1、超超臨界機組管線彎頭壽命評估方法綜述劉學，徐 鴻，段麗，王開龍（華北電力大學（北京）能源與動力工程學院，北京，郵編：102206）摘要：本文介紹了超超臨界狀態下主汽管道材料蠕變應變的特點和常用壽命評估方法，并介紹了在橢圓度和壁厚的影響下，如何評估彎頭的剩余壽命。通過用有限元（ANSYS）模擬分析，闡述了在恒載荷下主汽管道剩余壽命評估的有效方法。同時還介紹該領域研究的新成果，以及未來超超臨界狀態下管線彎頭壽命評估的關鍵問題和發展趨勢，并提出新一代超超臨界狀態下管線彎頭壽命損耗在線監測系統的新課題。關鍵詞：蠕變，壽命評估，彎頭，橢圓度，主汽管道，超超臨界Life-assessment Method

2、 Summary Of Pipeline Elbow About Ultra Supercritical UnitLiu Xue ，Xu Hong ，Duan Li ，Wang Kai Long (School of energy and power engineering NCEPU， Beijing， Postal Code: 102206 )Abstract: In this paper， the characteristic of material Creep， usual life-assessment methods about the main steam piping unde

3、r the ultra supercritical state are introduced， especially under the effect of the pipe ovality and thickness， how to assess the remaining-life of the elbow， and by the means of simulation analysis through FEM(ANSYS)， effective methods of assessing the main steam piping remaining-life is exposited u

4、nder the state of invariable load. In addition， new achievements in the field， and the key problem and development trend of life-assessment about pipeline elbow under the ultra super critical state in future are mentioned， and a new subject of developing a new generation online monitoring system abo

5、ut life-span losses of pipeline elbow under the ultra super critical state is also proposed.Key Words: Creep；Life assessment；elbow ；Ovality ；Main steam piping；Ultra supercritical1、概述火電廠的蒸汽參數是指蒸汽的壓力和溫度。按照卡諾循環的原理，提高高溫熱源的溫度或降低低溫熱源的溫度，可以提高熱機的熱效率。火電廠正是遵循這個原理，在逐漸通過提高機組的蒸汽參數來提高火電廠的效率。一般來說，汽壓高于24MPa的機組稱為超臨界

6、壓力機組，汽壓在27MPa以上的則稱為超超臨界壓力機組。隨著蒸汽參數的提高火電廠的主蒸汽管道(包括母管)、高溫再熱蒸汽管道是發電廠的主要高溫部件，在超超臨界的運行狀態下均受到高溫、高壓蒸汽作用材料經常產生蠕變而發生破壞。蠕變是指在一定的溫度和應力作用下，經過一段時間產生塑性變形，即使所加應力低于該溫度下的屈服極限也會逐漸產生塑性變形的現象。蠕變應變隨時間緩慢變化是一個級其復雜的過程。蠕變過程初期階段由于材料內部的微觀相結構發生重新分布,表現為應變時效的特點,在這個期間材料只是在組織形態上發生微小的變化。最初期的應變增加較快,是因為內部組織在應力作用下發生取向性形變所致。隨后晶粒中的合金元素偏晰

7、并向晶界轉移,進入穩定階段。在穩定階段中, 實際上是應變時效與材料內部組織發生損壞,兩者互相競爭出現的動態平衡。隨著時間增加，蠕變速率越來越快，直到蠕變斷裂，這也就是蠕變的加速階段。蠕變與多種因素有關，一般主要認為與運行時的溫度、應力和時間有關，高溫下金屬力學行為的一個重要特點就是發生蠕變，即金屬在恒定負荷(或應力)作用下隨時間的增長形變不斷增加，形變的結果最終可能導致金屬的斷裂。所以說，超超臨界機組管線彎頭部件的失效的主要形式是部件產生蠕變的結果。顯然高溫、高壓是現代工業所面臨的挑戰就是材料發生蠕變的問題。然而在高溫下構件的變形與損傷是依賴于時間（Time-dependent）以及空間多軸應

