插入式锅筒集中下降管裂纹安全性评估方法及系统与流程

本发明属于电站设备评估，具体涉及插入式锅筒集中下降管裂纹安全性评估方法及系统。

背景技术：

1、电站锅炉是火力发电系统的核心能量转换设备，其中锅筒（汽包）作为工质储存、汽水分离的关键受压部件，其运行安全性直接决定机组整体可靠性。插入式锅筒集中下降管是锅筒向水冷壁输送循环冷却水的主要通道，通常采用大管径厚壁管材与锅筒筒体焊接连接，接口部位存在结构不连续、应力集中效应显著的特点，长期承受高温高压工质压力、启停过程中的交变热应力以及管系振动载荷的联合作用，插入式锅筒集中下降管焊缝及热影响区极易萌生和扩展裂纹缺陷。

2、插入式锅筒集中下降管区域的裂纹缺陷主要包括疲劳裂纹、应力腐蚀裂纹和蠕变裂纹等类型，其形成机理复杂，当前针对裂纹缺陷的安全性评估主要依赖传统方法：一类是基于规范的常规合于使用评价方法，通常仅考虑单一静压载荷下的薄膜应力，忽略结构不连续带来的弯曲应力、峰值应力，也未充分考虑启停循环、变负荷运行产生的疲劳损伤累积；另一类是直接采用通用有限元软件开展数值模拟，但针对插入式下降管这类特殊结构，缺乏适配的几何参数化建模规则、载荷工况组合标准以及裂纹扩展量化判定逻辑，评估结果离散度高，难以直接支撑检修决策。

3、同时，现有评估流程多为离线人工分析模式，裂纹尺寸检测依赖超声、磁粉等传统无损检测结果的手工录入，应力计算与断裂力学评定环节割裂，从现场检验到出具评估结论的周期普遍超过7天，无法满足机组临停检修、状态检修的快速决策需求。此外，现有方法未建立裂纹扩展速率与剩余寿命的关联预测模型，无法给出量化的下次检验周期建议，往往导致“过度维修”或“带伤运行风险不可控”的两难问题。

4、中国专利cn121298795a公开了一种电厂锅炉管裂纹缺陷安全评估方法及相关装置，属于电厂设备安全评估技术领域，所述方法包括以下步骤：对电厂锅炉管进行裂纹检测，并对锅炉管裂纹缺陷样本进行金相组织观察、裂纹分析和性能分析，得到金相组织观察结果、裂纹微观分析数据和材料性能评估结果，结合位置数据和几何数据建立裂纹扩展模型，预测得到扩展速率；最后对电厂锅炉管进行剩余寿命评估，得到剩余安全运行寿命；综合上述数据进行安全评估得到裂纹缺陷安全评估结果和决策建议，完成电厂锅炉管裂纹缺陷安全评估。但是现有方法缺乏对疲劳与应力腐蚀耦合作用的裂纹扩展路径追踪及增量迭代模拟，仅给出粗略的剩余寿命估值，无法输出可视化的裂纹扩展趋势与量化安全裕度，难以支撑插入式下降管在复杂启停及变负荷工况下的精准分级决策与状态检修安排。

5、综上，现有技术存在针对性不足、评估效率低、结果可参考性弱的问题，难以适配当前火电设备状态检修、智慧运维的发展需求，针对上述问题，我们提出了插入式锅筒集中下降管裂纹安全性评估方法及系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供插入式锅筒集中下降管裂纹安全性评估方法及系统，解决了现有技术针对性不足、评估效率低、结果可参考性弱的问题。

2、本发明是这样实现的，插入式锅筒集中下降管裂纹安全性评估方法，所述插入式锅筒集中下降管裂纹安全性评估方法包括：

3、获取插入式锅筒集中下降管的多源异构评估基准参数，其中，多源异构评估基准参数包括下降管物理几何参数、材料性能参数、历史运行工况参数，所述下降管物理几何参数包括锅筒内径、壁厚、下降管外径及壁厚、插入深度、焊缝坡口角度及过渡圆角半径，所述材料性能参数包括热态杨氏模量、泊松比、抗拉强度、屈服强度及断裂韧性，所述历史运行工况参数包括工作压力、启动温度分布、残余应力及运行年限，基于多源异构评估基准参数建立包含裂纹缺陷的三维有限元模型；

