低周疲劳载荷作用下P92钢的变形特性及寿命预测开题报告

 2021-08-14 07:08

1. 研究目的与意义(文献综述包含参考文献)

文献综述

一、研究目的

我国是以煤炭为主要一次能源的国家,燃煤发电在电力生产中占主导地位。这种能源结构在今后相当长的一段时期内不会改变。在当前能源需求旺盛、煤炭供应紧张的形势下,发展高效、节能、大容量、洁净环保、可靠性高的发电技术,不仅能够满足国民经济快速发展对电力的迫切需要,而且能够应对来自环境保护方面的日益严峻的要求和挑战。超临界和超超临界燃煤发电技术是目前国际上较为成熟和广泛使用的一种清洁燃烧技术。

按照国家制订的2020年电力发展规划[1],我国发电装机容量将从目前的4亿千瓦增加到2020年9亿千瓦,其中燃煤机组将达到5.8亿千瓦[1]。

2003年,全国二氧化硫排放总量达到2100多万吨,其中燃煤电厂二氧化硫排放约占全国排放总量的46%。我国酸雨pH值小于5.6的城市面积占全国的70.6%。随着燃煤装机总量的增加,我国将面临严峻的经济与资源、环境与发展的挑战。提高燃煤机组的效率、减少总用煤量、降低污染物排放是当前我国火电结构调整,实现可持续发展的重要任务。

目前我国电力工业装机中高效、清洁的火电机组比例偏低,结构性矛盾突出。2002年,火电机组中30万千瓦及以上机组占41.7%,20万千瓦以下机组占42.5%,超临界机组只占2.38%。洁净煤发电、核电、大型超(超)临界机组、大型燃气轮机技术开发、设备生产刚刚起步。全国火电平均供电煤耗383g/kWh,比世界先进水平高出60g/kWh。因此迫切需要在近期研制出新一代燃煤发电设备来装备电力工业。

新一代发电设备应具备可靠、大型、高效、清洁、投资低等性能;能够替代现有的300MW和600MW亚临界机组,成为装备电力工业的主流机型;同时国内设备制造企业经过努力后能够具备生产能力,能够形成规模生产和市场竞争局面。

分析国际上燃煤发电技术的发展趋势,将采用两种技术路线来提高效率和降低排放。其一是利用煤化工中已经成熟的煤气化技术,集成蒸汽燃气联合循环技术实现高效清洁发电,其代表技术为IGCC。此技术提高能效的前景很好,但因系统相对复杂而造成投资偏高的问题需要解决。目前正在烟台电厂建设一台300或400MW等级的IGCC示范机组,为今后的发展作好技术储备。另一个发展方向是通过提高常规发电机组的蒸汽参数来提高效率,即超临界机组和超超临界机组。超超临界机组在发达国家已经实现了大容量、大批量生产。通过努力我国可以较快实现国产化能力,降低设备成本。

如果我国600MW等级的燃煤机组采用超超临界技术,供电煤耗278g/kWh,比同容量亚临界机组的煤耗减少30克/kWh,按年运行5500小时计算,一台600MW超超临界机组可比同容量亚临界机组节约标煤6万吨/年,同时SO2、氮氧化物、粉尘等污染物以及CO2排放将大大减少。采用超超临界燃煤发电技术对于节约资源消耗、保护环境、实现可持续发展具有重要意义[2]。

按照国家制订的2020年电力发展规划[1],我国发电装机容量将从目前的4亿千瓦增加到2020年9亿千瓦,其中燃煤机组将达到5.8亿千瓦[1]。2003年,全国二氧化硫排放总量达到2100多万吨,其中燃煤电厂二氧化硫排放约占全国排放总量的46%。我国酸雨pH值小于5.6的城市面积占全国的70.6%。随着燃煤装机总量的增加,我国将面临严峻的经济与资源、环境与发展的挑战。提高燃煤机组的效率、减少总用煤量、降低污染物排放是当前我国火电结构调整,实现可持续发展的重要任务。

目前我国电力工业装机中高效、清洁的火电机组比例偏低,结构性矛盾突出。2002年,火电机组中30万千瓦及以上机组占41.7%,20万千瓦以下机组占42.5%,超临界机组只占2.38%。洁净煤发电、核电、大型超(超)临界机组、大型燃气轮机技术开发、设备生产刚刚起步。全国火电平均供电煤耗383g/kWh,比世界先进水平高出60g/kWh。因此迫切需要在近期研制出新一代燃煤发电设备来装备电力工业

蒸汽温度不低于593℃或蒸汽压力不低于31MPa被称为超超临界。超超临界锅炉蒸汽温度和压力的提高对材料的热强性能、抗高温腐蚀和蒸汽氧化能力都有更高的要求。在采用与亚临界锅炉或者超临界锅炉相同材料前提下,蒸汽温度和压力的提高势必要求增加材料的厚度(主要是管壁厚度),而厚壁部件的生产、焊接、热处理、探伤等工艺等都有更多的困难,同时还会降低机组的启停速率和调峰能力。要实现高蒸汽参数机组的可靠运行,就必须使用与高参数相适应的高性能的耐热材料。对于超超临界锅炉受压部件的选材,其特殊性主要体现在水冷壁、末级过热器、末级再热器、主蒸汽管道及集箱等部件[3]。