8、力狀態（Multiaxiality）的復雜現象。高溫部件的蠕變過程和部件的溫度水平密切相關。當溫度低于材料的晶體轉化溫度的0.50.7倍時，蠕變不會發生。同時，蠕變的破壞是隨時間積累的過程。一旦進入蠕變破壞溫度，其破壞就不斷地積累，并且隨著溫度繼續升高，這種破壞的速度呈現明顯加速的趨勢。所以考慮高溫部件的蠕變是對該部件進行壽命評估的主要因素。12、管線彎頭失效部位火電廠的高溫高壓管道失效形式大部分取決于的高溫蠕變失效狀況。在火電廠的過熱蒸汽的主蒸汽管道、高溫再熱蒸汽管道及過熱汽出口汽管道的彎頭由于長期處于高溫高壓狀態，特別是工作在超超臨界狀態下的主蒸汽管道材料，在溫度和應力作用下，材料的顯微結

9、構、力學性能、耐熱性能、物理性能都會緩慢地變化，材料在使用過程中出現的老化現象，易產生蠕變裂紋而導致破壞性事故，直接影響鍋爐的安全運行和整個熱力發電系統的正常運轉，這實質上是蠕變損傷積累和材質劣化，并最終在應力作用下導致開裂失效。因而監測主蒸汽管道蠕變情況觀察主蒸汽管道蠕變產生的現象、時間及發展速度，準確的為電廠提供技術資料，提高主蒸汽管道工作的可靠性，防止由于長期蠕變后引起爆管事故的產生是計算部件剩余壽命的重點。根據全國電站多年經驗和已發生事故資料來看，電廠高溫主蒸汽管道、高溫再熱蒸汽管道及高溫過熱器出口蒸汽管道的彎頭部位與其直管段相比，彎頭部位受到比直管段加大的應力作用，其承受的主要應力有

10、：1、 管壁承受的工作應力。2、 管道橢圓度造成的附加應力。3、 管系應力：包括自重應力，熱補償應力等。應力計算結果表明：彎頭部位有兩處受到較大的應力作用，一是在彎管外弧外表面受有較大的切向應力；二是在彎管中性面，裂紋一般由內壁萌生。后者取決于彎管的橢圓度，橢圓度越大，此處所受應力越大。因而彎頭部位更是潛在事故的危險部位。這除因彎管時存在的外部缺陷、用錯鋼材等原因外，一般均具有典型的蠕變斷裂特征，系由蠕變損傷的逐漸積累年致。2目前，對現役機組的電廠鍋爐，最現實的問題是，如何預測管道的剩余壽命?另外，高溫管道的蠕變并非單獨存在，我們知道影響管道壽命的因素很多:持久強度、蠕變極限、疲勞強度、腐蝕的

11、交互作用等。為了保證管道安全運行，預測管道的剩余壽命是目前分析的主要手段，通常采用：一、綜合材質鑒定法，二、等溫直線法，三、壽命損耗參數法，四、參數法，五、金相法，六、密度法。通過這些綜合檢驗，我們可以得知管道在高溫高壓的工況下長期運行中的金屬組織、力學性能、珠光體和球化碳化物等情況。從而判斷產生蠕變裂紋的可能性，預測產生蠕變裂紋的時間，提前預防蠕變裂紋的產生，為電廠安全運行提供可靠科學依據。33、壽命預測方法：蠕變壽命對高溫部件的設計極其重要，對于火電廠使用的低合金耐熱鋼高溫部件，直接通過試驗獲取其在1105h甚至2105h下的持久強度數據是極為困難的，一般采用提高應力和溫度的方法得到短時的

12、斷裂時間與應力、溫度之間的關系，再推出長時的斷裂時間與應力、溫度之間的關系，這就是所謂的壽命外推。這也是目前國內外專業人士對高溫部件的蠕變壽命預測所采用的普遍方法。人們進行了大量的研究，提出了各種不同的壽命預測方法：通常采用的是根據LarsonMiller預測法、Z-Parameter預測法、-函數預測法及其修正法、C-影射法、Graham-walles數學模型、蠕變曲線逼近預測法等。3.1 LarsonMiller預測法4Larson-Miller方法是以持久強度為主要指標進行壽命預測的方法，該方法應用較為廣泛的方法。根據Larson-Miller的研究認為:對各種材料和應力水平條件,在溫度

