鍋爐蛇形管摩擦焊接頭殘余壽命計(jì)算模型

　通過對(duì)大量新制的15CrMo摩擦焊接頭的高溫內(nèi)壓爆破持久試驗(yàn)，證明了試驗(yàn)規(guī)范的正確性和各組合應(yīng)力水平的失效機(jī)理的致性。在此規(guī)范的基礎(chǔ)上，對(duì)已運(yùn)行過132kh的12Cr1MoV摩擦焊接頭，建立了帶有可靠度指標(biāo)的殘余壽命數(shù)學(xué)模型，計(jì)算結(jié)果明摩擦焊接頭，在設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)是完全可靠的，摩擦焊這種焊接工藝的質(zhì)量是穩(wěn)定可靠的。文中提出的試驗(yàn)方法和數(shù)學(xué)模型對(duì)高溫承壓部件的殘余壽命的預(yù)測(cè)和確定那些超期服役管道或接頭的更換時(shí)間方面具有實(shí)際意義。

　　言在電站鍋爐的設(shè)計(jì)中，以金屬材料100吐的持久強(qiáng)度值作為設(shè)計(jì)依據(jù)。要想了解焊接接頭的高溫持久強(qiáng)度性能和推測(cè)其殘余壽命，在試驗(yàn)室中不可能進(jìn)行這樣長(zhǎng)時(shí)間的高溫試驗(yàn)。因此，人們都致力于短期加速壽命試驗(yàn)，分析試驗(yàn)所獲得數(shù)據(jù)，采用數(shù)學(xué)方法外推持久強(qiáng)度或殘余壽命。

　　1加速壽命試驗(yàn)規(guī)范i.i試驗(yàn)方法恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)是眾多加速試驗(yàn)方法中應(yīng)用得最多理論也最成熟的種。概括地說，這種試驗(yàn)方法就是在高于有時(shí)根據(jù)需要可等于甚至低于正常應(yīng)力水平的幾個(gè)應(yīng)力水平下，分別投入若干個(gè)試樣進(jìn)行壽命試驗(yàn)。由于本文研究的焊接接頭是工作在高溫高壓的環(huán)境中，溫度和壓力對(duì)焊接接頭括機(jī)械應(yīng)力簡(jiǎn)稱應(yīng)力和溫度應(yīng)力簡(jiǎn)稱溫度。這就是說，本文所指持久強(qiáng)度試驗(yàn)是以應(yīng)力和溫度為雙加速因子的加速壽命試驗(yàn)。

　　1.2加速壽命試驗(yàn)規(guī)范試驗(yàn)規(guī)范即在試驗(yàn)過程中應(yīng)遵循的原則，像本收穡日期200022基金項(xiàng)目原機(jī)械工業(yè)部技術(shù)發(fā)展基金資助項(xiàng)目9050801文所做的大批量長(zhǎng)時(shí)間的高溫高壓持久強(qiáng)度試驗(yàn)，制定套細(xì)致嚴(yán)密科學(xué)的試驗(yàn)規(guī)范是非常必要應(yīng)力范圍確定為保證外推的有效性，試驗(yàn)應(yīng)力水平最低者，必須低于或等于預(yù)計(jì)的外推值或使用值。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，把預(yù)計(jì)的承載壽命和溫度結(jié)合起來，綜合考慮后確定最高應(yīng)力水平。

　　溫度范圍確定由文獻(xiàn)2可知，對(duì)于鍋爐用鋼，最高溫度高出使用溫度約50，為宜。最低試驗(yàn)溫度應(yīng)略低于或等于最低使用溫度。

　　應(yīng)力分檔方法根據(jù)外推公式中系數(shù)的個(gè)數(shù)。

　　應(yīng)力以分45檔為宜，因?yàn)閼?yīng)力和承載壽命間呈遞冪率關(guān)系，所以當(dāng)最低應(yīng)力，1和最高應(yīng)力巧確定后，其它檔次的應(yīng)力=2，3，左1應(yīng)按，=1+，1左1來確定。

　　溫度分檔方法理由同上，以45檔為宜，并考慮試驗(yàn)機(jī)的控溫精度。因?yàn)闇囟扰c承載壽命間關(guān)系符合人如奶方程當(dāng)最低和最高試驗(yàn)溫度乃和7確定后，其它檔次的溫度乃=23應(yīng)按了，1=，廠左1來確定。

