超超临界机组主蒸汽管道局部腐蚀寿命预测

超超临界机组主蒸汽管道局部腐蚀寿命预测
胡军  刘菲  艾波  程光旭  段权  张早校
西安交通大学能源与动力工程学院，西安市咸宁西路28号 710049
摘要：针对超超临界机组主蒸汽管道的腐蚀老化损伤问题，提出了从微观裂纹萌生到宏观裂纹扩展直至失效的四阶段概率寿命预测模型。在寿命预测过程中，首先确定了各种不同缺陷转换的临界值；然后利用腐蚀电化学理论计算了裂纹萌生时间；利用细胞自动机确定了微裂纹亚稳态扩展时间；利用断裂力学的方法确定了宏观裂纹扩展时间；最后，在综合考虑了服役所处的化学环境和服役过程中的一些随机和不确定性的因素的基础上，利用蒙特卡洛方法完成了对超超临界机组主蒸汽管道的概率寿命预测。研究结果对超超临界机组的安全运行以及制定合理的维修周期和可能的延寿工作都有非常重要的意义。
关键词：超超临界；主蒸汽管道；多尺度；寿命预测
1 背景介绍
超超临界机组能明显的提高火电机组的效率并减少污染，是当今世界火电机组发展的一个新动向。主蒸汽管道是超超临界机组的关键设备之一，主蒸汽管道材料在运行时间过程中．承受以温度为量度的热负荷和以压力为量度的机械负荷联合作用，随着服役时间的延长，管道会发生不同程度的老化，其安全性和可靠性问题将日显突出。为了改善管道的安全性和经济性，迫切需要在清楚认识各种老化机理的条件下，展开对主蒸汽管道老化损伤行为和剩余寿命预测的研究，为管道的检修、维护和更换提供必要的理论支持。
在主蒸汽管道中，点蚀和应力腐蚀是其中的一种损伤形式。许多人已经在这方面积极开展相关的研究。研究的重点之一是腐蚀的机理研究，目前，已有十多种腐蚀机理的模型，例如：Film-rapture model，The enhanced surface mobility theory，The internal oxidation mechanism，The hydrogen induced cracking model，Nucleation of a high density of bubbles at the grain boundary等模型 [1-2]。研究的另一个重点是腐蚀速率的分析，不同的研究者也从不同的角度提出了自己的速率预测模型。总体上有两类方法，一类是基于理论的模型，比如利用断裂力学，电化学理论得到腐蚀速率 [3-4]；另一种是通过拟合试验数据的得到的模型，比如利用人工神经网络，支持向量机，灰色理论等模型 [5]。总的来说，目前的研究主要包括对损伤机理和损伤速度的研究。这些卓有成效的工作已经奠定了对主蒸汽管道应力腐蚀老化损伤和寿命预测进行分析的基础，但是这些研究往往侧重于单独的一些过程和重要参数计算，目前还很少有研究者从微观裂纹萌生到宏观裂纹扩展直至失效的整个损伤过程进行模拟和分析。
本文打算以主蒸汽管道应力腐蚀损伤作为主要的研究对象，从老化损伤的本质出发，提出了一个比较全面的从微观裂纹萌生到宏观裂纹扩展直至失效的四阶段多尺度模型，并利用此模型对整个损伤过程进行了数值模拟分析。在模拟过程中，微观损伤基于电化学原理，宏观损伤基于断裂力学原理，同时考虑了参数的不确定性，采用蒙特卡洛方法对主蒸汽管道进行了概率寿命预测。最后，结合一个具体实例说明了该概率寿命预测方法的应用价值。研究结果对于管道的管理、维护和更换有很重要的指导意义。

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2012-1-19 09:59 上传

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