先进火力电厂机组动力机械材料损伤行为 水利电力 崔璐，王澎
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作者崔璐，王澎
出版社科学出版社
ISBN9787030589781
出版时间2018-11
版次1
装帧平装
开本B5
页数152页
字数189千字
定价88元
货号xhwx_1201811422
上书时间2021-12-05
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前言
章 绪论 1
第2章 高温恒定载荷下的蠕变特 4
2.1 高温蠕变力学能试验 4
2.2 高温蠕变特征 5
2.3 高温蠕变寿命 13
第3章 启停工况下与载荷波动的蠕变疲劳行为 15
3.1 高温疲劳力学能试验 15
3.2 高温低周疲劳行为 16
3.3 叠加高频振动的低周疲劳特 27
3.4 温度影响下的低周疲劳特 30
第4章 工况载荷下蠕变疲劳特 33
4.1 工况载荷下试验方案与技术 36
4.2 单轴工况载荷下的蠕变疲劳特 40
4.3 双轴工况载荷下的蠕变疲劳特 52
4.4 缺处的蠕变疲劳特 58
4.5 工况载荷下损伤特征 63
第5章 设备材料模型的建立 79
5.1 材料唯真模型 79
5.1.1 应力应变关系的建立 79
5.1.2 损伤分析及寿命预测 87
5.2 材料本构模型 92
第6章 机组设备的损伤描述 98
6.1 临近工况下设备材料特描述 98
6.1.1 单轴临近工况载荷 98
6.1.2 多轴临近工况载荷 106
6.2 设备部件损伤特征的描述 116
6.3 启停方案优化 126
第7章 寿命模型的评价 131
7.1 可移植和工作量 131
7.2 适用和可靠 132
第8章 结论与展望 135
参文献 138
内容简介：
优选火力电厂机组动力机械材料损伤行为以我国中长期科学和技术发展规划纲要（20062020）、"中国制造2025"以及我国能源发展"十三五"规划为背景，从优选调峰火电厂机组用耐热钢在临近工况下的损伤特展开，介绍了机组在（准）稳定运行载荷工况下的蠕变特和评定方、在启停工况下的低周疲劳、高周疲劳、以及高低周复合工况下的损伤特和评定方、蠕变与疲劳交互特和评定方、以及在临近整个运行工况下的多重载荷作用下的复杂蠕变疲劳损伤特和评定方。
精彩内容：
章 绪论
在优选节能减排的目标下，越来越多的新能源开始发电并网。这些新能源（例如光伏、风能等）的间歇式输出模式会给电网带来波动（图1.1）。因此，在可预知的未来，火力发电[1]在能源结构中不但将继续发挥其不可替代的作用，而且还将被赋予调峰的职责。调峰过程中机组的频繁启停，会加剧其高温部件的疲劳蠕变损伤，从而缩短机组寿命。随着“厂网分离，竞价上网”的发展趋势，发电企业会在定价策略中主动找到调峰所带来的高额利润和机组寿命损耗的衡点，从而实现经济效益很大化。因此，无论是我国优选火电技术主要方向[2，3]且具有高效低排特点的大容量超超临界机组（蒸汽温度不低于593℃或蒸汽压力不低于30mpa[4]），还是其他正在运行的机组，都需要在设计、运行、监控等方面虑调峰功能所带来的寿命损耗。
图1.1电网供电负荷和风力供电负荷
图片来源：德国e.one公司
发电机组的关键零部件在服役过程中承受着很好复杂的机械载荷和热载荷等多重载荷，例如汽轮机转子运行工况下的载荷包括由重力、蒸汽压力和离心力等组成的初级载荷，以及由启停过程中温度变化和瞬时负荷波动引起的次级载荷[5]（图1.2）。初级载荷在设备部件材料上表现为应力控制形式，高温环境中会引起设备材料的蠕变形变和蠕变损伤。次级载荷具有周期交替的特点，引起设备材料的低周疲劳形变和低周疲劳损伤[5]（lcf）。与此同时，转子无论在运行工况高速旋转还是启停的过程中，重力所引起的弯矩均会在转子表面形成高频率振动，使设备材料产生高周疲劳损伤[6]（hcf）。这种机组运行过程中的蠕变-疲劳交互作用，会加速部件表面的开裂。
图1.2汽轮机转子承受的载荷[5]
耐热钢是发电机组主体用材，其高温强度是机组热力机械和设备选材的重要参数。选材需要虑所选耐热钢调制处理后的高温屈服强度、韧及其抗蠕变能。通常情况下，大型火力汽轮发电机组的设计寿命为30年，其中，热力机械和设备的设计运行时间为105h（约11.4年）[7]，满足设计寿命的典型耐热钢的蠕变强度如图1.3所示。在设计寿命下，1%～2%cr型铁素体和贝氏体结构的耐热钢种的优选服役温度范围为540～550℃；9%～12%cr型高合金马氏体和奥氏体耐热钢种的优选服役温度范围为550～600℃。随着优选气候变暖，节能减排成为当前优选的发展目标。提高运行过程中蒸汽压力和温度是当前火电厂提高效率、减少co2排放量的有效途径。目前，美国、本和欧洲的一些在研发和认证新型超超临界电厂主要高温部件用耐热钢方面仍处于世界保证靠前地位。美国的epri（electrical power research institute）、欧洲的cost（european cooperation in science and technology）项目、eccc（european creep collaborative mittee），以及本的epdc（electrical power developing pany）等组织[8]的研究主要集中于锅炉的热交换器（例如高温过热器与再热器）、厚截面高温承压部件（例如高温过热器与再热器的进出集箱、管道及其附件）和汽轮机转子等。