主蒸汽管道蠕变测量方法及应用

锬针技术石油化工设计Petrochemical Design2018,35(3) 67蠕变模型及其应用早(中国石化工程建设有限公司，北京100101)摘要：结合石油化工装置设计中常遇到的高温工况，对此工况下金属蠕变的数学、力学模型及其应用进行了讨论。

给出了材料的蠕变曲线，对Maxwell模型、Kelvin模型和Maxwell - kelvin模型进行了研究，给出了高温蠕变管道的应力分析方法和评判标准。

关键词：蠕变极限持久强度和塑性本构关系应力分析doi：10.3969/j.issn. 1005 -8168.2018.03.002在高温蠕变条件下，金属材料的蠕变相当明 显，而且由于蠕变与疲劳的重迭作用，致使非弹性 应变的累积增长，因此需要更加严格的应力分析 和验算。

以金属材料为例，其常温强度只是应变 的函数，与时间无关，而高温强度则和应变速率及 暴露的时间都有关系。

其中最典型的现象是在恒 定载荷下发生随时间而增长的塑性变形，即蠕变 现象。

不同的材料，其出现明显蠕变时的蠕变温 度也不同。

碳素钢蠕变温度要超过300〜350 D，合金钢要超过350〜400 D，低熔点金属如锡、铅 等可在室温下出现蠕变，而高熔点的陶瓷材料，如 Si3N4d在1100 D以上也不发生明显的蠕变，所 以明显蠕变发生的温度与材料的熔点有关，一般 两者的比值在0;〜0.7&1]。

在一定的温度和压力作用下，应变与时间的 关系曲线称为蠕变曲线（1)。

对于大多数金属材料，蠕变曲线可分为3个 阶段:减速蠕变、恒速蠕变和加速蠕变。

图中a[为瞬时应变$，不属于蠕变。

abed曲线称为蠕变 曲线。

蠕变曲线上任一点的斜率表示该点的蠕变速 率($ = d$/d(。

由图1可见:ab段斜率随时间而 减小，第一阶段为减速蠕变;b e段$ ：定，称为恒 速蠕变，cd段/随时间而急剧增长，直至断裂，又 称加 速 变 。

变设计分析，其对应的材料性能指标 为:蠕变极限、持久强度和塑性。

1主蒸汽管弯管蠕变测点安装与监测苏 蔚(阜新发电厂 辽宁 阜新 123003)摘要 简述主蒸汽管弯管的蠕变测点安装与监测方法, 通过对弯管蠕变测点的测量和计算，其监测结果为主蒸汽管弯管的金属技术监督和弯管的寿命管理提供了依据。

关键词 主蒸汽弯管 蠕变测点 安装与监测Fixing and Monitoring of Creep MeasurementPoint for Main Steam Pipe BendsSu Wei(Fuxin Power Station , Liaonine fuxin123003,china)Abstract: the result of monitoring of test point on main steam pipe bends will provide the datum for the main steam pipe bends life management and technique of metal superintend, well demonstrate the method of fixing and monitoring of test point creeping on main steam pipe bends in this paper.Keyword: Main steam pipe bends; Creep measuring point; Fixing and monitoring1. 概述主蒸汽管道在高温高压长期运行过程中，会在内压作用下引起管道截面圆周方向上的蠕变变形. 以往，我们测管道蠕变变形，一般在直管段安装了几组蠕变测点。

近年来，国内外主蒸汽管道曾多次发生爆破事故，对爆管事故综合分析后得出以下结论：发生爆破大多在弯管外弧上，弯管外弧局部蠕变损伤严重。

主蒸汽管弯管在长期运行时弯管发生复圆，使不圆度变小。

由于蒸汽管在弯制过程中，弯管外弧减薄，特别是在管系应力大（热态“开弯”）时，加速弯管的复圆。

火电厂锅炉主蒸汽管道蠕变损伤分析摘要：本文分析了电厂锅炉主蒸汽管道蠕变损伤的原理及特点，阐述了主蒸汽管道的蠕变损伤评价的方法，对不同评估蠕变寿命方法进行了分析比较，通过用有限元方法对某算例结果的分析，提出了主蒸汽管道蠕变损伤寿命的评价思路和模式。

关键词：锅炉；主蒸汽管道；蠕变损伤；有限元；寿命1引言随着我国电力工业的发展，锅炉主蒸汽管道的设计温度高达560℃及以上，设计压力也在17MPa等，主蒸汽管道在长期高温高压条件下将发生蠕变损伤。

因此，准确地预测主蒸汽管道的损伤以及安全运行寿命也是发电、石油化工以及核电等企业所普遍关心的重要问题，而进行其蠕变损伤分析以及寿命评估自然上升到了首要位置。

近年来用于超临界、超超临界机组高温高压管道的P91／T91、P92／q92、HCM12A、HCM2S、SUPER304H等合金钢都是为提高其高温蠕变性能以满足高参数机组需求而研制的。

