量炉弯头表面无损探伤直管段弯头壁厚测量硬度金相检查导汽管弯管椭圆度测量与构件连接处外观检查及无损探伤管径壁厚内外表面腐蚀氧化垢层等情况检查复膜金相受热面管子检查局部磨损检查主蒸汽管道支吊架系统检查焊缝弯头无损探伤及不圆度测量直管段高温再热蒸汽弯管壁厚测定局部磨损检查蠕胀测量焊缝弯头直管段管道的硬度测量复膜金相(或现场金相)检查弯头不圆度测定汽轮外观检查硬度测定中心孔和外表面探伤转子变截面处探转子2)机伤对于焊接转子还应对焊缝进行无损探伤外观的侵蚀点蚀坑检查叶根及拉筋孔无损探伤叶片边缘叶片司太立合金镶焊焊缝探伤叶轮键槽处无损探伤 汽缸内外壁裂纹检查硬度测定螺栓按DL439—91火力发电厂高温紧固件技术导则执行外观检查硬度测定转子外表面和中心孔探伤变截面处探转子汽轮发伤电机外观检查硬度测定护环的超声波探伤和表面渗透探伤复护环膜金相检查内外表面宏观检查加强圈及支撑焊缝检查纵环焊缝无损除氧器其他探伤壁厚测量筒体不圆度支座状况检查高压加热器焊缝探伤壁厚测量1)材料蠕变孔洞的检查按DL/T551—94低合金耐热钢蠕变孔洞检验技术工艺导则进行2)按DL505—92汽轮机焊接转子超声波探伤规程执行4.2.3评估部件寿命时所需的材料性能数据a)材料性能进行部件寿命评估根据其主要损伤机理在下列性能中选取相应的性能数据(详见表3)表3寿命评估时所需的材料性能部件材料性能名称无超标缺陷的部件带超标缺陷的部件母材与焊缝材料的拉伸冲击性能母材与焊缝材料的拉伸冲击性能锅炉硬度脆性转变温度低周疲劳特性硬度脆性转变温度断裂韧性疲劳汽包物理性能裂纹扩展速率物理性能母材与焊缝材料的拉伸冲击性能母材与焊缝材料的拉伸冲击性能硬度蠕变疲劳性能或蠕变疲劳交硬度蠕变疲劳性能蠕变断裂韧性高温互作用特性复膜金相检查母材焊缝蠕变裂纹扩展速率复膜金相检查母材集箱材料的微观组织蠕变孔洞与裂纹等焊缝材料的微观组织蠕变孔洞与裂纹物理性能等物理性能拉伸冲击性能硬度蠕变疲劳拉伸冲击性能硬度脆性转变温汽轮机性能或蠕变疲劳交互作用特性若为度断裂韧性疲劳裂纹扩展速率若转子焊接转子还应确定焊缝的上述性能为焊接转子还应确定焊缝的上述性能物理性能物理性能主蒸汽室温和工作温度下的拉伸冲击性能管道高硬度蠕变持久强度数据金相组织除需无超标缺陷部件材料的性能外温再热石墨化级别(碳钼钢)碳化物成分与结还需蠕变断裂韧性与蠕变裂纹扩展速蒸汽管构蠕变孔洞和裂纹(合金钢)高温低周率物理性能道疲劳特性(调峰机组)物理性能汽轮发室温拉伸冲击性能硬度疲劳性室温拉伸冲击性能硬度断裂韧电机转能物理性能性疲劳裂纹扩展速率物理性能子室温拉伸冲击性能硬度断裂韧护环室温拉伸冲击性能硬度性应力腐蚀开裂门槛值应力腐蚀裂纹扩展速率1)力学性能常温和工作温度下的拉伸冲击性能低周疲劳断裂韧性疲劳裂纹扩展速率脆性转变温度(FATT)硬度持久强度蠕变强度最小蠕变速率2)物理性能 弹性模量泊松比线膨胀系数比热容热导率氧化速率腐蚀速率3)微观特性金相组织(包括球化级别蠕变孔洞裂纹石墨化级别等)碳化物成分和结构b)材料性能数据的获得在条件许可的情况下应在部件服役条件最苛刻的部位取样进行相关的材料性能试验若直接在部件上取样有困难可选用与部件材料牌号相同工艺相同的原材料进行试验(至少有一组试验应在与部件工作温度相同的温度下进行)如在短时间内不能取得实际试验数据可参考相同牌号材料已积累的数据的下限值对于由试验获得的原始材料的性能当用于部件寿命评估时应考虑其性能在高温应力作用下随时间的延长而劣化的情况4.2.4部件受力状态分析a)主蒸汽管道应依据管道目前的支吊状况及有关管系设计安装原始资料对管系进行应力分析找出其最大受力部位及其应力水平b)锅炉汽包在无超标缺陷时参照2中ASME—89或盲孔测应力法或有限元法对下降管处进行应力分析包括热应力和内压应力对有超标缺陷的汽包用有限元法或解析法计算缺陷部位的应力和应变包括内压应力热应力和弯曲应力对焊接残余应力最好用盲孔法进行实测此外还需考虑筒体角变形焊缝错边和筒体不圆度引起的应力集中c)高温管道三通和集箱主要计算内压应力及热应力但需考虑接管开孔处的应力集中d)汽轮机转子在无超标缺陷时用有限元法或解析法选择危险截面计算热应力和机械应力有超标缺陷时计算缺陷部位的热应力和机械应力4.3关键部件寿命评估程序框图见图1和图2所示在图2中对带超标缺陷的部件其安全性的评定主要考虑有缺陷的部位图1无超标缺陷部件寿命评定框图 图2带超标缺陷部件寿命评定框图5对关键部件寿命评估推荐的方法随着技术进步(包括诊断技术及计算技术)对机组关键部件的寿命预测已有多种方法并还在不断发展与完善中本导则根据目前国内外一些成功的经验推荐性地提出以下3种方法使用者可按具体情况采用并要参阅有关的文献和资料(见编写说明)熟悉其试验和应用的方法5.1以蠕变为主要失效方式的部件5.1.1等温线外推法a)选择与部件工作温度相同的温度至少在5个应力水平下(其中3个应力水平下至少应重复3根样品)进行试件的拉伸持久断裂试验 