確定高溫構件持久壽命可靠度的方法

2023-06-08 21:21:41

專利名稱：確定高溫構件持久壽命可靠度的方法
技術領域：
本發明屬於壽命預測技術領域，涉及預測高溫構件使用材料服役壽命的可靠度評估方法，特別涉及到在考慮材料持久性能分散性及服役條件波動性下服役壽命及可靠度關係的計算方法。

背景技術：
在對高溫部件進行強度設計時，工程上大多根據短時蠕變或持久性能數據來推測長期持久強度，由於高溫持久壽命預測在安全及經濟上的重要性，得到研究者關注。專利CN1207550C通過對不同老化程度及未老化的新材料進行蠕變斷裂加速實驗，採用老化特徵參數測量法描述不同樣品的老化程度，並根據老化因子和與蠕變壽命之間的表達式計算蠕變使用壽命。
在實際構件服役壽命預測時，還需要考慮的因素是材料性能和服役條件的分散性和波動性。由於設備在製造或服役過程中可能的缺陷的隨機性質，或者由於材料不均勻性導致的性能分散性等因素，都會對壽命預測結果產生直接影響，因此通常依據實驗所得的持久強度或蠕變極限除以安全係數以得到許用應力。但一般認為這種基於安全係數的方法偏於保守，沒有充分使用高溫部件的剩餘壽命，提高了維修及更換費用。並且由於安全係數法不考慮材料自身性能分散程度的差異，因此具有不確定性，受到的人為影響因素較大。
在設備的實際工況條件下開展可靠性預測時，除了考慮材料自身性能差異所造成的分散性之外，構件尺寸、載荷、溫度等操作條件的波動也會對預測結果產生重要的影響。由於高溫設備服役工況中溫度和應力可能同時波動，而它們對可靠性評價結果都會產生直接重要的影響，因此，至今沒有提出有效的方法。


發明內容
本發明的目的是提供一種在測試獲得材料高溫持久性能數據分布參數以及服役溫度和服役應力波動參數下，確定材料高溫持久壽命及可靠度。此外，利用這一方法，也可以在已知高溫材料持久性能分散性的分布，以及構件服役溫度和服役載荷波動性分布的條件下，計算在給定可靠度下的高溫持久壽命值。
為實現上述目的，本發明採用的技術方案具體如下 依據實驗標準確定高溫材料在一定溫度和一定應力下的持久性能實驗，得到持久斷裂壽命值；確定應力σ與P(T，t)關係圖，P(T，tr)是用於關聯持久性能數據的溫度-時間參數，其形式可以是(1)其中Ta和logta是根據材料持久性能數據得到的兩個優化數值，它們之間存在線性關係logta＝A+B×Ta；(2)P(T，tr)＝T×(logtr+C)，這裡C是根據對持久性能數據進行處理所得到的優化數值；根據持久性能數據範圍確定主曲線log(σ)＝f(P)，其中f(P)＝C1+C2×exp(C3×P(T，t))或f(P)＝C1+C2×P(T，t)+C3×exp(C4×P(T，t))。
將測試的高溫持久性能數據點分布值記為參數Zcr，則每一個數據點的參數值為Zcri＝f(Pi)—log(σi)，其中f(Pi)＝C1+C2×exp(C3×P(Ti，ti))或f(Pi)＝C1+C2×P(Ti，ti)+C3×exp(C4×P(Ti，ti))；依據所有持久性能數據點分布可以確定持久性能數據分散性的概率密度曲線其中Scr為分布方差。
測定高溫構件服役溫度和服役應力的波動範圍，獲得服役溫度的分布參數和服役應力的分布參數式中T0為設定的服役溫度，σ0為設定的服役應力，sT為服役溫度波動的標準差，sσ為服役應力波動的標準差，Tsv為某個時刻的實際服役溫度，σsv為某個時刻的實際服役應力；計算服役溫度Tsv、服役應力σsv和服役壽命tsv下的服役狀態參數Zsv＝f(Psv)—lg(σsv)，其中f(Psv)＝C1+C2×exp(C3×P(Tsv，tsv))或f(Psv)＝C1+C2×P(Tsv，tsv)+C3×exp(C4×P(Tsv，tsv))；根據測試數據的分布參數計算材料高溫持久性能參數Zcr；比較Zsv與Zcr的分布，在1000-10萬次比較中，計算Zs<Zcr的次數n與總比較次數N的比值則可以確定可靠度R下的高溫服役壽命為tsv 本發明的效果及益處是可以同時考慮材料高溫持久性能數據的分散性以及服役條件的波動性，得到更加接近實際的高溫構件壽命預測結果及相應的可靠性。所提出的方法適用於高溫構件的壽命設計、延壽分析及安全評估。