目前，杭州锅炉集团股份有限公司制造的9F、9E等燃机余热锅炉的主蒸汽管道大量采用了P91／P22材料，本文着重以P91材料的主蒸汽管道为例，讨论其蠕变损伤以及安全运行寿命评价。

2 蒸汽管道蠕变损伤的特征2．1 主蒸汽管道蠕变机理主蒸汽管道工况复杂多变，有几十甚至上百的工况组合。

在正常工况下，承受高温和应力的作用；在异常工况下，如热振动、热冲击、载荷波动以及机组启停时管道的温度和压力将发生较大变化，致使主蒸汽管道的损伤具有局部性、复杂性。

图1 蠕变曲线图2 蠕变第三阶段在晶界上形成的微孔和裂纹高温下主蒸汽管道的应变量和时间关系曲线如图1所示。

可见，管道蠕变的三个阶段中第一阶段变形速率随时间而下降。

第二阶段是稳定阶段，此时，变形产生的加工硬化和回复、再结晶同时进行，材料未进一步硬化，所以变形速率基本保持恒定(蠕变速率不变，/t=常数)。

第三阶段，愈来愈大的塑性变形在晶界形成微孔和裂纹(如图2)塑性变形速率加快，最后导致断裂。

因此，主蒸汽管道蠕变第一、二阶段是安全稳定的，第三阶段产生了管道的内部组织损伤，是危险的。

蠕变：钢材在高温下受外力作用时，随着时间的延长，缓慢而连续产生塑性变形的现象，称为蠕变(蠕胀)。

钢材蠕变特征与温度和应力有很大关系。

温度升高或应力增大，蠕变速度加快。

例如，碳素钢工作温度超过300～350℃，合金钢工作温度超过300～400℃就会有蠕变。

产生蠕变所需的应力低于试验温度钢材的屈服强度。

因此，对于高温下长期工作的锅炉、蒸汽管道、压力容器所用钢材应具有良好的抗蠕变性能，以防止因蠕变而产生大量变形导致结构破裂及造成爆炸等恶性事故。

蠕胀测点安装部位：为了测量和监督蠕变速度，在高温管道上要安装蠕胀测点。

为了测量的准确，不能直接测量管道本身，要在管道上装设专门的测点，它由测钉和测钉座组成，安装时先测钉座位置，用电焊把测钉座焊接在管道上，再把测钉旋入测钉座内。

用千分卡或专用桥尺，测量测钉的原始直径，并做记录。

以后每次检修都在进行测量，以计算管道的蠕胀速度，监视蠕胀是否已达危险值。

蠕胀测点安装在主蒸汽管道及其它高温管道上，位置应选在两焊缝或法兰之间较直的管段中部，与焊缝或支吊架距离不小于1m；距弯头弧线的起点不小于0.75m，并充分考虑安装测点及测量时的方便。

蒸汽管道蠕变的检查方法及应用杨朝阳【摘要】通过在蒸汽管道上安装蠕变测点的方法对蒸汽管道的蠕变状况进行检查,为科学判断管道的使用寿命提供准确依据.【期刊名称】《石油和化工设备》【年(卷),期】2010(013)009【总页数】3页(P39-41)【关键词】蒸汽管道;蠕变测点;蠕变速度;蠕变变形量【作者】杨朝阳【作者单位】天津津滨石化设备有限公司,天津300271【正文语种】中文蠕变是指材料在高温变形过程中形成的在扫描电子显微镜下放大1000倍以上10000倍以下可观察到的微观缺陷，这些缺陷主要是微裂纹和微孔洞，它往往对材料的性能产生不利的影响，因此需要对高温状态下工作的材料进行蠕变监督。

蠕变监督在蒸汽管道中应用较多，主要目的是预防金属发生高温蠕变破坏，保证管道安全运行，还可预测高温部件的剩余寿命。

天津石化公司炼油厂至热电厂的中压蒸汽管线（φ426×22mm）上就安装了3组共24个蠕变测点，其主要任务是通过定期测量和数据分析，及时掌握蒸汽管道金属的蠕变规律，当管道运行时间超过设计使用年限后，为正确分析和预测管道的剩余寿命提供可靠依据。