图3材料的持久强度曲线b)利用下式对试验数据用最小二乘法进行拟合作出如图3所示的材料持久强度曲线m=k(tr)(1)式中——材料的应力水平tr——断裂时间,hkm——由实验确定的材料常数几种低合金耐热钢在不同状态下的km值见附录A(提示的附录)c)用(1)式外推材料某一规定时间的持久强度tσ时外推的规定时间应小于最长试验点τ时间10倍如外推540下10万h的持久强度最长试验点时间应大于10000hd)确定拟合下限寿命线的k和m值(m值与中值线相同)下限寿命线的应力为中值寿命线应力的0.8倍e)确定部件在工作条件下的最大应力部位及引起蠕变损伤的最大应力max5f)按下式计算剩余寿命计算出的寿命为t10htσ510lgn⋅σmaxlgt=(2)tσ410lgtσ510σtσt10410545式中——分别为某一温度下10h和10h的外推持久强度n——安全系数当选图3中的中值线时n取1.5当选图3中的下限线时n取1.25.1.2L—M参数法L—M参数是时间和温度二者相结合的参数以P()表示有如下关系P()=T(C+lgtr)(3)式中tr——断裂时间hT——试验温度KC——材料常数a)确定材料的L—M参数选部件工作温度及其附近3个温度在每一温度下至少进行4个应力水平下的拉伸持久试验按(4)式对试验数据进行多元线性回归处理求解出C值234lgtr=C+(C1lg+C2lg+C3lg+C4lg+C0)/T(4) 式中C0C1C2C3C4——拟合系数依据拟合出的公式绘制P()—单对数坐标曲线对于常用的10CrMo91012Cr1MoV钢国内外已进行过大量的试验研究对10CrMo910钢P()=T(20+lgtr)(5)9T=t+491.675式中t——试验温度该钢种的P()—曲线见图4所示对12Cr1MoV钢P()=T(22+lgtr)(6)式中T——热力学温度K该钢种的P()—曲线见图5所示图410CrMo910钢的P()—曲线 图512Cr1MoV钢的P()—曲线b)按5.1.1中(e)确定部件工作条件下的最大应力部位及最大应力maxc)由P()—曲线上查得部件最大应力对应的L—M参数P()d)由式(3)或式(5)或式(6)确定部件蠕变断裂寿命5.1.3蠕变孔洞评定法该法主要依据材料的金相组织检查对蠕变孔洞依据其分布大小和密度划分为不同级别用以定性判断部件材料蠕变损伤的老化程度作为部件蠕变寿命评估的一个必要的辅助手段a)对部件受力最大温度最高部位或易产生蠕变失效的部位(例如主蒸汽管道弯头三通或阀门等)进行复膜金相检查也可在部件最危险部位取样进行金相检查(复膜金相检查可按DL/T—551进行)b)按表4对蠕变孔洞进行评级及采取处理措施表4蠕变孔洞评级及检查周期级别组织特征检查周期晶体结构不断变化珠光体分解碳化物开始在晶界和晶内56年析出但无微孔碳化物在晶界上析出呈链状且具方向性个别单个微孔34年无规则分布晶界孔洞数量增加且呈串链状分布和方向性排列晶界分1)12年离2)出现微裂纹停止使用更换1)一个晶粒长度2)几个晶粒长度5.2以疲劳为主要失效方式的部件对其主要失效特征为低周疲劳破坏的部件(如汽轮机及汽轮发电机转子汽包等)应对其进行疲劳寿命评定5.2.1确定材料的应变(低周)疲劳寿命(a-Nf)曲线 a)由实验确定a-Nf曲线1)按GB6399—86进行材料的低循环疲劳试验2)对获得的材料应变幅a失效循环周次Nf和由应力—应变滞后回线上确定的弹性应变分量e和塑性应变分量p用下式进行最小二乘法拟合σ′fbcε=ε=ε(N)+ε′(N)(7)aepfff2式中a——总应变幅e——弹性应变幅p——塑性应变幅f——疲劳强度系数b——疲劳强度指数f——疲劳延性系数c——疲劳延性指数Nf——失效循环周次式(7)中的Nf有的定义为破断周次有的定义为裂纹开始出现周次用N表示有的定义为循环稳定载荷下降5%时的缩环周次用N5表示附录B(提示的附录)列出了有关电站常用钢的低周疲劳参数b)用通用斜率方程确定a—Nf曲线可用式(8)确定材料的a—Nf曲线即σb−0.120.6−0.6ε=3.5N+εNfffE(8)式中a——总应变幅b——材料的抗拉强度MPa100ε=lnff——材料断裂真应变100−ψ——材料的断面收缩率%E——材料的弹性模量MPaNf——失效循环次数5.2.2确定材料的Sa-Nf(应力幅—寿命)设计疲劳寿命曲线在工程部件的疲劳寿命评估中需确定材料的Sa-Nf曲线a)确定材料的虚拟应力—寿命(Seq—Nf)曲线Eσf′bcS=εE=(N)+Eε′(N)(9)eqafff2如果没有材料的低周疲劳试验结果则可采用下式确定Seq−0.120.6−0.6S=3.5σ(N)+Eε(N)eqbfff(10)b)对虚拟应力—寿命曲线进行平均应力修正σ−σbyS"=Saeqσ−Sbeq(11) 式中y——材料的屈服强度c)对平均应力修正后的Sa—Nf曲线分别对应力和寿命取2和20的系数并取最低值连成光滑曲线则为设计的疲劳寿命曲线图6给出了由试验曲线确定设计疲劳寿命曲线的过程和获得的汽包的设计疲劳寿命曲线图7为汽轮机转子30Cr2MoV钢的设计疲劳寿命曲线附录F(提示的附录)给出国外有关压力容器和转子的设计疲劳寿命曲线5.2.3危险部位的应力应变分析按4.2.4对部件危险部位的应力应变进行分析和计算5.2.4疲劳寿命估算按计算的应力或应变确定引起疲劳破坏的交变应力或应变幅(或范围)然后由设计疲劳寿命曲线确定疲劳寿命5.3部件疲劳—蠕变交互作用下的寿命评估对于承受疲劳—蠕变交互作用下的高温工程部件如调峰机组的汽轮机高压转子用线性累积损伤法则评估其损伤度DnnntiiD=∑+∑i=1Nfii=1tri(12)图6TPRI的汽包设计疲劳寿命曲线式中Nfitri——分别为i工况下部件的低周疲劳失效循环周次和蠕变持久破坏时间分别按5.1和5.2条确定niti——分别为i工况下部件运行的循环周次和蠕变保持时间损伤度D值与疲劳蠕变损伤份额有关图8和图9分别为CrMoV转子钢和其他几种钢的蠕变疲劳交互作用损伤曲线图9中的Nd为与n循环中同样的温度和应变幅下的疲劳失效循环周次Td为与保持时间t温度相同但应力为t的(1/0.9)倍条件下的断裂时间5.4带缺陷部件的安全性评定与剩余寿命估算火电机组中的一些大型部件(如汽轮机及汽轮发电机转子汽包汽缸等)往往制造加工周期长并且更换安装困难若存在着超标缺陷或运行中出现裂纹可用断裂力学方法对其安全性作出评定并估算出剩余寿命 