本發明的使用及步驟以及進一步的目的和優點可以參照以下附圖能更好的理解。
圖1是材料高溫持久性能數據的分散性Zcr及服役條件波動性Zsv的分布。Zcr是表徵材料持久強度分散性的參數，由於其服從正態分布，因此表示的持久性能概率密度函數f(Zcr)為其中Scr為分布的標準差；Zsv來表徵在某一服役狀態的參數，當服役溫度及載荷有波動時，將引起Zsv值的波動變化，相應的服役條件的Zsv參數值分布的概率密度函數可以表示為g(Zsv)＝g(T0，sT，σ0，sσ，tp)，其中T0為設定的服役溫度，σ0為設定的服役應力，tp為設定的服役時間，sT為服役溫度波動的標準差，sσ為服役應力波動的標準差。當二者出現重疊部分(圖中斜線區)，就可能出現Zsv>Zcr，表明材料的持久性能無法提供足夠的承載能力而發生斷裂，據此可以計算材料出現斷裂的概率。
圖2是在考慮持久性能數據分散性及服役條件波動性下計算可靠度的流程圖。對於表徵服役條件波動性的參數Zsv，由於同時存在溫度和載荷兩個變量，用解析方法確定其分布函數比較困難。因此本發明提出採用隨機模擬方法來確定Zsv的分布並計算可靠度。每一次模擬中，根據高溫構件服役溫度和服役應力的分布計算得到Zsv值，並與表徵高溫材料持久性能數據分布的Zcr值進行比較，如果Zsv>Zcr，表明材料的持久性能無法提供足夠的承載能力而發生斷裂；反之，材料可繼續安全服役。通過大量的數值比較，可以得到材料的總斷裂失效數，從而可以計算失效概率值。在N次模擬中，如果可安全服役的次數，也就是Zsv<Zcr的次數為n，則材料在指定服役條件下的可靠度為 圖3是實施例1中對比服役溫度波動得到的服役時間與可靠度的關係。
圖4是實施例2中對比服役溫度及服役應力波動得到的服役時間與可靠度的關係。

