一种高温管道损伤及寿命的在线预测方法技术

本发明专利技术是一种高温管道损伤及寿命的在线预测方法，其实施步骤包括： (1)对高温管道进行损伤耦合的有限元模拟分析；(2)根据分析结果，找出 重点监测部位，设置传感器，监测其应变；(3)针对不同工况，进行有限元 (包含本构方程的分析子程序)分析，建立损伤-应变及剩余寿命-应变的数 据库；(4)将在线监测的应变值和载荷工况的数值与数据库的数据进行在线 查询对比，得出相应损伤和剩余寿命的评估值；本发明专利技术的优点是：在正常生 产的同时能对运行中的高温管道进行实时监测，及时反映重要部件、关键部 位的变形和损伤，对管道的使用和剩余寿命做出正确的估算，有利于保障生 产安全、调整生产负荷、合理维修规划并有效地延长生产设备的寿命。

【技术实现步骤摘要】
专利说明
本专利技术涉及高温构件的寿命预测领域，涉及一种基于应变测量的寿命预测技术，可用于实时监测高温管道的损伤情况及剩余寿命。
技术介绍
电力工业是关系国计民生的重要行业。火电机组是电厂的重要组成部分，它的使用寿命与电厂运行的经济性和安全性密切相关。高温高压管线尤其是主蒸汽管道的设计寿命是普遍关心的重要问题。长期工作在高温高压下的主蒸汽管道材料，在温度和应力作用下，材料的显微结构、力学性能、耐热性能、物理性能都会缓慢地变化。材料在使用过程中出现的老化现象，实质上是蠕变损伤积累和材质劣化，并最终在应力作用下开裂失效的现象。 对于高温高压管线寿命预测技术，特别是热电厂中的主蒸汽管道的寿命设计与预测，国内外的科研机构和生产单位开展了大量的研究工作，积累了一些有意义的研究成果。目前国内外预测主蒸汽管的使用寿命的研究基本都是取样进行实验分析，基于不同的模型或方法离线进行剩余寿命预测。 预测主蒸汽管道寿命的外推方法多种多样，早期的外推方法主要采用等温线外推法，这种方法精度低，试验时间较长。到了20世纪50年代，出现了外推精度较高的时间—温度参数外推法，其中以Larson-Miller公式最为著名。近年来，主蒸汽管道寿命预测方法已由持久强度为主要指标的传统方法转向以蠕变变形量为主要指标的θ法、由θ法发展而来的C射影法以及蠕变曲线逐步外推法。 另外，以持久强度试验为主的综合分析法一直被人们用来预测主蒸汽管道的寿命。基于可靠性的寿命评估方法和蠕变损伤及裂纹扩展的寿命评估方法也是近年来人们提出的预测主蒸汽管道寿命的新方法。 在国内，已有多项专利技术用于研究高温部件寿命预测的问题，如中国专利CN03134314.7“高温部件蠕变寿命的测试方法”、CN200610048003.8“高温构件材料的寿命及寿命消耗的预测方法”、CN200710013519.3“高温炉管剩余寿命评估方法及装置”、CN200710039899.8“一种汽轮机高温部件蠕变寿命的预测方法及系统”等多是利用温度、压力等参数间接地算出应力及应变，进而推算出寿命，其精度难于保证；或者是截取部分材料进行持久性试验数据分析，外推其服役寿命，不能用于在线监测。
技术实现思路
本专利技术的目的在于弥补现有技术的不足，提出一种直接基于应变测量的方法，可应用于在线监测系统的高温管道损伤及寿命的预测，实现对管道损伤及寿命的在线实时评价和预测。 为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为 一种高温管道损伤及在线寿命的预测方法，其特征是，利用测量得到的应变，结合有限元分析，预测高温管道的损伤及在线寿命，其实施步骤包括 (1)对高温管道进行损伤耦合的有限元模拟分析； (2)根据有限元分析结果，找出重点监测部位，对重点监测部位设置传感器，监测其应变； (3)针对不同载荷工况，进行有限元分析，建立损伤-应变及剩余寿命-应变的关系数据库； (4)将在线监测的应变值和载荷工况的数值，与损伤-应变及剩余寿命-应变数据库的数据进行在线查询对比，得出相应损伤和剩余寿命的评估值。 在步骤(1)中，采用UG建立管道的几何模型，并导入有限元分析软件中，选用管单元分析管线的轴向位移、应变和应力，同时得到管道的周向应力；管单元在保证足够的精度要求的同时，可减少大量的计算时间(相对于常用的实体单元和壳单元)，从而为大规模管线应力的分析提供了实际的操作性。 