图730Cr2MoV钢的Sa—N曲线图8CrMoV转子钢在538下的蠕变-疲劳交互作用损伤曲线图92.25Cr-1Mo304316不锈钢的蠕变-疲劳交互作用损伤曲线5.4.1应力强度因子法 a)按GB4161—84测定材料的断裂韧性K1C当试件尺寸难以满足K1C测试条件要求时可按GB2038—91测定材料的延性断裂韧性J1C值然后按下式由J1C换算为K1CEK=J1c21c1−ν(13)式中E——材料弹性模量MPa——材料的泊松系数附录C(提示的附录)列出了一些电站用钢的K1C值b)对于具体的部件可根据其形状裂纹形状及位向外加载荷方法等来确定部件缺陷部位的应力强度因子K1的表达式即K1=f(aY)(14)式中——部件缺陷部位无缺陷时的应力a——裂纹尺寸Y——几何形状因子对部件的应力应考虑外载引起的应力部件自重产生的应力焊接残余应力热应力部件几何形状引起的应力集中等可由实验确定或计算分析获得然后将代入式(14)获得K1值对于压力容器中三种类型裂纹(表面裂纹穿透裂纹埋藏裂纹)的应力强度因子K1的具体形式按照CVDA—84中列出的公式确定b)部件安全性判定当K10.6K1C时为不可接受的缺陷5.4.2裂纹张开位移(COD)法利用应力强度因子法可解决高强度钢制部件及大截面尺寸部件的安全性评定但对中低强钢制部件或截面尺寸较小的部件在裂纹尖端附近会出现大范围屈服或全屈服这时线弹性断裂力学的理论不再适用需要用弹塑性断裂力学来分析和评定部件的安全性a)按照GB2358—94测定材料的临界裂纹张开位移cr附录D(提示的附录)列出了若干常用压力容器钢的cr值b)对部件缺陷进行规则化处理确定缺陷的当量裂纹尺寸a对压力容器的缺陷评定按照CVDA—84执行c)对部件缺陷部位的应力进行分析计算要考虑外载引起的应力部件自重产生的应力焊接残余应力热应力部件几何形状引起的应力集中等d)确定部件缺陷部位的应变e和材料的屈服应变eyσσye=,e=yEE对于在高温下工作的部件其Ey应取高温下的性能数据e)确定部件缺陷部位的允许裂纹尺寸am2ea=σ/2πee≤1mcryeyey(15)[]()ea=δ/πe+e>1mcryey f)安全性判定当aam时缺陷可以接受5.4.3带缺陷部件的剩余寿命估算对带缺陷部件进行安全性评定是指部件能否发生一次性破断但工程中大多数部件是在循环加载条件下工作即使存在着超标缺陷也不一定会突然破断而是在循环应力作用下裂纹逐渐扩展达到临界值时才发生突然断裂daa)按照GB6398—86测定材料的疲劳裂纹扩展速率dNdaα=D(∆K)dN(16)式中K——应力强度因子变化范围D——由实验确定的材料常数da附录E给出了若干电站常用钢的dN值及疲劳裂纹扩展门槛值Kthb)按CVDA—84分析计算缺陷部位的循环应力范围此时不考虑静态应力如焊接残余应力c)确定部件缺陷部位的应力强度范围K(参照5.4.1.b)中K1的确定方法)K=f(a,Y)(17)d)判定裂纹是否会扩展当KKth时裂纹不扩展e)当KKth时用下式计算疲劳裂纹扩展剩余寿命Nrem(周次)()()aaa−aD∆KN=0N0remaN(18)式中a0——初始裂纹尺寸mmaN——临界裂纹尺寸mm对于计算的Nrem尚需考虑试样厚度与部件截面厚度试验频率与部件工作频率的效应故对Nrem取20倍安全系数即为带缺陷部件的剩余寿命附录F(提示的附录)给出了关键部件寿命评估的举例6寿命评估报告评估报告的主要内容应包括6.1机组概况6.2现状检查情况一般性部件的检查情况及处理意见关键性部件的检查情况和专项试验的结果6.3寿命评估采用的方法及分析结果6.4寿命评估结论意见6.5对机组继续使用的建议与监督措施包括运行方式参数限制重点监督的部件及部位再次进行寿命评定的预计时间等附录A(提示的附录) 几种低合金耐热钢在不同状态下的km值表A1由实验获得的几种低合金耐热钢在不同状态下的km值材工作参数试最长试料运行时试验样系温压验点时指数材料制间温度数数度力间m造h量kMpah厂个12MX主蒸汽母管直16946185837.5253.5-0.07495管段主蒸汽母管弯25575666000265.1-0.07139管段前主蒸汽母管直苏5109.8510255756915066275.5-0.09506管纵向联主蒸汽母管弯26103248379278.0-0.06620管纵向主蒸汽母管弯261032910663282.4-0.06801管横向12MX原始段94143.8496.4-0.06107主蒸汽管监督1076751015446.8294.2-0.07200段纵向主蒸汽管监督10767575681.6282.2-0.06514段横向前主蒸汽管监督苏5109.851010767584888279.3-0.07898段焊缝联主蒸汽母管弯9032983119.8301.2-0.04702头主蒸汽母管直13700103268.7273.2-0.07922管段12MX主蒸汽管弯管51095960.6292.9-0.10458外弧纵向主蒸汽管弯管前510814956.5238.8-0.08074外弧横向苏5109.8207512.9主蒸汽弯管外联54075012.5266.3-0.12317弧横向主蒸汽管段直510107831.7305.6-0.09930段横向15123.9主蒸汽管直管5409.4125000540711389302.9-0.07653捷段克主蒸汽管焊缝88173269.9-0.08251主蒸汽管弯管5409.416500054099416.5257.5-0.0778515123.9捷主蒸汽管监督5409.813760454011251.4-0.05972克16056段纵向主蒸汽监督段67471.1316.6-0.03802横向主蒸汽管焊缝103862.4270.1-0.09202 