　　試樣的投入數(shù)因?yàn)橥瑴囟韧瑧?yīng)力下，該組試樣但為了求出承載壽命，的對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差5，組試樣不應(yīng)少于4個(gè)。

　　試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)按般加速試驗(yàn)理論，為保證外推的有效可靠，其各應(yīng)力水平的破壞機(jī)理要保持致。從數(shù)學(xué)上講，各應(yīng)力水平的承載壽命，如焊接學(xué)報(bào)果服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布時(shí)，對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差要相同，才能保證破壞機(jī)理致。所以試驗(yàn)后要把溫度及應(yīng)力都相同的各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差求出，并進(jìn)行比較，以檢驗(yàn)失效機(jī)理是否相同。

　　2雙因子加速試驗(yàn)加速系數(shù)的研究加速系數(shù)是用加速壽命試驗(yàn)方法研究產(chǎn)品可靠性問中個(gè)非常重要的指標(biāo)，設(shè)在標(biāo)準(zhǔn)工作狀態(tài)下的壽命為化，在某應(yīng)力水平下的壽命為，則稱化為該應(yīng)力水平的加速系數(shù)。

　　由人1吐6冊(cè)方程可知，當(dāng)溫度和應(yīng)力都對(duì)壽命有影響時(shí)，其加速壽命方程13為確定的常數(shù)。假定正常工作狀態(tài)下組合應(yīng)力為在某組合應(yīng)力乃嚇進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)。根據(jù)式1可以得到總的加速系數(shù)為分別為以應(yīng)力和溫度單獨(dú)加速時(shí)的加速系數(shù)，式2說明，如果以應(yīng)力和溫度同時(shí)作為加速變量時(shí)，其總過對(duì)15通，鍋爐用管的摩擦焊接頭的不同溫度和不同應(yīng)力的內(nèi)壓爆破持久強(qiáng)度加速試驗(yàn)數(shù)據(jù)1和文獻(xiàn)45所提供的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算，也證明了上述這點(diǎn)。

　　3帶有可靠度指標(biāo)的殘余壽命預(yù)測(cè)31試驗(yàn)方案的制定本試驗(yàn)研究所用試件分為兩種，種是由哈爾濱鍋爐制造有限責(zé)任公司專為試驗(yàn)而制的新的15，通，令425心摩擦焊管接頭；另種是取自大慶新華發(fā)電廠運(yùn)行溫度為540，管內(nèi)介質(zhì)壓力為100大氣壓下，已運(yùn)行了13214的121河。，42爪爪5爪爪過熱器摩擦焊管接頭。

　　對(duì)新的15河。管接頭進(jìn)行試驗(yàn)，其目的是為了驗(yàn)證試驗(yàn)規(guī)范的正確性和可行性，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析處理，來檢驗(yàn)各不同組合應(yīng)力水平下的失效機(jī)理是否致，試驗(yàn)方案及結(jié)果1.在以上試驗(yàn)無誤的條件下，對(duì)經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行的舊121河，試件進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)方案及結(jié)果2.上述試驗(yàn)都是在哈鍋材料研究所的內(nèi)壓爆破試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的。5厘。試驗(yàn)方案及試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table1Testingplaneandtesting兩種材料的高溫持久壽命服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。對(duì)3.2殘余壽命預(yù)測(cè)模型的建立根據(jù)文獻(xiàn)4 5的結(jié)論，15通，和12啁，1和2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在不同的組合應(yīng)力水平下，在對(duì)數(shù)正態(tài)概率紙上，可回歸出不同的組合應(yīng)力水平的分布直線。為說明問1只給出了應(yīng)力水平5678的15擤，址植賈畢擼，貿(mào)口1證檢驗(yàn)6也可得到相同的結(jié)論。根據(jù)加速壽命試驗(yàn)的基本條件，各不同應(yīng)力水平下試件的失效機(jī)理應(yīng)相同，因此在對(duì)數(shù)正態(tài)概率紙上的分布直線應(yīng)該是大致相互平行的，即其標(biāo)準(zhǔn)差應(yīng)大致相等。從1所做的分布直線也可看出這結(jié)輪。