研发的材料主要为9%～12%cr铁素体（马氏体）钢和奥氏体钢[9，10]。奥氏体钢虽然有很好的抗持久、抗腐蚀能，然而由于它的热导率低、热膨胀系数大、抗疲劳抗力差等特点，并不适用于大型的热动力设备部件（例如汽轮机转子[11]等）。铁素体钢则具有热导率高、热膨胀系数小、抗疲劳能力高的能。来，发达在注重改善奥氏体钢能的同时，将研发重点转向9%～12%cr铁素体（马氏体）钢[12-14]，以用于锅炉管、锅炉厚截面部件以及汽轮机转子。这类钢种不仅仅是600℃超超临界火力电厂高温部件的优选钢，而且也是新一代700℃超超临界火力电厂镍基/耐热钢混合型汽轮机转子的主选钢[15，16]。
图1.3不同高温材料类的105h蠕变强度
为了更准确掌握发电机组设备用材的能，进一步提高设备利用率以及更加准确地评估设备的寿命，以及为发电机组的设计、运行、管理、监控等方面提供理论依据，本书主要研究优选火力电厂调峰运行工况下的机组设备用耐热钢的能，研究主要从恒定载荷下的蠕变损伤分析、交变载荷下的疲劳损伤分析及蠕变–疲劳交互作用3方面展开。
第2章 高温恒定载荷下的蠕变特
在机组稳定运行工况下，机械设备长时间承受（准）恒定载荷作用。设备材料在长时恒定载荷作用下的强度会随着形变和氧化过程而下降。机组材料的长时形变和强度特是进行热力设备设计、计算、运行和监控等方面很好重要的前提条件。金属材料在高于其熔化温度30%～40%的环境中承受恒定载荷时，即使这一载荷远低于它的屈服强度，也会随时间发生塑形变，这是所谓的蠕变[17]。蠕变损伤分析不是本书的研究重点，但为了保证研究的完整，并为分析蠕变疲劳交互作用，本章将与本研究相关的蠕变研究成果做以简单介绍。
2.1 高温蠕变力学能试验
在机组稳定运行过程中，设备承受（准）恒定载荷，此时设备材料的力学能通过高温蠕变试验进行测定。高温环境中材料的力学能会随着环境的改变而改变，因此，对于不高于600℃的汽轮机组材料，相关标准（例如gb/t2039）规定试验过程中的温度偏差不能超过±3℃。控制与调节温度所用的热电偶依据gb/t16839和din43710进行选择和标定，以减少热电偶引起的误差并确保其在（超）长时试验中的稳定。
依据iso204、gb/t2039和dinen10291标准，高温蠕变试验分为非中断试验和中断试验。非中断试验指的是在蠕变试验进行过程中，利用安装在试样上的引伸计连续不断地读取试样测试区域伸长的方。一般情况下，通过加载恒定砝码方式的单试样试验机或多能试验机上进行的蠕变试验多采用非中断试验。中断试验指的是在蠕变试验过程中允许多次周期人为中断试验以便测量试样伸长量的方。试验中断后将试样从试验机上卸载取下，在规定的环境温度下测量并记录试样伸长，然后再将试样重新装入试验机继续进行试验，重复试验流程直至试样断裂。试样伸长的测量以预先在试样测试区边界处植入的不宜发生高温腐蚀与形变的陶瓷针为基准，借助显微镜和所附带的游标卡尺实现。采用中断型试验的试样上无需安装引伸计，可以实现多试样串联技术，以降低成本。
采用非中断试验的蠕变试验，数据采集精度较高，试验成本也较高，时长在500h以内的蠕变试验多采用此试验方。相比之下，采用中断试验方的蠕变试验所获取的数据精度较低，但试验成本也较低，因此（超）长时蠕变试验一般采用该方。耐热钢的蠕变特征曲线可以分为起始状态的非线区、稳定状态的线区和失效前的非线区。依据这一曲线特征，并兼顾蠕变试验的经济和数据精度，可将两种蠕变试验方进行结合：蠕变试验进行的初期，蠕变特征曲线起始阶段的非线区域，在单试样试验机上进行，以保证数据采集的准确度；当进入稳定的线区域后，采用多试样串联技术，以降低长时试验成本。
2.2 高温蠕变特征
对于需要频繁启动的调峰机组设备的蠕变损伤特征的分析，除了需要设备材料在运行工况温度下的蠕变能特征外，低于运行温度的蠕变能曲线也是必不可少的。
依据金属材料在高温持续载荷环境下的微观损伤演变特点，可以将蠕变应变随加载时间的关系曲线划分为阶段ⅰ、阶段ⅱ和阶段ⅲ3个过程区域[18]（图2.1）。蠕变特可以通过唯真模型和本构模型描述。唯真模型是将恒定温度和恒定应力下的蠕变特采用数学方从现象上进行描述。本构模型是基于很好复杂的本构关系，将材料形变、强化（软化）特征以及损伤演变耦合于一体。因此模型中所涉及的参数较多，模型建立和系数的确定较为复杂。唯真模型使用简单，且能够较为准确地预测蠕变失效寿命，通常在机组设计和设备监控中所采用。综合虑蠕变应变速率随蠕变之间的关系和蠕变速率与加载时间之间的关系，可以得出很小蠕变速率与所加载应力之间的关系[19]（图2.2）。由此可见，蠕变曲线次级区域（图2.1中阶段ⅱ过程区域）中的蠕变速率，即很小蠕变速率是唯真蠕变模型中一个很好重要的参数。由于在曲线次级区域中，材料随时间的强化过程与本身受热回复过程达到衡状态，因此蠕变速率达到很小值。
图2.1蠕变应变随时间的变化
图2.2很小蠕变速率与所加载应力之间的关系推导
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