具體實施例方式 以下結合技術方案和附圖詳細敘述本發明的具體實施例。
實施例1 以4Cr25Ni20材料為例，評價在平均服役溫度為871℃，溫度波動標準差10℃，平均服役應力為12MPa條件，服役時間5萬小時和10萬小時的可靠度。
依據4Cr25Ni20材料高溫持久性能數據，溫度-時間參數為P＝10-3×T×(10.315+logtr)，得到的應力σ與時間-溫度參數P關係的主曲線為 log(σ)＝8.633287-4.598763×exp(0.02787496×P) 其中，σ為應力。
實測的材料高溫持久性能各數據點分布參數 Zi＝8.633287-4.598763×exp(0.02787496×(10-3×Ti×(10.315+logtri))-log(σi)4Cr25Ni20材料高溫持久性能參數Zcr的分布為 服役溫度波動的分布為 根據已知的材料高溫持久性能分布f(Zcr)，服役溫度波動分布h(Tsv)，利用圖2所示的方法獲得服役時間與可靠度的關係，見圖3。計算得到服役時間5萬小時的可靠度為98.6，服役時間10萬小時的可靠度為83.8。而當不考慮服役溫度波動時，服役時間5萬小時的可靠度為99.5，服役時間10萬小時的可靠度為87.9。可知當存在服役溫度波動時，預測服役5萬小時和10萬小時的可靠度明顯降低。
實施例2 以4Cr25Ni20材料為例，評價在平均服役溫度為871℃，溫度波動標準差10℃，平均服役應力為12MPa條件，應力波動標準差1MPa下，服役時間5萬小時和10萬小時的可靠度。
依據4Cr25Ni20材料高溫持久性能數據，溫度-時間參數為P＝10-3T(10.315+logtr)，得到的應力σ與時間-溫度參數P關係的主曲線為 log(σ)＝8.633287-4.598763×exp(0.02787496×P) 其中，σ為應力。
實測的材料高溫持久性能各數據點分布參數 Zi＝8.633287-4.598763×exp(0.02787496×(10-3×Ti×(10.315+logtri))-log(σi)4Cr25Ni20材料高溫持久性能參數Zcr的分布為 服役溫度波動的分布為 服役應力波動的分布為 根據已知的材料高溫持久性能分布f(Zcr)，服役溫度波動分布h(Tsv)，服役載荷波動分布k(σsv)，利用圖2所示的隨機模擬方法獲得服役時間與可靠度的關係，見圖4。計算得到服役時間5萬小時的可靠度為97.2，服役時間10萬小時的可靠度為80.6。與實施例1比較，當同時存在服役溫度和服役載荷波動時，預測服役5萬小時和10萬小時的可靠度進一步降低。
權利要求
1.一種高溫構件持久壽命與可靠度的測試方法，在測試獲得材料高溫持久性能數據分布參數以及服役溫度和服役應力波動參數下，確定材料高溫持久壽命及可靠度；其特徵在於
(1)測試獲得材料高溫持久性能數據分布參數的方法實驗測試所選材料在不同溫度和不同應力下得到的斷裂時間數據；確定應力σ與溫度-時間綜合參數(其中Ta和logta關係為logta＝A+B×Ta)的主曲線lg(σ)＝C1+C2×exp(C3×P(T，tr))；計算測試數據點的分布Zcri＝C1+C2×exp(C3×P(Ti，ti))—lg(σi)；獲得測試數據的分布參數其中Scr為分布方差；
(2)確定材料高溫持久壽命及可靠度的方法確定服役溫度波動參數確定服役應力波動參數計算服役溫度Tsv、服役應力σsv和服役壽命tsv下的服役狀態參數Zsv＝C1+C2×exp(C3×P(Tsv，tsv))—lg(σsv)；根據測試數據的分布參數計算材料高溫持久性能參數Zcr；比較Zsv與Zcr的分布，在1000-10萬次比較中，計算Zs<Zcr的次數n與總比較次數N的數值則確定可靠度R下的高溫服役壽命為tsv。
全文摘要
一種確定高溫構件持久壽命可靠度的方法。本發明的特徵在於在測試獲得材料高溫持久性能數據分布參數以及服役溫度和服役應力波動參數下，確定材料高溫持久壽命及可靠度。基本步驟是確定材料的持久斷裂性能數據，依據溫度-時間綜合參數P(T，t)確定其與應力的關係，依據測試的持久性能數據點性能獲得測試數據的分布參數(見右下)，其中Scr為分布方差；根據服役溫度和服役應力的波動確定服役狀態參數Zsv，比較Zsv與Zcr的分布，計算Zs＜Zcr的次數n與總比較次數N的數值R＝n/N，則確定可靠度R下的高溫服役壽命為tsv。
文檔編號G01N3/00GK101482464SQ20081022896
公開日2009年7月15日 申請日期2008年11月18日 優先權日2008年11月18日
發明者傑 趙, 麗 邢, 煒 馮, 來 王, 馬海濤, 黃明亮 申請人:大連理工大學