主蒸汽弯管纵109156.2255.4-0.07019向10CrMo910前83993252.9-0.09007主蒸汽监督段西5409.835132540主蒸汽管焊缝德84788.5253.5-0.09194前5406246.7-0.1083210CrMo91010000西5409.8101557.4主蒸汽监督段德5606205.9-0.102931000010CrMo910前1016529227.4-0.010350主蒸汽直管段西5409.8106000540主蒸汽弯管段德1014188.4237.4-0.1028410CrMo910前58277226.1-0.09140主蒸汽母管西5409.8106592540主蒸汽管焊缝德96488.5176.0-0.0553112Cr1MoV前292.654849127071-0.09524主蒸汽管道监苏5409.8540督段联106000207071234.0-0.0642112Cr1MoV主蒸汽管监督9000074517238.5-0.06918段前主蒸汽管弯头11066082614.3234.1-0.06747苏5109.8540炉侧主蒸汽管联140690812343.6225.6-0.05835道机侧主蒸汽管170548718024.2248.5-0.06142道12Cr1MoV前227.110179494634.2-0.06216主蒸汽管监督苏5409.8540段联15453976048.3234.1-0.0675212Cr1MoV主蒸汽管监督前710395146.5-0.03954段苏5409.8153291540联主蒸汽管焊缝8250.9-0.110013428日51066164478.7-0.10320本54056007.4389.8-0.10521川崎12Cr1MoV原始段钢57068422277.2-0.09340铁公司12Cr1MoV主蒸汽直管段前109723.4418.9-0.127035心部西原始段540外壁德610138.6395.1-0.09516内壁611090.8401.8-0.0997712Cr1MoV前主蒸汽直管段西原始段540812618.2472.5-0.131173心部德外壁814882.6395.4-0.106586 内壁810321.8458.7-0.12485012Cr1MoV前58077027.8276.2-0.110678主汽管直管段西原始段61074266.1227.8-0.12070心部德12Cr1MoV前58074978.7337.7-0.137440主汽管弯管段西原始段61073422.2259.8-0.145647心部德1)12Cr1MoV5409.0210672857082256141.9-0.06615高温过热器管日本T91川高温过热器管崎原始管6307256.0-0.109723(T91—T91焊钢160001)管)铁公司日本川T91—102对崎1)原始管6105281.0-0.09884接焊管钢11000铁公司1)为爆管试验结果附录B(提示的附录)若干种材料的低周疲劳参数表B1若干材料的低周疲劳参数热处试验y(材料理工温度f/Efbfc试验条件0.2)bMpa艺MpaMpa940205357250.00466964-0.07310.2819-0.55889504504175250.00463880-0.09791.0982-0.7985鼓风5003734540.00449849-0.10471.7341-0.8841Z向r=-130Cr2MoV冷却5503474210.00330611-0.07080.8241-0.7703N5f=(0.056804500.88Hz7000.00404764-0.09021.1311-0.8131550回火温度循环模型热疲(300500P24416370.00253-0.10000.7250-0.9800叶轮劳)保持时间1hN0950梯形波Z油淬向拉压保28CrNiMoV205847530.00242-0.05301.0338-0.7594700持时间1min回火r=-1 f=0.0067HzNf920正火19Mn5620203375200.00438880-0.09200.3960-0.5520Z向r=-1回Nf火f=(0.059200.877)Hz正火BHW35205196470.005121019-0.07820.3288-0.5650630回火920D向BHW35正火r=-1Nf206530.006321170-0.10500.1111-0.4600(焊缝)630f=(0.083回火0.6667)HzZ向r=-1Nf15CrMo204550.00487962-0.11000.3990-0.5300f=(0.1251.39)HzZ向锻件r=-1NfSA299253155400.0018-0.06820.19030.5184正火f=(0.30.5)HzZ向正火r=-1Nf12Cr1MoV+回203755090.00345-0.06780.6114-0.6389f=(0.1火0.625)Hz运行2029452010.8万小Z向r=-1时的Nf10CrMo910主蒸5402013340.00270452-0.08780.1398-0.4708f=(0.28汽管2.45)Hz道材料Z向r=-1Nf叶片55207180.00520-0.09550.9235-0.8052取样6=0.0041/sec3.5%NaCl盐2Cr13雾1000Z向油r=-1Nf淬205637370.00517-0.08590.7933-0.6634f=(0.1257001.08)Hz回火焊缝-0.6116MnR3855880.00597-0.07250.8380区50D向r=-120(母(母熔合N20板)板)0.00680-0.10101.9060-0.7580区 