CN112504863B - 一种定量评估材料寿命的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种定量评估材料寿命的方法，包括：确定未损耗样品的寿命以及不同老化级别样品的寿命损耗；对老化级别和寿命损耗进行数学拟合，得到函数关系；对待测样品进行老化评级；将得到的老化评级结果代入函数关系得到寿命损耗结果；所述样品和待测样品的成分相同。本发明在建立老化级别与寿命损耗函数关系的基础上，通过现场对材料的金相组织进行老化评级，从而定量评估特定条件下服役的金属材料的剩余寿命，指导技术人员掌握高温金属构件的寿命状况，据此制订运行和检修策略。与传统方法相比，本发明可以方便快捷地对材料寿命进行定量评估，从而解决了寿命评估试验耗时较长的问题，本发明方法简单、成本低、耗时短。
Description
技术领域
本发明属于寿命评估技术领域，尤其涉及一种定量评估材料寿命的方法。
背景技术
金属材料在高于450℃温度下服役时会发生蠕变损伤，金属材料的高温寿命主要是指蠕变寿命，蠕变寿命是指在特定温度和恒定应力下材料发生蠕变断裂的时间。目前蠕变寿命计算方法一般采用割管进行高温持久试验，由于炉管的设计寿命一般在30年，而进行30年的蠕变试验不现实，因此实际上都是通过提高温度或应力的方法进行加速试验，然后外推进行寿命预测。常用的计算方法主要有等温线外推法、时间-温度参数法、θ函数法等。
目前传统的寿命评估方法都需要电厂停机后进行割管，对割管进行持久试验从而评估材料寿命，即便是采用加速法进行持久试验，为了保证精度要求，试验时间也不能少于3000小时，耗费时间较长。而电厂检修期一般时间很短(1个月左右)，检修期结束时试验还没有结束，电厂在检修期结束前拿不到试验结果，无法掌握金属部件的寿命状态，也无法采取相应措施，这增加了机组运行后的安全隐患。因此需要一种简单快捷的方法，能够短时间内对材料寿命进行定量评估，给电厂提供技术指导，满足电厂检修的工期需求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种定量评估材料寿命的方法，本发明提供的方法简单、成本低、耗时短。
本发明提供了一种定量评估材料寿命的方法，包括：
确定未损耗样品寿命以及不同老化级别样品的寿命损耗；
对老化级别和寿命损耗进行数学拟合，得到函数关系；
对待测样品进行老化评级；
将得到的老化评级结果代入函数关系得到待测样品的寿命损耗；
所述样品与待测样品的成分相同。
优选的，所述确定未损耗样品的寿命以及不同老化级别样品的寿命损耗的方法包括：
选取未损耗的样品及不同老化级别的样品分别进行高温持久强度试验，根据高温持久强度试验的结果得到未损耗样品的寿命以及不同老化级别样品的寿命损耗。
优选的，所述不同老化级别样品的老化级别按照DL/T 884-2019《火电厂金相检验与评定技术导则》进行评定，根据金相组织和碳化物特征进行的分级，按照老化程度由轻到重分为1～5级。
优选的，所述高温持久强度试验的方法包括：
将样品在同一温度下进行不同应力的高温持久强度试验，得到样品在不同应力下的断裂时间。
优选的，所述温度为待测样品的服役温度。
优选的，所述应力为100～200MPa。
优选的，所述寿命损耗的计算方法包括：
无损耗样品的剩余寿命为τ0，不同老化级别样品的剩余寿命为τi，Ф为寿命损耗：
优选的，所述样品剩余寿命的获得方法包括：
根据高温持久强度试验得到的样品在不同应力下的断裂时间，建立应力和断裂时间之间的函数关系；将待测样品的服役应力代入所述函数关系，得到样品断裂时间，即为剩余寿命。
优选的，所述对老化级别和寿命损耗进行数学拟合的方法包括线性拟合、非线性最小二乘法拟合等。
优选的，所述对待测样品进行老化评级的方法包括：
按照DL/T 884-2019《火电厂金相检验与评定技术导则》进行评定，根据金相组织和碳化物特征进行的分级，按照老化程度由轻到重分为1～5级。
本发明通过金相组织老化评级来定量评估材料的寿命，在建立老化级别与寿命损耗函数关系的基础上，通过现场对材料的金相组织进行老化评级，从而定量评估特定条件下服役的金属材料的剩余寿命，指导技术人员掌握高温金属构件的寿命状况，据此制订运行和检修策略。与传统方法相比，本发明可以方便快捷地对材料寿命进行定量评估，从而解决了寿命评估试验耗时较长的问题，本发明方法简单、成本低、耗时短。
针对现有技术中寿命评估试验耗时较长的问题，本发明在得到材料老化级别与寿命损耗函数关系的基础上，通过使用简单的金相组织老化评级的方法，可以方便快捷地对材料寿命进行定量评估，从而解决了寿命评估试验耗时较长的问题，本发明方法简单、成本低、耗时短、能够满足电厂工期的需要。
附图说明
图1为本发明实施例提供的定量评估材料寿命方法的工艺流程图；
图2为本发明实施例1提供的老化级别和寿命损耗的函数关系；
图3为本发明实施例2提供的老化级别和寿命损耗的函数关系；