13、和時間變量間存在一個統一的參數P,可用下式表示:P=T(lgTr+C)/1000 (1)式中:P-為Larson-Miller參數,C-為常數,Tr-為斷裂時間,T-為絕對溫度。對于電廠常用的高溫管材，用已有大量的單軸拉伸持久的長時實驗數據，根據這些數據可以回歸出材料蠕變斷裂壽命Tr與應力、溫度的關系：其中，為蠕變應變率，Tr為斷裂時間（h），T為運行溫度（F），為載荷應力(MPa)。用Larson-Miller方法可以外推持久實驗時間的3倍壽命。并且認為P是應力的函數,即P=f()將以上兩式合并得： (2) (3)這樣就可通過對加速蠕變實驗的持久數據進行統計分析建立上述函數關系,再用工作溫度

14、和應力外推得到Tr作為管道的壽命3。使用Larson-Miller參數法外推材料在實際使用狀態下的蠕變斷裂壽命時，由于管道上材料實際工作條件是多軸應力狀態，因此采用計算等效應力： （4）式中：P蒸汽壓力；d管道直徑；t管道壁厚。對于某種鋼,可經過大量試驗確定上述參數。例如對12Cr1MoV鋼,由試驗數據整理而來的參數值為:C1、C2、C3、C4、C值，如表1所示。然后將應力和溫度值代入,即可得到斷裂時間值,即在此溫度和應力下的使用壽命。5表1 12Cr1MoV鋼的C1、C2、C3、C4、C值 參數鋼號CC1C2C3C412Cr1MoV2331326.6471-7392.56017554.078

15、5-4224.21463.2 ZParameter法6（LarsonMiller模型的變形）使用的該方法計算12Cr1MoV鋼的蠕變壽命時，考慮到微觀組織碳的球化等級不同對金屬壽命影響。實際上是LarsonMiller參數法的一種變形，把LM參數法中的P參數用下式表示： （5）即， （6）對于CrMoV鋼C0取常數20，在12Cr1Mov鋼中的LM參數為： （7）用Z-Parameter代替LM方法中的P參數： （8） （9）其中，為球化級別指數；b為抗拉強度；由于金屬在高溫工況下長期工作，金屬碳化物組織結構必然要發生變化，即碳化物球化級別不同。對火電廠服役的12Cr1MoV鋼的碳化物球化級別

16、分為五個等級6，如圖1所示。利用Z-Parameter方法對于12Cr1MoV鋼進行剩余壽命的預測, 效果較好，壽命誤差小。圖1 12Cr1MoV鋼的碳化物球化級別3.3 -函數法-函數法是一種以恒應力蠕變試驗為基礎的壽命外推方法。可以比較準確地確定蠕變壽命，外推時間長（3個月試驗外推30年），其基本思想是將一般的蠕變曲線看作是蠕變速率下降的第一階段和蠕變速率上升的第三階段的疊加。該方法需要知道材料的斷裂應變、材料在蠕變初始階段和第三階段的蠕變速率及蠕變變形量。該方法認為應力-時間-溫度之間存在唯一的函數關系，即： （10）設蠕變過程滿足以下方程： （11）式中：蠕變應變；總應變；彈性應變；參

17、數（i=14）t時間； 蠕變第二階段開始的時刻其中，（i=14）和斷裂應變f又同材料本身以及溫度、應力水平存在以下的關系： （j=1，2，3） （12） （13）aij、bij、cij、dij四個變量只與材料有關，而同溫度、應力無關，在溫度一定時，lgi與i成線性關系。通過多元線性回歸對蠕變斷裂數據進行擬合即可求得任意溫度應力下的蠕變變形方程。當參數和斷裂應變確定后，任何蠕變應變、蠕變壽命都可直接計算出來。然而-函數法也有其局限性，該方法必須先確定式中的i，要確定式中的i就必須按照（12）式先確定好ai、bi、ci、di，這樣做不免有很多困難又時常難以實現。因為構件各段之間材質不盡相同，有的甚

18、至差別較大。不僅如此，各個構件的應力狀態和系統應力的影響也差別很大。大量取樣試驗求出每個構件的ai、bi、ci、di是不可能的。因而-函數并不能直接用于真實構件上。3.4 -函數法的修正模型：工程蠕變大多在恒載荷下進行，恒載荷下測得的蠕變曲線，第一階段不存在或極短，第二階段較長，為了處理恒載荷下的蠕變數據，采用下式描述主要由第二、三階段構成蠕變過程的蠕變曲線。該方程可以進一步修正如下方程： （14）為方便數據處理，對修正后的面貌函數法數學模型進行參數形式上改變，將1、2、3分別改寫為A、B、，則有下式： （15）同樣可以通過（12）式得到aij、bij、cij、dij四個常數，這部分工作可以用