20#热轧20430980-0.12000.3600-0.5400#1040(40)锻造206211540-0.14000.6100-0.5700淬火回火#207241227-0.09501.0000-0.66001045(45)(640)热拔2010621450-0.10000.2200-0.5100注Z向轴向应变控制D向径向应变控制三角波加载r应变比(r=min/max)f频率Nf破断循环周次N5稳定拉伸载荷下降5%时的循环周次N0叶根出现1mm长裂纹时的循环周次N20稳定拉伸载荷下降20%时的循环周次应变速率附录C(提示的附录)若干常用钢在高温下的屈服强度y和断裂韧性K1c值表C1若干常用钢材在高温下的屈服极限y和断裂韧性K1c值y或0.2K1c钢材名称热处理状态主要用途MPaMPam274.4138.416MnR钢板热轧压力容器313.6155.915MnVR钢板热轧401.896.7105.4压力容器121.518MnMoNbR退火+回火558.6压力容器143.840号钢860正火294.071.3轴类40号钢860正火294.062.0机车主轴45号钢860正火294.062.964.8轴类317.545号钢860正火84.391.1汽轮机转子355.745号钢860正火509.6100.8轴类850淬火45号钢512.597.0104.5轴类550回火840水淬650回15MnV392.0186.0轴类火900正火163.412CrMoV245.0管子容器630回火166.25408.8MPa压力220.512Cr1MoV472.9164.9主蒸汽管道下运行10h后318.51040正火68025Cr2MoV744.873.297.0紧固件回火940空冷700回329.2136.730万kW汽轮机高30Cr2MoV火568.4158.7压转子940空冷700回329.2151.930万kW汽轮机高30Cr2MoV火568.4163.7压转子940空冷700回329.2135.830万kW汽轮机高30Cr2MoV火568.4156.6压转子940空冷700回329.2137.630万kW汽轮机高30Cr2MoV火568.4146.6压转子940空冷700回329.2127.130万kW汽轮机高30Cr2MoV火568.4134.9压转子 940空冷700回30万kW汽轮机高30Cr2MoV646.841.248.4火压转子940空冷700回130.230Cr2MoV548.8汽轮机转子火155.0850油淬650回28CrNi3MoV965.5140.7汽轮机转子火850油淬650回28CrNi3MoV916.3131.8汽轮机转子火30Cr2MoV588.065.177.5汽轮机转子637.0151.934Ni-Cr-Mo-V汽轮机转子686.0173.6Cr12Mo1V1/4钢705.668.2汽轮机转子30Cr2MoV588.045.0汽轮机转子1(1/4)Cr-1Mo1/4V铸钢343.068.2汽缸49017CrMo1V43.450.2汽轮机焊接转子539.0637.035CrNi2MoV106.3汽轮机低压转子686.0850油淬620回34CrMo1A646.887.493.9发电机转子火490.034CrMo1A75.698.6发电机转子548.834CrMo1A715.492.1发电机转子392.034CrMo1A热轧89.9124.0发电机转子98.0经67020小时再686.0ЭИ41565.4126.2燃气轮机涡轮盘回火705.6850淬火500回627.2144.234CrNi3Mo汽轮机叶轮火656.6158.1850淬火500回34CrNi3Mo558.683.4109.7发电机转子火850淬火500回148.834CrNi3Mo725.2汽轮机叶轮火155.0850淬火500回872.2102.034CrNi3Mo汽轮机叶轮火911.4140.7850淬火500回617.4116.634CrNi3Mo汽轮机叶轮火686.0151.0850淬火500回666.4115.334CrNi3Mo汽轮机叶轮火715.4163.7850油淬630回34CrNi3Mo715.4149.4发电机转子火850淬火500回102.034CrNi3Mo539.0发电机转子火133.9850淬火500回132.134CrNi3Mo686.0汽轮机叶轮火160.0850淬火500回34CrNi3Mo548.877.5发电机转子火附录D(提示的附录) 