　　對(duì)于本研究所采用的溫度和應(yīng)力雙加速壽命試驗(yàn)，為了對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有個(gè)更精確的描述，采用了極大似然函數(shù)法進(jìn)行分布參數(shù)和試驗(yàn)常數(shù)的估計(jì)。在每個(gè)組合應(yīng)力水平乃，5下進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)于壽命分下的對(duì)數(shù)壽命均值278，6.至此就可以建立起布為兩參數(shù)的對(duì)數(shù)正態(tài)分布時(shí)，其標(biāo)準(zhǔn)差，與應(yīng)力水平無關(guān)，由式可知對(duì)數(shù)均值與溫度和應(yīng)力5之間應(yīng)滿足力7，5下，有，7個(gè)試件進(jìn)行完全壽命試驗(yàn)，試件1；=2，2，用這些數(shù)據(jù)估計(jì)，50，可得到用復(fù)合函數(shù)形式的似然函數(shù)為1數(shù)，然后對(duì)，64求偏導(dǎo)數(shù)，并令各偏導(dǎo)數(shù)為零，即得5個(gè)超越方程，將1的數(shù)據(jù)代入，利用優(yōu)化估計(jì)方法7可求得各參數(shù)的估計(jì)值。=33.7265=估計(jì)值代入式3中，求得各組合應(yīng)力水平的均值心和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差，組合應(yīng)力水平。1大分散比的方法來檢驗(yàn)失效機(jī)理是否相同，由求得各標(biāo)準(zhǔn)差可知，小于文獻(xiàn)學(xué)上又證明了各應(yīng)力水平的失效機(jī)理相同的結(jié)論。

　　假定15碰，鋼鍋爐用管的正常運(yùn)行溫度為510，⒐苣誚櫓恃沽ξ，00個(gè)大氣壓，按式，=1十3212可求出折算應(yīng)力為36.26肘，決利用以上所求的各數(shù)據(jù)和式3求出正常運(yùn)行工況帶有可靠度指標(biāo)的殘余壽命預(yù)測(cè)模型，因?yàn)橐阎�持久壽命服從�?duì)數(shù)正態(tài)分布，其可靠度函數(shù)為把15.碰，在正常運(yùn)行工況下的均值標(biāo)準(zhǔn)差以及不同可靠度所對(duì)應(yīng)的2值代入式6，可以得到新的15.喵，摩檫焊焊接接頭的可靠壽命為以9 132kh的12Cr1MnV過熱器管的摩擦焊接頭試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算各參數(shù)的估計(jì)值為=0.028作溫度是540管內(nèi)介質(zhì)壓力為個(gè)大氣壓，其折算應(yīng)力仍為36.26肘，可求出正常運(yùn)行工況下的對(duì)數(shù)均值為=15.435，利用式6計(jì)算出經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間氧化和磨損作用的121肘摩擦焊管接頭的殘余壽命為化。9= 4結(jié)論通過對(duì)15.碰打和121肘兩種材料新舊兩種摩擦焊管接頭試件試驗(yàn)，以及對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析處理，可得出如下結(jié)論本文所提出的加速壽命試驗(yàn)規(guī)范和溫度應(yīng)力雙加速試驗(yàn)的方法是正確的，并且也是切實(shí)可行的。長(zhǎng)時(shí)間的高溫氧化和面磨損作用，對(duì)殘余壽命的影響是明顯的。所以，在上述對(duì)121肘已運(yùn)行132吐的試件的折算應(yīng)力計(jì)算中，應(yīng)考慮氧化層與磨損對(duì)折算應(yīng)力的影響，其殘余壽命應(yīng)比計(jì)算結(jié)果有所降低此課在進(jìn)行過程中，對(duì)東北內(nèi)蒙及華北地區(qū)的火力發(fā)電廠近30余臺(tái)機(jī)組進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，尚未發(fā)現(xiàn)在設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)在焊縫處出現(xiàn)破壞的摩擦焊管接頭。綜合上述試驗(yàn)及理論分析計(jì)算的結(jié)果，可以說摩擦焊焊接接頭在設(shè)計(jì)壽命周期內(nèi)是完全可靠的此方法的建立，對(duì)把可靠性理論推廣到鍋爐高溫受壓部件的持久強(qiáng)度外推和殘余壽命預(yù)測(cè)方面，特別是在確定是否更換或什么時(shí)間更換那些已超期服役的鍋爐管道的焊接接頭和材料具有定的實(shí)際意焊接學(xué)報(bào)戴樹森。可靠性試驗(yàn)及統(tǒng)計(jì)分析下。