图4为本发明实施例2提供的拟合后得到的蠕变曲线方程。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员经改进或润饰的所有其它实例，都属于本发明保护的范围。应理解，本发明实施例仅用于说明本发明的技术效果，而非用于限制本发明的保护范围。实施例中，所用方法如无特别说明，均为常规方法。
本发明通过金相老化评级来定量评估材料寿命的方法，用于定量评估高温下服役金属材料的剩余寿命，指导技术人员掌握高温金属构件的健康状况，据此制订运行和检修策略，本发明实施例提供的定量评估材料寿命方法的流程如图1所示。
本发明提供了一种定量评估材料寿命方法，包括：
确定未损耗样品的寿命及不同老化级别样品的寿命损耗；
对老化级别和寿命损耗进行数学拟合，得到函数关系；
对待测样品进行老化评级；
将得到的老化评级结果代入函数关系得到寿命损耗结果；
所述样品和待测样品的成分相同。
在本发明中，所述未损耗样品为未服役的样品，无寿命损耗。
在本发明中，所述不同老化级别的样品为样品按照DL/T 884-2019《火电厂金相检验与评定技术导则》进行评定，根据金相组织和碳化物特征进行分级，按照老化程度由轻到重将样品分为1～5级。
在本发明中，所述未损耗样品的寿命及不同老化级别样品的寿命损耗可以通过公开的文献数据获得也可以通过试验方法获得。在本发明中，优选通过高温持久强度试验确定未损耗样品的寿命及不同老化级别样品的寿命损耗，具体方法优选包括：
将未损耗样品以及不同老化级别的样品分别进行高温持久强度试验，根据高温持久强度试验的结果获得寿命损耗。在本发明中，所述高温持久强度试验的方法优选包括：
将样品在同一温度下进行不同应力下的高温持久强度试验，得到样品在不同应力下的断裂时间。
在本发明中，所述温度优选为待测样品的服役温度，所述应力优选为100～200MPa，本发明在进行高温持久强度试验过程中优选测试样品在100～200MPa应力下的断裂时间，更优选测试5～7组样品在100～200MPa应力下的断裂时间，更优选为6组，即在100～200MPa之间选择6个不同的应力值分别测试其断裂时间，最优选测试样品在100MPa、110MPa、120MPa、150MPa、160MPa和190MPa应力下的断裂时间。
在本发明中，所述寿命损耗反映的是材料老化对总寿命的损耗程度，选取未损耗样品进行高温持久强度试验得到其剩余寿命为τ0，τ0可作为未损耗样品的总寿命，τi是不同老化级别样品的剩余寿命，Ф是寿命损耗，通过下式计算求得：
在本发明中，优选根据样品在不同应力下的断裂时间建立样品应力与断裂时间之间的函数关系；将待测样品的服役应力代入此函数关系得到样品的剩余寿命。
本发明对所述建立样品应力与断裂时间之间的函数关系的方法没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的函数关系建立方法即可，如可采用origin、matlab等数学工具软件进行函数关系建立。
在本发明中，所述数学拟合为采用数学手段对一组数据进行构造函数，使其无限逼近数据，使得该函数能够描述该组数据的规律。本发明对不同老化级别样品的寿命损耗值Ф与老化级别i进行拟合，得到函数关系：
f＝f(i,φ)。
在本发明中，所述函数关系与运行条件(温度、压力)有关，与材料本身也有关，珠光体耐热钢、马氏体耐热钢和奥氏体不锈钢等不同材料的特性有所不同，其老化级别与寿命损耗的函数关系也不相同，针对不同材料应分别进行函数拟合。
本发明对所述数学拟合的方法没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的数学拟合方法即可，所述对老化级别和寿命损耗进行数学拟合的方法包括线性拟合、非线性最小二乘法拟合等，如可以采用origin、matlab等数学工具软件进行拟合。
在本发明中，所述对待测样品进行老化评级的方法优选包括：
按照DL/T 884-2019《火电厂金相检验与评定技术导则》进行评定，根据金相组织和碳化物特征进行的分级，按照老化程度由轻到重分为1～5级，反映了材料组织劣化的程度。
在本发明中，按照DLT 884-2019《火电厂金相检验与评定技术导则》的规定，采用割管或现场金相，对待测样品金属部件进行金相组织老化评级；针对珠光体耐热钢、铁素体耐热钢和奥氏体不锈钢等不同材料，采用不同的评级标准分别进行评级，老化级别按照老化严重程度从轻到重分为1～5级。
在本发明中，对待测样品的金相组织进行老化评级后，根据上述得到的老化级别和寿命损耗函数关系，可通过将老化级别带入函数关系得到待测样品的寿命损耗，进而评估材料的剩余寿命。
本发明解决了现场评估材料寿命需要割管进行破坏性试验，并且试验耗时较长的问题，传统方法中割管开展持久试验需要耗费较长时间，而电厂检修期一般较短，这意味着电厂检修结束前无法及时评估材料寿命状况，从而增加运行风险。本发明通过建立材料老化级别与寿命损耗函数关系的基础上，通过现场金相组织老化评级，可方便快捷的得到材料的寿命损耗，从而评估材料的剩余寿命，方法简单、成本低、耗时短。
实施例1
对珠光体耐热钢12Cr1MoV进行老化级别和寿命损耗进行数学拟合，表1为不同老化级别样品的剩余寿命：
表1 12Cr1MoV不同老化级别的持久寿命