常用压力容器用钢的断裂韧性cr数据表D1常用压力容器用钢的断裂韧性(cry)参考数据板y断裂韧性值范围cr钢号厚状态平均值crMPammmm20g16热轧313.60.1140.1470.12620钢管13.5热轧274.40.2070.2260.21616MnR60热轧294.00.1760.1870.18216Mn(稀土)16热轧369.50.1060.1230.11415MnVR20401.80.0760.0890.08115MnVN20调质553.70.0800.0880.08418MnMoNbR(批1)50退火+回火558.60.1010.1310.11818MnMoNbR(批2)50退火+回火455.70.1200.1300.12514MnMoNbB16859.50.0580.0740.06414CrMnMoVB调质741.90.100.110.1020CrNi3MoV调质774.20.0910.120.101Cr13调质637.00.0910.1030.098马氏体时效不锈钢842.80.0780.0850.081厚壁原子能压力容器666.40.220.2750.260用钢1Cr18Ni9Ti60245.00.2400.26519Mn565热轧345.50.1930.3260.25090529.20.1960.2960.243BHW35正火+回火110541.50.1220.1550.14212Cr1MoV50喷水调质4160.1860.1860.2680.280(WC)0.27022K(自动焊缝)90焊后退火254.90.200.21(FL)0.20522K(母材)90焊后退火249.90.180.200.190.124(WC)19Mn5(电渣焊缝)90正火+回火326.00.115(FL)0.1170.158(WC)0.13716MnR(电渣焊缝)38311.60.1650.20(HAZ)0.182焊后自次0.1310.137(M)0.13418MnMoNbR(自动焊441.060序650退0.0590.062(WC)0.0605缝)(母材)火0.0870.113(HAZ)0.1018MnMoNbR(电渣焊正火+回0.0320.107(WC)0.0790缝)火调质0.0380.058(WC)0.048BHW35(电渣焊缝)110443.50.120(WC)注M—母材FL—焊缝熔合线WC—焊缝中心HAB—热影响区附录E(提示的附录)若干种材料的疲劳裂纹扩展速率da/dN数据表E1若干种材料的da/dN数据钢号热处理制试验条件da/dNKth 度mm/次MPa⋅m-83.40热影响区=36220HzR=01.1810(K)900油-82.084.1710(K)6.286.51淬680回25Cr2NiMoV火-103.44焊缝中心4.6410(K)5.247.91-103.51热影响区7.5410(K)6.388.24-103.435.56熔合线3.1410(K)10.70淬火+回火-93.13Ni-Cr-Mo淬火+回R=1/74.5×10(K)-93.0Cr-Mo火R=1/77.2×10(K)-72.7Cr-Mo-V淬火+回R=1/71.49×10(K)Ni-Mo-V火R=1/72.26×10-8(K)2.56淬火+回火860淬油K=1231-92.9734CrMo1A5.67×10(K)650回火-82.4860加K=25622.2×10(K)热780预34CrMi3Mo冷淬油650回火940空-82.44=160Hz1.76×10(K)冷680炉30Cr2MoVK12冷-72.08=0.01Hz1.89×10(K)K27840喷25Cr2Ni4MoV水冷却-93.266.511.65×10(K)600回火-82.68ЭЦ4152.25×10(K)-125.343ZG20CrMoVR=1/31.03×10(K)7.6-82.5817CrMo1V调质=38220HzR=01.18×10(K)-83.15焊缝中心=38220HzR=02.36×10(K)边缝中心=38220HzR=02.67×10-8(K)3.26860正-9340K=19501.04×10(K)火860正-82.7545K=11231.63×10(K)23.1火19Mn5920正-83.41=12Hz201.55×10(K)火 620回K=1957火(母材焊-93.24缝熔合=12Hz3202.13×10(K)线)K=1957A533GRADE母材焊-92.28.2×10(K)B缝热影=10Hz(上限)CLASS1响区母材焊-63缝热影=0.15Hz3161.6×10(K)响区A514GRADE-84.2=0.2530Hz1.36×10(K)ABS4360—50DR=0.080.7K<15MPa⋅mmax(中心表面裂纹板)母材焊-93C-Mn钢缝热影1.9×10(K)响区920正-92.6BHW35火6301.92×10(K)回火-125.25焊缝材料R=01.13×10(K)22K-125.254.2×10(K)(上限)水中6.3×10-11(K)5.25-93.3620SiMn焊缝材料1.95×10(K)6.4411.28-93.06A—533B5.17×10(K)空气中亚表面缺陷水-93.7264.75×10(K)SA508-93.726反应堆环境表面缺陷6.76×10(K)CLASS23R=00.25-104.0SYT—N轧态R=0.15.63×10(K)-104.05STY—R轧态R=0.092.87×10(K)STY—N退火R=0.084.58×10-8(K)2.45920淬-82.514MnMoNbB火620K=31622.61×10(K)回火-93正火筒体八字裂纹R=05.44×10(K)18MnMoNb-82.7调质(内压疲劳试验)1.36×10(K)-93.1516MnR20g=1.32.5次/min4.2×10(K)930淬火-82.4414SiMnCrNiMoVK=15.5625.90×10(K)610回火930正-82.4412CrNiMoV火K=22625.96×10(K)930淬 火610回火注1.