19、計算機采用多元非線性回歸來完成。現將用-函數法的修正模型計算10CrMo910鋼的a、b、c、d值的結果列入下表1，根據表2中的數值，可以建立任一溫度和應力下的蠕變變形方程。7表2 10CrMo910鋼的a、b、c、d值鋼號參數（）abcdVar10CrMo910A-13.36586000-0.498099000.008700900.001673660.09656059B44.73729000-7.34893400-0.099545960.014219820.26175200-16.301160000.223321600.019144090.000194140.101658303.5 C-影射

20、法由于一函數法不能直接用于構件上進行壽命測量。而在火電廠管系上可以直接測量其表現行為(蠕變形變,如管徑脹粗)與時間的關系是很方便的。但從(11)式仍然求不出參數（i=14）來。因此,又提出了射影的方法。由(11)式,在與函數完全相同的條件下,將(11)式按Taylor級數展開后就得到下列的表達式: （16)其中: (17) (22)012是誤差項,理論上可以證明從(11)式到(16)式的轉換是可以無限精確的,而且在任意的時間范圍內收斂。由(16)式可以看出蠕變變形與時間之間可以由一系列有規律的系數i構成的多項式來描述。且i與i之間由(17)式來確定,這就是的射影方法的數學模型。其本質上是函數法

21、的進一步發展8。3.6蠕變曲線逼近法大多數關于材料蠕變曲線的測量實驗都是在較低度應力下用標準拉伸試樣在單軸應力條件下進行的，計算管道直徑蠕變曲線可用以下方程表示：Iseda8等認為，系數m約為0.3，這里的、是待定參量，可通過對管道運行過程中所測量的蠕變曲線進行擬合而求得。3.7 Graham-walles的數學模型為： Graham and Walles,1955 （15）其中，：蠕變應變率；cr：蠕變應變；T：溫度（K）；e：壁厚（mm）；：應力（MPa）；A1，n1，m1，K1：GrahamWalles蠕變規則中第一階段中的常數A2，n2，m2，K2：GrahamWalles蠕變規則中第

22、一階段中的常數A3，n3，m3，K3：GrahamWalles蠕變規則中第一階段中的常數由于目前這些數據還不完整，比較缺乏。時間、溫度方法是仍是當前在蠕變壽命計算中較為流行的方法，可以比較容易地根據蠕變溫度取得蠕變斷裂壽命。近年來，對機組壽命及其零部件的監測和管理越來越受到重視，而且計算機監測系統逐漸有取代監測儀表的趨勢。為適應這一要求，利用B軟件開發技術，自主研制開發了超超臨界機組高溫高壓管線彎頭材料壽命損耗在線監測系統。4、結論：我國人均工業化水平遠低于國際平均水平,設備性能差、單位能耗高、排放污染嚴重的現狀必將會制約我國國民經濟的持續發展。因此，大力發展超超臨界發電技術,是實現我國電力工

23、業升級換代、縮小與發達國家裝備技術的差距、實現潔凈煤發電最現實和最快捷的途徑。所以，高溫材料的使用是超超臨界機組發展的關鍵，而火電廠的管道彎頭的壽命更是普遍關心的重要問題。為了能夠快速地、準確地預測在超超臨界工況下火電廠管道彎頭的剩余壽命，近年來提出的修正法、C-影射法、Z-Parameter參數法、蠕變曲線逐步外推法、蠕變損傷及裂紋擴展的壽命評估方法、基于可靠性概率評估方法等能較好地預測主蒸汽管道壽命。這些方法都基于持久強度或蠕變試驗曲線的基礎上逐步外推，可以避免由于工況變化所帶來的誤差。但所有這些方法僅僅預測管道彎頭的監測段或在試驗相近的條件下運行的高溫構件的壽命,僅是局部的范圍，而對整個火電廠管系壽命的預測還要考慮許多因素：金屬的高溫腐蝕、金屬的熱疲勞、材質的不均勻性、管壁的局部減薄、管系附加應力、焊接工藝等因素。總之，由于科學技