超超临界苛刻的蒸汽参数需要铁素体耐热钢具有良好的力学性能和抗氧化特性,这就使得新型高Cr钢的研发成为发展超超临界机组的关键环节。在过去的二三十年中,美国、日本、欧洲投入了大量人力物力用于9%-12%Cr钢的研发,应用较为广泛的有美国橡树岭国家研究所研发的T91(小径管)/P91(大径管)钢、日本新日铁公司研发的T92/P92钢和欧洲COST501项目研制的E911钢等。目前作为9%-12%Cr铁素体耐热钢的代表钢种,P92钢凭借着有很好的抗氧化性,很强的耐腐蚀性,优异的高温强度以及热物性参数并且具有成本较低、工艺和使用性能良好等诸多优点逐渐成为超高参数的超超临界机组的理想用钢。中国对该种材料的研究起步较晚,且多集中在焊接工艺方面,对其长期高温的蠕变行为研究较少[4]。

P92钢ASMESA335及GB53102008中P92钢的成分如表1[5]所示。从国内外标准来看,P92材料的化学成分对多个元素给出的范围很宽,如C,Si,Mn,Cr,

Mo,V,Nb,N,W,B等各个元素合符标准的含量范围其上下限相对差值百分比较大。如果在设计成分时,不认真考虑各元素对P92钢各性能的影响,就可能出现设计及冶炼出的材料其成分范围完全符合国内外标准,但各项性能却无法达到标准或用户要求的结果。P92材料在交货及使用状态应该是正(淬)火 回火状态,其最佳组织应为完全回火马氏体或回火索氏体。只有其组织达到了要求,才能保证其常规及长期高温性能;在保证组织状态的情况下,适当控制各合金元素含量,以保证其高温抗氧化性能及持久强度。

P92钢保持9%Cr可使钢具有良好的抗高温氧化和耐腐蚀性能,同时加入1.75%的W和0.5%的Mo,将Mo当量提高到1.5%,加强了固溶强化作用;添加0.15%~0.25%的V、0.04%~0.09%的Nb、0.03%~0.07%的N形成Nb和V的碳氮化物起弥散强化作用;部分V进入M23C6碳化物中,可有效延缓使用温度下M23C6的长大和聚集。P92钢中还加入了0.001%~0.006%的B,用以提高晶界的高温强度;同时严格控制钢中Si(0.50%max)、Ni(0.50%max)和Al(0.04%max)的质量分数,得到马氏体组织;降低杂质(P、S等)质量分数,提高纯洁度[6][7]。

与P91钢相比,P92钢在成分上依然是在Cr-Mo钢基础上添加了Nb和V元素。此外还添加1.8%的W元素,使得其高温蠕变强度进一步提高,服役温度提高到600~625℃[8][9]。在相同的工作温度、压力或设计寿命条件下,采用P92钢可降低锅炉及管道系统的重量,增加管道系统柔度,减少膨胀力;降低端点推力和力矩,减少支吊架的载荷;允许机组较快变化负荷,起动时间缩短,降低投资成本,减轻热应力对设备寿命的影响。在相同的结构尺寸下,能进一步提高结构的设计工作温度,从而提高系统的热效率。

一个火电厂锅炉的设计寿命往往长达20年(约18万小时),其结构部件就会长期在高温高压的条件下服役。为了确保结构的安全,材料长期在高温条件下的疲劳特性异常重要。此外,材料的长时蠕变性能变化数据还是设备剩余寿命评估的主要基础数据。因此,研究P92钢高温低周疲劳特性是非常有意义的[10]。

二、国内外研究的历史和现状

为研究P92钢高温下低周疲劳性能,大量测试和研究工作在各做纷纷进行,下文总结了国内外大量学者对于该种钢材低周疲劳特性的研究[10-33]。

研究机构

研究内容

西安交通大学

本文对日产P91(JP91)和国P91(CP91)钢的低周疲劳特性进行了对比研究,结果表明:P91钢属于循环软化材料,呈显出初始加载快速软化的特性

华北电力大学

研究了T92钢失效后的硬度变化和蠕变寿命预测

同济大学

采用疲劳性能测试方法研究了应变控制下国产P92钢室温和600℃高温下的低周疲劳性能大唐电力公司

大唐电力公司

从技术角度对P91、P122、E911和P92四种材料进行比较分析;同时以上海外高桥第3发电有限公司三期工程高温蒸汽管道选取为例,提出了意见和建议

武汉大学

T/P91钢国产化工艺组织和性能改进的研究与应用

印度英迪拉甘地原子能研究中心

研究使用P91和P92的低周疲劳应力特性。

华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室

对SCWR包壳候选材料的F/M类材料P92钢进行了高温低周疲劳实验研究。实验温度为600和650℃,控制方式为总应变控制,应变范围均为0.2%~0.6%

武汉大学

T/P91钢国产化工艺组织和性能改进的研究与应用

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

本课题通过不同温度和不同应力下的p92疲劳寿命实验,对于p92钢在不同应力下的疲劳寿命曲线进行分析。解决问题如下:

1.了解疲劳断裂的类型及产生原因。

2.掌握疲劳断裂产生机理、分类、影响因素和疲劳断裂实验的实验方法。

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