表中K的单位为MPa⋅m2.R—应力比(R=min/max)3.频率4.碳钢和碳锰钢Kth=190(1-0.76R)对其他钢材Kth=222(1-0.85R)当R0.1时Kth=191当R0.1时附录F(提示的附录)几种典型部件及材料的设计疲劳寿命曲线F1压力容器用钢的疲劳寿命曲线图F1图F4示出了几个国家标准中提供的压力容器的典型设计疲劳寿命曲线图F5图F7为2.25Cr-1Mo(10CrMo910)和AISI316AISI304不锈钢在不同温度下的应变—寿命疲劳曲线图F1ASME压力容器设计疲劳寿命曲线图F2ГOCT的设计疲劳寿命曲线 图F3TRD301压力容器设计疲劳寿命曲线图F4BS5500压力容器设计疲劳寿命曲线图F52.25Cr1Mo钢的应变设计疲劳寿命曲线 图F6AIS316不锈钢的应变设计疲劳寿命曲线图F7AIS304不锈钢的应变设计疲劳寿命曲线F2转子及转子钢的疲劳寿命曲线F2.1以扭转变形为主的发电机转子其低周疲劳的应变—寿命关系为b′C′′γ=A(2N)+B(2N)(F1)aff式中a——扭转应变幅2Nf——循环反向数ABbC——均为材料常数表F1列出几种转子钢的ABbC值表F1几种钢的扭转应变疲劳常数材料材料扭转常数 剪切模量GAbBCMPaCrMoV827600.0059-0.0521.69-0.64NiCrMoV806700.0055-0.0541.69-0.62NiMoV827600.0048-0.0431.24-0.59图F8NiCrMoV钢扭转应变疲劳寿命曲线图F9西屋公司的转子疲劳寿命曲线 图F10GEC公司的转子疲劳寿命曲线图F11Timo疲劳寿命曲线图F8为NiCrMoV钢典型的扭转应变—寿命曲线F2.2汽轮机转子疲劳寿命曲线对于汽轮机转子钢的疲劳寿命曲线分为应力—寿命和应变—寿命两种曲线前者见图F9后者见图F10图F12 图F12苏联P2M钢的疲劳寿命曲线附录G(提示的附录)关键部件寿命评估举例G1主蒸汽管道主蒸汽管道通常在高温高压或中温中压条件下运行主要的失效方式为蠕变损伤其寿命评估广泛采用以持久强度为主的综合分析法某厂一台HG—410/100—7型锅炉过热蒸汽压力为9.8MPa温度540主蒸汽管道材料为前西德的10CrMo910钢规格为273221975年12月底投运至1992年1月机组累计运行101557.4h监督段最大蠕变变形为0.908%需对主蒸汽管道作寿命评估G1.1收集资料按导则正文4.2.1条收集机组或部件设计安装和运行资料G1.2部件现状检查按导则正文4.2.2条进行主蒸汽管道现状检查G1.3壁厚校核按下式计算管道的理论壁厚pDjswS=L2ϕ[σ]+pnjs(G1)式中pjs——计算压力MPa(表压)(p=9.8MPa)Dw——管子外径mm(Dw=273mm)ϕn——纵焊缝减弱系数(对无缝钢管取1)——材料的许用应用MPa(按标准取54.6MPa)由式(G1)计算的SL=22.5mm管道需要的最小壁厚Smin=SL+CC为考虑管道的腐蚀减薄与钢管的下偏差负值之和对在役管道只考虑腐蚀减薄量一般取0.5mm故 Smin=22.5+0.5=23.0(mm)实测管子的最小壁厚为19.5mm小于计算的最小壁厚(23.0mm)故该主蒸汽管道不满足壁厚要求G1.4对监督段割管取样进行力学性能和微观结构检查G1.4.1微观结构分析微观分析表明管道的金相组织为粒状贝氏体+铁素体晶界碳化物呈串链状数量较多有些晶界上存在单个蠕变孔洞(12m)管子表面有12个晶粒深的沿晶裂纹说明该管道材料已出现明显的蠕变损伤另外钢中CrMo元素有16.42%和73.06%已进入碳化物中碳化物相以M23C6和M6C为主这标志着管道材料的老化程度已较严重G1.4.2蠕变持久强度试验对割管材料在540和560下分别进行蠕变断裂试验用最小二乘法对数据进行拟合得到540下的持久强度计算公式为-0.10832=246.7(tr)(G2)式中——应力MPatr——断裂时间hG1.5应力分析管系结构应力分析表明管系危险截面在锅炉蒸汽出口的水平段处(即监督段部位)其内压折算应力zs为pjs(Dw−S)9.8(273−19.5)σ===63.7(MPa)zs2ηS2×19.5(G3)式中S——测定的最小壁厚(19.5mm已考虑了腐蚀减薄量)——基本许用应力修正系数(对无缝管取1)G1.6剩余寿命估算G1.6.1通常按持久强度外推法估算管道寿命按持久强度外推法估算管道寿命时安全系数n=1.5但研究表明n可以降低至1.31.4继续服役的最小安全裕度可取1.2由此估算得该管道在不同安全系数下的剩余寿命分别为n=1.5时tr=6353hn=1.3时tr=23807hn=1.2时tr=49852hG1.6.2由微观组织来看晶界出现蠕变孔洞碳化物呈串链状已有73.06%的Mo已进入碳化物中故材料的蠕变老化损伤严重G2带缺陷汽包的安全性评定与剩余寿命估算经对汽包焊缝进行探伤发现有不少超标缺陷(如裂纹夹杂气孔等)时需要采用断裂力学方法对缺陷进行安全性评定DL440—91在役电站锅炉汽包的检验评定及处理规程中推荐首先进行评定当评定为不可接受的缺陷时再进行挖补处理汽包的缺陷评定可参照CVDA—1984压力容器缺陷评定规范进行评定程序见正文图2某电厂有一台型号为DG—300/100—4锅炉汽包工作压力为11.27MPa温度320汽包材料为19Mn5内径1600mm壁厚90mm由4个筒节和两个封头拼焊而成该台炉1976年投运1990年7月检修期间对汽包纵环焊缝进行了超声波探伤共发现可记录缺陷442个最严重缺陷在纵3焊缝的熔合线处该缺陷性质定为裂纹长100mm自身高度为15mm裂纹边缘距汽包内壁为24.8mm距外壁为50.2mm属埋藏裂纹现对其安全性进行评定G2.1收集资料 