主蒸汽管道上、蒸汽母管的监督段上应设置3个蠕变测量截面，蠕变测点的位置离焊缝或支吊架的距离不得小于1m，至弯管起弧点不得小于0.75 m。

蠕变测点的安装位置应便于测量，若安装在高处且无法搭架子的地方应设置安装测量平台。

蒸汽管道蠕变测点安装时可采用管道外表面等分圆周长的方法，确定蠕变测点中心的位置，并使测点座对中。

同一截面的各对测点应处于与管道轴线相垂直的同一截面上。

测点座及测点头的焊接必须由具备焊接资格的合格焊工担任，在测点头与测点座焊死前，应调整蠕变测点的高度，使管道上测点间径向尺寸的相互偏差不超过0.1mm。

在炼油厂至热电厂的中压蒸汽管线上安装时，专门购置了用于测量每组蠕变测点尺寸的大外径千分尺，并对千分尺进行了计量检定，以保证测量结果的准确性。

蠕变测点安装时需测量前后千分尺零位校正值、蠕变测点处的管道外径尺寸、带测点高度的管道径向尺寸、管道及千分尺的温度等，测量数据应详细记录到下表中并由生产单位保存。

高温蠕变拉森算法详解在工程上，许多结构部件长期运行在高温条件下，如火力发电设备中的汽轮机、锅炉和主蒸汽管道，石油化工系统中的高温高压反应容器和管道，它们除了受到正常的工作应力外，还需承受其它的附加应力以及循环应力和快速较大范围内的温度波动等作用，因此其寿命往往受到蠕变、疲劳和蠕变-疲劳交互作用等多种机制的制约。

疲劳-蠕变交互作用是高温环境下承受循环载荷的设备失效的主要机理，其寿命预测对高温设备的选材、设计和安全评估有十分重大的意义，一直是工程界和学术界比较关心的问题，很多学者提出了相应的寿命预测模型。

本文对常见的寿命估算方法进行简单的介绍。

寿命-时间分数法对于疲劳-蠕变交互作用的寿命估算问题主要采用线性累积损伤法，又叫寿命-时间分数法。

寿命时间分数法认为材料疲劳蠕变交互作用的损伤为疲劳损伤和蠕变损伤的线性累积，如下式所示：其中Nf为疲劳寿命，ni为疲劳循环周次，tr为蠕变破坏时间，t为蠕变保持时间。

该方法将分别计算得到的疲劳损伤量和蠕变损伤量进行简单的相加，得到总的损伤量，计算十分简单，不过需要获得相应温度环境下纯蠕变和纯疲劳的试验数据。

由于该方法没有考虑疲劳和蠕变的交互作用，其计算结果和精度较差。

为了克服不足，提高计算精度，研究人员提出了多种改进形式。

例如谢锡善的修正式如下：Lagneborg提出的修正式如下：上述式子中，n为交互蠕变损伤指数，1/n为交互疲劳损伤指数，A、B为交互作用系数。

两个修正表达式均增加了交互项，可以用来调整累积损伤法的预测结果和实验结果之间误差，极大地提高了预测结果的可靠性。

频率修正法(FM法)及频率分离法(FS法)目前，工程上广泛使用的疲劳-蠕变寿命估算方法大多数都是基于应变控制模式的估算方法。

频率修正法是Coffin提出来的，认为低周疲劳中主要损伤是由塑性应变所引起的，Eckel在此基础上提出以下公式：式中：tf为破坏时间，K为依赖温度的材料常数，ϑ为频率，∆εp为塑性应变范围。

火力发电厂高温高压蒸汽管道蠕变监督规程DL/T 441—2004代替DL 441—1991前言本标准是根据原国家经济贸易委员会司(局)《关于下达2000年度电力行业标准制、修订计划项目的安排》电力[2000]70号文，对DL441—1991进行修订。

高温蒸汽管道蠕变监督的目的是保证管道的安全运行。

通过对管道定期、定型蠕变测量和数据分析，及时掌握高温蒸汽管道金属的蠕变规律，为正确分析和预测管道的剩余寿命提供可靠的技术依据。

DL441—1991自颁布实施至今已10年有余，在实施的过程中积累了丰富的经验，也提出了一些新的问题，同时，在新修订的DL438—2000《火力发电厂金属技术监督规程》中列入了对蒸汽管道监察弯管的蠕变监督，也需要对相关内容进行修订。

本标准与DL441—1991相比，主要有以下一些变化：——将原“导则”改为“规程”；——本标准改为推荐性行业标准；——增加了规范性引用文件；——增加了蒸汽管道监察弯管蠕变监督的内容；——增加了附录A“常用蒸汽管道钢材的线膨胀系数”；——对原“导则”的编排顺序、体例及有关条款作了较大幅度的修订。