步骤(3)中所述的有限元分析，包含以基于连续损伤力学的本构方程为准则编制的含损伤计算的有限元分析子程序，通过对高温管道进行大规模的有限元模拟计算，反演出应变—损伤关系和应变—剩余寿命的关系。 在步骤(4)中分析应变、温度、压力等现场数据，在损伤-应变和寿命-应变数据库中检索相应的应变所对应的损伤和剩余寿命，或者根据温度压力的变化分析损伤累积；利用WEB服务器响应终端用户的查询请求，并将应用服务器的处理结果生成相应的表单和参数曲线，通过Internet网页的形式发布；经过授权的用户可通过Internet浏览器实时查询管线的损伤状况和剩余寿命。 步骤(3)中所述的有限元分析中包含的本构方程为以连续损伤力学理论的本构方程为准则，通过对其模拟求解出相应的应变和损伤结果；包含采用单状态变量的本构方程 式中， 为蠕变应变张量，sij为应力偏张量，σ1为最大主应力，σe为VonMises应力，D为损伤变量，其值在0～1之间变化； α(0≤α≤1)是材料常数，用来表征多轴破断准则，B、n、A、υ是与最小蠕变应变速率以及断裂相关的材料常数； 或由多相复合假设得出的本构模型为 式中，Dcr为临界损伤值，当时，表明材料达到了其蠕变寿命； g、φ和ρ是指定非均质损伤的材料常数； 考虑到复杂晶相对蠕变变形和损伤演化的影响，可采用多状态变量本构方程，如两个状态变量的模型形式如下 式中，第二个状态变量Φ描述了碳化物的沉积间隔，G和kc是材料常数；将服从虎克定理的弹性应变和蠕变应变联立得 首先，将有限元计算分为弹性域中的有限元和含蠕变应变的有限元分析两部分 (1)弹性域中的有限元分析 有限元法首先将结构离散化成不同的单元，单元与单元间以节点相连；在弹性范围内，应力应变的本构关系可表示为 {σ}＝{ε} (1-10) 式中为弹性矩阵； 若按直接法选定位移模式，则结构位移场与单元节点位移间的关系为 {u}＝{δ} (1-11) 式中{u}为位移场向量，是坐标的函数，反映单元的位移形态，被称作“形函数”；δ为单元节点的位移向量； 又因为应变与位移存在以下关系 {ε}＝{δ}(1-12) 若作用在物体上的外力为P，则由虚功原理可得 {δ}＝{P}(1-13) 其中 ＝∑ (1-14) 式中为单元刚度矩阵，为总刚度矩阵，为应变矩阵，{P}为节点载荷向量；通过求解代数方程组(1-13)即可求得弹性应力解与应变解； (2)含蠕变应变的有限元分析 若考虑带有蠕变变形的情况，则 {εe}＝{ε}-{εc} (1-16) 式中上标e代表相应的弹性分量，c代表相应的蠕变分量； 将(1-16)分别代入(1-10)和(1-11)中，得 {σe}＝({ε}-{εc})(1-17) {δe}＝-1({ε}-{εc}) (1-18) 这样(1-13)就可以表达成含有蠕变项的平衡方程 {K](-1({ε}-{εc}))＝{P} (1-19)； 其次，将非线性方程线性化 在有限单元法中描述物体离散后的非线性特性，可以用下面的平衡方程式表示 FN(uM)＝0 (1-20) 式中，FN是与第N个变量对应的分力，uM表示第M个变量的值； 对于(1-20)式的非线性方程，假设第i步迭代后可获得的近似解为 令离散方程的精确解与近似解之间的差值为 即 方程左端在近似解 处按泰勒级数展开得 忽略二阶以上的偏导数，得到如下的线性方程 式(1-23)中的即为雅可比矩阵，并且这样第i+1个近似本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高温管道损伤及寿命的在线预测方法，其特征在于，利用测量得到的应变，结合有限元分析，实时预测高温管道的损伤及寿命，其实施步骤包括：　（１）对高温管道进行损伤耦合的有限元模拟分析；　（２）根据有限元分析结果，找出重点监测部位，对重点监测部位设置传感器，监测其应变；　（３）针对不同载荷工况，进行有限元分析，建立损伤－应变及剩余寿命－应变的关系数据库；　（４）将在线监测的应变值和载荷工况的数值，与损伤－应变及剩余寿命－应变数据库的数据进行在线查询对比，得出相应损伤和剩余寿命的评估值。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王宁，涂善东，轩福贞，王正东，陈颖琦，陈建钧，
申请(专利权)人：王宁，涂善东，轩福贞，王正东，陈颖琦，陈建钧，
类型：发明
国别省市：31