超超临界锅炉过热器管及其异种钢焊接接头状态评估

摘要

超超临界(USC)火电机组中的过热器管在高温、调峰运行条件下容易造成蠕变、疲劳以及蠕变与疲劳交互作用下的失效，严重威胁USC火电机组的安全运行。目前，对T92过热器受热面管裂纹扩展以及T92/HR3C异种钢受热面管道焊接接头高温蠕变失效的研究还很少。因此，针对以上两种问题，对裂纹尖端塑性区大小、蠕变失效以及变负荷运行条件下的裂纹扩展展开研究工作，这对于开展USC机组过热器管及其异种钢管道焊接接头运行状态的评估具有重要意义。
　　(1)对含裂纹的T92过热器进行应力应变场及塑性区尺寸数值研究，结果表明在长时间高温高压下裂纹尖端的应力应变有所增大，有限元求解塑性区大小的结果与理论计算结果相比存在一定误差，证明长时间高温高压下塑性区大小有所改变;对小范围屈服进行了评估后采用修正应力强度因子K仍可作为疲劳裂纹扩展合适的断裂参量选择。
　　(2)通过对T92/HR3C异种钢管道焊接接头进行蠕变分析，发现最大主应力、等效应力和应力三轴度的峰值位于焊接界面附近区域，并随内压的增加而增大;随着运行时间的延长，T92区域内壁应力减弱而外壁加强，WM区的应力呈现出不同变化趋势易形成高拘束应力集中，焊接界面为接头的薄弱环节。
　　(3)利用高温断裂力学和NSW/NSW-MOD模型对T92/HR3C异种钢管道焊接接头的主要弱化区域WM和T92HAZ/T92界面在高温高压下进行蠕变裂纹扩展研究，获得了蠕变裂纹扩展速率与C*的关系，内压的增大会加大两处的速率，在T92HAZ/T92更为明显。
　　(4)采用断裂力学并结合数值模拟对变负荷运行条件下含裂纹T92过热器管进行疲劳裂纹扩展研究。结果表明不同负荷对应力强度因子K有重要影响;负荷在500MW～1000MW范围内波动时疲劳裂纹扩展速率明显加快;负荷变化范围幅度以及超压或超温对裂纹提前发生转折有一定的影响，但是影响程度不同。
　　(5)考虑带保载时间变负荷运行条件下对含T92过热器管进行蠕变与疲劳交互作用下的裂纹扩展。结果表明负荷在500WM～1000WM的运行条件下，保载时间的延长，蠕变作用的加强会促使裂纹扩展加速;相同保载时间下，负荷在200WM～1000WM范围内运行时交互作用下的裂纹要比负荷在500WM～1000WM范围内运行时提前发生转折。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 锅炉运行条件对含缺陷高温承压部件影响

1．2．1 锅炉运行的典型工况(条件)

1．2．2 锅炉部件的典型缺陷

1．2．3 运行工况(条件)对缺陷(裂纹)形成的影响

1．2．4 运行工况(条件)对缺陷(裂纹)发展的影响

1．3 电站锅炉高温含缺陷承压部件寿命预测方法

1．3．1 疲劳裂纹寿命预测方法

1．3．2 蠕变裂纹寿命预测方法

1．3．3 蠕变与疲劳裂纹寿命预测方法

1．4 ANSYS在断裂力学中的应用

1．4．1 裂纹尖端奇舁性的处理

1．4．2 裂纹尖端区域模型的建立

1．5 本文研究内容

第二章 超超临界锅炉过热器管裂纹尖端塑性区数值研究

2．1 引言

2．2 裂纹尖端塑性区理论模型

2．2．1 按VonMises屈服准则计算塑性区

2．2．2 按Tresca屈服准则计算塑性区

2．2．3 塑性区尺寸的统一与修正

2．2．4 应力强度因子计算

2．3 超超临界锅炉含裂纹过热器管道物理模型

2．4 含裂纹T92过热器管道有限元模型

2．4．1 裂纹结构单元选取及网格划分

2．4．2 载荷工况及边界条件

2．5 高温高压下应力应变结果分析

2．5．1 不同温度下应力应变分析

2．5．2 不同内压下应力应变分析

2．5．3 不同裂纹长度下应力应变分析

2．5．4 塑性区特征尺寸分析

2．6 本章小结

第三章 T92／HR3C异种钢管道焊接接头蠕变失效数值研究

3．1 引言

3．2 T92／HR3C无裂纹异种钢管道物理模型

3．2．1 管道焊接接头形式

3．2．2 蠕变单元选取及网格划分

3．2．3 载荷施加及边界条件

3．2．4 材料蠕变本构方程

3．3 T92／HR3C管道焊接接头应力分布分析

3．3．1 T92／HR3C管道焊接接头最大主应力结果分析

3．3．2 T92／HR3C管道焊接接头等效应力结果分析

3．3．3 T92／HR3C管道焊接接头多轴应力状态对裂纹扩展的影响

3．4 本章小结

第四章 T92／HR3C异种钢管道焊接接头蠕变裂纹扩展研究

4．1 引言

4．2 T92／HR3C含裂纹异种钢管道焊接接头计算模型

4．3 蠕变裂纹扩展速率评估方法

4．3．1 基于高温断裂力学蠕变裂纹扩展速率评估

4．3．2 基于NSW／NSW-MOD理论模型蠕变裂纹扩展速率评估

4．3．3 基于参考应力法蠕变断裂力学参量C*计算

4．4 T92／HR3C异种钢管道焊接接头蠕变裂纹扩展结果分析

4．4．1 蠕变断裂参量C*结果分析

4．4．2 T92／HR3C异种钢管焊接接头蠕变裂纹扩展速率结果分析

4．5 本章小结

第五章 超超临界锅炉过热器管疲劳裂纹扩展数值研究

5．1 引言

5．2 含裂纹T92过热器管道计算模型

5．2．1 有限元模型

5．2．2 裂纹结构网格划分及边界条件

5．2．3 变负荷运行工况

5．2．4 载荷施加方式

5．2．5 断裂参量的确定

5．2．6 疲劳裂纹扩展速率试验参数的确定

5．3 变负荷运行下疲劳裂纹扩展结果分析

5．3．1 变负荷运行下应力强度因子(幅度)结果分析

5．3．2 变负荷运行下疲劳裂纹扩展速率分析

5．3．3 变负荷运行下疲劳裂纹扩展分析

5．4 本章小结

第六章 超超临界锅炉过热器管蠕变与疲劳交互作用下裂纹扩展数值研究

6．1 引言

6．2 蠕变与疲劳交互作用下裂纹扩展速率预测模型

6．3 含裂纹T92过热器管道计算模型

6．3．1 裂纹扩展速率试验参数

6．3．2 带保持时间载荷工况

6．3．3 载荷施加方式

6．4 不同保载时间作用下裂纹扩展结果分析

6．4．1 不同保载时间下应力强度因子(幅度)结果分析

6．4．2 不同保载时间下da／dN-a结果分析

6．5 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间论文发表情况和科研情况

附录B 本文常用缩写含义

附录C 本文常用符号含义