本标准实施后代替DL441—1991。

本标准附录A是资料性附录。

本标准由中国电力企业联合会提出。

本标准由电力行业电站金属材料标准化技术委员会归口并解释。

本标准起草单位：国电热工研究院、宝鸡第二发电有限公司。

本标准主要起草人：李益民、梁昌乾、陈聪智。

1 范围本标准规定了火力发电厂高温高压蒸汽管道蠕变监督的蠕变截面设计、蠕变测量方法和蠕变监督的技术管理。

本标准适用于蒸汽温度T>450℃的主管汽管道、再热蒸汽管道、蒸汽母管及导汽管等的蠕变监督。

2 规范性引用文件下列文件中临的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。

凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。

蠕变试验测定金属材料在长时间的恒温和恒应力作用下，发生缓慢的塑性变形现象的一种材料机械性能试验。

温度越高或应力越大，蠕变现象越显著。

蠕变可在单一应力（拉力、压力或扭力），也可在复合应力下发生。

通常的蠕变试验是在单向拉伸条件下进行的。

蠕变极限是试样在规定的温度和规定的时间内产生的蠕变变形量或蠕变速度不超过规定值时的最大恒应力。

它有两种表示方法:①用表示，其中t为试验温度(℃)，τ为试验时间（小时），δ为规定的蠕变变形量（％）。

例如=150兆帕，即表示某一材料在温度为 600℃、试验时间为10万小时、产生蠕变总变形量为 1％时的蠕变极限为150兆帕。

②用符号表示，其中t为试验温度（℃）、v为蠕变第Ⅱ阶段的蠕变速度（％／小时）。

例如=100兆帕，即表示某一材料在温度为700℃、蠕变速度为(1/105)％／小时时的蠕变极限为100兆帕。

拉伸蠕变试验方法是：在某一恒温下，把一组试样分别置于不同恒应力下进行试验，得到一系列蠕变曲线，然后在双对数坐标纸上画出该温度下蠕变速度与应力的关系曲线，由之求出规定蠕变速度下的蠕变极限。

典型的蠕变曲线（见蠕变）可分为4个部分：① Oa为开始加载后所引起的瞬时弹性变形。

如果应力超过材料在该温度下的弹性极限，则Oa由弹性变形Oa′加塑性变形a′a 组成。

② ab为蠕变的第Ⅰ阶段，这一阶段的变形速度随时间而减小。

③ bc为蠕变的第Ⅱ阶段，也称蠕变稳定阶段，这一阶段内的蠕变速度近于常数。

④ cd为蠕变的第Ⅲ阶段，也称蠕变加速阶段，这一阶段内的蠕变速度随时间而增加，最后在d点断裂。

不同材料的蠕变曲线不同，而同一种材料的蠕变曲线也随应力和温度的改变而不同。

蠕变试验的时间，根据零件在高温下的使用寿命而定。

对在高温下长期运行的锅炉、汽轮机等材料，有时要求提供10～20万小时的性能试验数据。

火力发电厂高温高压蒸汽管道蠕变监督规程火力发电厂高温高压蒸汽管道蠕变监督规程 DL/T 441—2004 代替DL441—1991 前言本标准是根据原国家经济贸易委员会司(局)《关于下达2000年度电力行业标准制、修订计划项目的安排》电力[2000]70号文，对DL441—1991进行修订。

高温蒸汽管道蠕变监督的目的是保证管道的安全运行。

通过对管道定期、定型蠕变测量和数据分析，及时掌握高温蒸汽管道金属的蠕变规律，为正确分析和预测管道的剩余寿命提供可靠的技术依据。

DL441—1991自颁布实施至今已10年有余，在实施的过程中积累了丰富的经验，也提出了一些新的问题，同时，在新修订的DL438—2000《火力发电厂金属技术监督规程》中列入了对蒸汽管道监察弯管的蠕变监督，也需要对相关内容进行修订。

本标准与DL441—1991相比，主要有以下一些变化：——将原“导则”改为“规程”；——本标准改为推荐性行业标准；——增加了规范性引用文件；——增加了蒸汽管道监察弯管蠕变监督的内容；——增加了附录A “常用蒸汽管道钢材的线膨胀系数”；——对原“导则”的编排顺序、体例及有关条款作了较大幅度的修订。

本标准实施后代替DL441—1991。

本标准附录A是资料性附录。

本标准由中国电力企业联合会提出。

本标准由电力行业电站金属材料标准化技术委员会归口并解释。

本标准起草单位：国电热工研究院、宝鸡第二发电有限公司。

本标准主要起草人：李益民、梁昌乾、陈聪智。

火力发电厂高温高压蒸汽管道蠕变监督规程 1 范围本标准规定了火力发电厂高温高压蒸汽管道蠕变监督的蠕变截面设计、蠕变测量方法和蠕变监督的技术管理。

本标准适用于蒸汽温度T>450℃的主管汽管道、再热蒸汽管道、蒸汽母管及导汽管等的蠕变监督。

2 规范性引用文件下列文件中临的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。

凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。