G2.1.1制造资料产品质保书强度计算书制造工艺等资料G2.1.2运行资料运行参数明确自投运到1990年7月检修累计运行近70000h起停约250次G2.1.3历次检查资料超声波探伤记录硬度检查记录等G2.2汽包现状检查根据1990年7月的超声波探伤记录和以前历次的汽包普查记录该汽包母材的金相组织为铁素体+珠光体(正常)硬度HB146筒体最小壁厚88.4mm封头最小壁厚87.4mm缺陷处壁厚90.0mmG2.3缺陷当量裂纹尺寸在所查的442个缺陷中纵3焊缝熔合线部位长100mm自身高度为15mm的埋藏型裂纹最为严重裂纹边缘距汽包表面的最近距离为24.8mm对于长2c自身高度为2a的埋藏裂纹其等效裂纹尺寸按下式计算Ω2a=a()(G4)ψakΩ=1+b()P+a式中1a1.651/2ψ=[1+1.464()]ca0.8−1b=[0.42+2.23()]ca−1a1.5k=3.3+[1.1+50()]+1.95()ccP1——裂纹边缘距汽包外表面最近距离(P1=24.8mm)由式(G4)计算的a=7.1mm表G1电渣焊缝材料的性能数据试验温度()性能指标20320屈服强度y326213.7MPa弹性模量E207378188674MPa裂纹张开位移cr0.0935mmG2.4汽包材料性能数据的选取G2.4.1力学性能利用与汽包同牌号的19Mn5钢板焊制样品加工成试样实测表G1为电渣焊缝材料的性能数据G2.4.2物理性能为便于对汽包的热应力进行分析测定了19Mn5钢有关物理性能选取200的物理 性能数据作为计算热应力的依据-6线膨胀系数(1/)14.510泊松比0.29弹性模量(MPa)206000热导率W/(mK)47.3比热J/(g)0.51G2.5应力分析与计算由于最严重的缺陷在熔合线部位且平行于汽包轴向只有环向应力才会引起裂纹的张开与扩展故应力分析只计算环向应力G2.5.1焊缝引起的应力集中系数汽包焊缝错边量h=3mm角变形w=4mm壁厚S=90mm则应力集中系数Kt为3(w+h)K=1+=1.117t2S(G5)G2.5.2内压引起的环向膜应力pRmσ=Kθ1tS(G6)式中p——压力(11.27MPa)Rm——筒体平均半径(845mm)G2.5.3内压引起的沿截面分布的面外弯曲应力的当量拉应力σbσ=(σ−σ)θ2θmaxθmin2(G7)2β+1σ=⋅pθmax2β−1(G8)2pσ=θmin2β−1(G9)式中b——系数对于埋藏裂纹b=0.25——筒体外内半径之比=1.113由内压引起的环向应力计算结果见表G2表G2内压引起的环向应力应力类别运行工况运行工况超水压试验应力类别(p=11.27MPa)(p=14.1MPa)膜应力118.2147.9MPa面外弯曲应力1.41.8MPaG2.5.4热应力由于上下壁温差引起的热应力为轴向应力与熔合线裂纹平行故计算中不考虑采用二维有限元程序计算锅炉冷态启动下内外壁温差引起的环向热应力在纵3焊缝处为20.9MPa G2.5.5焊缝残余应力用盲孔法测得纵3焊缝处最大残余应力为117.6MPa但考虑到内部残余应力较表面残余应力低故对沿焊缝残余应力取0.3y(97.8MPa)垂直于焊缝方向的残余应力取49MPaG2.5.6总应力和总应变由内压应力热应力和焊缝残余应力组合的环向应力为118.2+1.4+20.9+49=189.5(运行工况下)147.9+1.8+49=198.7(超水压试验工况下)σe=缺陷部位的应变E将运行工况和超水压试验工况下的应力和相应温度下的弹性模量代入上式得-6e工=100410-6e超=95810σye=y材料的屈服应变E将室温与320下材料的y和E分别代入上式得-6ey工=113310-6ey超=157210G2.6安全性评定由应力与应变分析可知e/ey1按下式计算允许裂纹当量尺寸amδcram=e22πe()yey(G10)将运行工况(320)和超水压试验条件(20左右)下的cre和ey分别代入式(G10)得到两种工况下允许的当量裂纹尺寸am分别为23.2mm和34.1mmaam所以缺陷的安全性评定结果认为纵3焊缝上的100mm长的埋藏裂纹不会引起汽包的一次性破坏G2.7剩余寿命估算G2.7.1疲劳裂纹扩展速率选取对19Mn5钢母材和电渣焊缝材料实验测定其疲劳裂纹扩展速率其速率表达式为da−143.41(G11)=1.19×10(∆K)dNCVDA—1984压力容器缺陷评定规范中推荐的铁素体钢的da/dN为da−154=1.7×10(∆K)dN(G12)偏于安全考虑da/dN选取式(G12)G2.7.2等效应力强度因子变化幅 ∆Ke=(∆σ+0.25∆σ)πaw(G13)式中——循环应力范围不包括焊缝残余应力w——面外弯曲应力范围将G2.5中应力分析结果代入式(G13)得∆Ke=676.9(N/mm3/2)G2.7.3疲劳寿命计算当长2c=100mm自身高度2a=15mm裂纹向汽包壁厚内外方向各扩展10.5mm这时就成为表面裂纹此时的当量裂纹尺寸a远大于am所以裂纹的允许扩展量为10.5mm于是其疲劳寿命可按下式计算a(a−a)cN=αD(∆K)⋅acc(G14)-153/2将a=7.5mmac=18mmD=1.710=4Ke=676.9N/mm代入式中得N=12255次G2.7.4剩余寿命分析对于用小试样在高频率循环下测得的疲劳裂纹扩展速率所计算的N尚需考虑频率效应与板厚效应通常在很低频率下疲劳循环次数要下降15%板厚效应下降5%再依据ASME压力容器疲劳寿命分析对疲劳循环数取20倍系数后则这台汽包的剩余寿命为490次'