将老化级别与寿命损耗进行拟合，得到二者的函数关系f(i,Ф)，如图2所示。
实施例2
对电厂在役马氏体耐热钢T91受热面管道进行寿命评估，方法如下：
选取未损耗的T91样品以及老化级别分别为1～5级(按照DLT 884-2019《火电厂金相检验与评定技术导则》进行老化级别评定)的T91样品分别进行高温持久强度试验，高温强度持久试验过程中的温度为570℃，分别在压力为100MPa、110MPa、120MPa、150MPa、160MPa和190MPa的条件下进行高温持久强度试验，得到未损耗样品以及不同老化级别样品在不同压力下的断裂时间，建立样品应力和断裂时间之间的函数关系，此函数即不同老化级别样品的蠕变方程。
已知管道规格和运行压力，通过下面公式进行管道内压应力的计算：
其中σ是管道内压应力，p是运行压力，D0是管道外径，s是管道壁厚。
将管道内压应力σ代入上述蠕变方程，得到未损耗样品以及不同老化级别样品的剩余寿命，未损耗样品的剩余寿命为总寿命，总寿命与不同老化级别样品剩余寿命之差与总寿命的比值为寿命损耗。表2为不同老化级别样品的剩余寿命：
表2T91不同老化级别样品的剩余寿命
对马氏体耐热钢T91的老化级别和寿命损耗进行数学拟合，得到二者的函数关系f(i,Ф)，如图3所示。
按照DLT 884-2019《火电厂金相检验与评定技术导则》的规定，对待测马氏体耐热钢T91受热面管道进行老化评级，评级结果为老化级别为2.5级；
根据函数关系(图3)，将老化级别2.5代入，得到T91管道寿命损耗Ф＝51％，总寿命为192000h，则其剩余寿命为94000h。
为了验证结果，对T91管道割管进行高温持久强度试验，试验温度570℃，分别在压力为100MPa、110MPa、120MPa、150MPa、160MPa和180MPa的条件下进行断裂时间的测试，最长断裂时间7356h；对应力和断裂时间进行数学拟合，得到蠕变曲线方程如图4所示，该在役T91受热面管道规格为Ф48×6.6mm，运行压力25.4MPa，计算得管道内压应力σ＝79.7MPa，将该应力σ代入蠕变曲线方程，得寿命τ＝96161h，对比本发明测试的剩余寿命94000h，误差为2.2％。
本发明通过金相组织老化评级来定量评估材料的寿命，在建立老化级别与寿命损耗函数关系的基础上，通过现场对材料的金相组织进行老化评级，从而定量评估特定条件下服役的金属材料的剩余寿命，指导技术人员掌握高温金属构件的寿命状况，据此制订运行和检修策略。与传统方法相比，本发明可以方便快捷地对材料寿命进行定量评估，从而解决了寿命评估试验耗时较长的问题，本发明方法简单、成本低、耗时短。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，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 (5)
1.一种定量评估材料寿命的方法，包括：
选取未损耗的样品及不同老化级别的样品分别进行高温持久强度试验，根据高温持久强度试验的结果得到未损耗样品的寿命以及不同老化级别样品的寿命损耗；
对老化级别和寿命损耗进行数学拟合，得到函数关系；
对待测样品进行老化评级；
将得到的老化评级结果代入函数关系得到待测样品的寿命损耗；
所述样品与待测样品的成分相同；
所述高温持久强度试验的方法包括：
将样品在同一温度下进行不同应力的高温持久强度试验，得到样品在不同应力下的断裂时间；
所述温度为待测样品的服役温度；
所述寿命损耗的计算方法包括：
无损耗样品的剩余寿命为τ0，不同老化级别样品的剩余寿命为τi，Ф为寿命损耗：
；
所述样品剩余寿命的获得方法包括：
根据高温持久强度试验得到的样品在不同应力下的断裂时间，建立应力和断裂时间之间的函数关系；将待测样品的服役应力代入所述函数关系，得到样品断裂时间，即为剩余寿命。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述不同老化级别样品的老化级别按照DL/T 884-2019《火电厂金相检验与评定技术导则》进行评定，根据金相组织和碳化物特征进行的分级，按照老化程度由轻到重分为1~5级。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述应力为100~200MPa。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对老化级别和寿命损耗进行数学拟合的方法包括：线性拟合、非线性最小二乘法拟合。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对待测样品进行老化评级的方法包括：
按照DL/T 884-2019《火电厂金相检验与评定技术导则》进行评定，根据金相组织和碳化物特征进行的分级，按照老化程度由轻到重分为1~5级。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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