4、加载三维有限元模型，在三维有限元模型中引入裂纹初始缺陷预设参数，基于断裂力学法计算裂纹尖端在不同运行工况下的应力强度因子分布；

5、获取裂纹尖端在不同运行工况下的应力强度因子分布，预构建裂纹扩展预测模型，基于裂纹扩展预测模型结合应力强度因子分布计算当前裂纹状态下的剩余寿命和裂纹扩展路径；

6、以下降管材料断裂韧性、目标服役周期以及下降管结构参数为约束，结合当前裂纹状态下的剩余寿命和裂纹扩展路径，综合评估插入式锅筒集中下降管的当前裂纹的安全等级。

7、优选地，基于多源异构评估基准参数建立包含裂纹缺陷的三维有限元模型的方法，包括：

8、加载多源异构评估基准参数，识别多源异构评估基准参数中下降管物理几何参数，基于下降管物理几何参数建立无裂纹的下降管初始有限元模型，所述下降管初始有限元模型按照锅筒下降管焊接接头1:1实体比例构建，并简化去除对管接头处应力分布无影响的小口径开孔结构；

9、基于八节点六面体单元对下降管初始有限元模型进行网格划分，并对网格进行无关性考察以确定最优网格尺寸，在插入式锅筒内壁和下降管外壁连接处设置网格加密区，并构建反映焊趾几何形状的过渡圆角模型，将过渡圆角模型与设置网格加密区的下降管初始有限元模型融合，输出包含加密子模型的下降管初始有限元模型；

10、获取包含加密子模型的下降管初始有限元模型，对下降管初始有限元模型进行应力分布分析，识别集中下降管管接头最大应力位置及焊趾线不同位置的应力分布差异；

11、基于下降管初始有限元模型应力分布结果确定裂纹萌生位置和扩展方向，所述裂纹萌生位置包括焊趾线位置及内拐角高应力区，所述扩展方向包括沿焊趾线延伸方向及与焊缝轴线成预设夹角方向，以材料性能参数为先验，对加密子模型沿四分之一节点奇异单元进行离散，得到裂纹奇异化网格，将裂纹奇异化网格作为边界条件施加于下降管初始有限元模型，得到包含裂纹缺陷的三维有限元模型。

12、优选地，所述基于断裂力学法计算裂纹尖端在不同运行工况下的应力强度因子分布的方法，包括：

13、基于初始缺陷预设参数在三维有限元模型中识别应力集中区域中裂纹尖端，所述应力集中区域包括管座与锅筒筒体连接处的角焊缝区域、下降管插入段与锅筒内壁的过渡区域及锅筒筒体开孔边缘的加强区域，所述初始缺陷预设参数包括裂纹深度、裂纹长度、裂纹平面与主应力方向的夹角及相邻裂纹的间距；

14、采用位移外推法计算裂纹尖端不同运行工况下的应力强度因子，并对不同裂纹前沿位置的应力强度因子进行多项式拟合，获得沿裂纹前沿的应力强度因子分布曲线，所述位移外推法的计算结果通过与gb/t19624-2019理论计算值对比验证，误差控制在预设阈值范围内；

15、计算插入式锅筒集中下降管结构的几何不连续因子，所述几何不连续因子综合考虑锅筒筒体与下降管的直径比、壁厚比、插入深度比及焊缝形状系数，根据所述几何不连续因子和初始缺陷预设参数，确定结构约束因子，所述结构约束因子表征裂纹尖端三轴应力状态对断裂韧性的影响，结构约束因子通过三维有限元分析结合j-q理论确定；

16、基于结构约束因子对平面应变断裂韧性进行修正，获得插入式锅筒集中下降管结构的材料断裂韧性，所述修正过程考虑锅筒热态运行条件下的残余应力与热应力耦合效应；

17、获取插入式锅筒集中下降管结构的材料断裂韧性，基于插入式锅筒集中下降管结构的材料断裂韧性和应力强度因子构建失效评定曲线，所述失效评定曲线的横坐标为载荷比，纵坐标为断裂比。

18、优选地，所述裂纹扩展预测模型构建方法，包括：

19、基于失效评定曲线构建疲劳裂纹扩展速率模型，采用paris公式描述疲劳裂纹扩展行为，所述paris公式中的材料常数基于锅筒启停循环次数及变负荷运行历史数据标定；

20、结合材料性能参数建立应力腐蚀裂纹扩展速率模型，并采用幂律形式描述应力腐蚀裂纹扩展行为，所述幂律形式中的环境相关常数基于高温高压工质水质参数及温度波动数据确定；

21、加载疲劳裂纹扩展速率模型、应力腐蚀裂纹扩展速率模型，对疲劳裂纹扩展速率模型、应力腐蚀裂纹扩展速率模型进行耦合叠加，得到裂纹扩展预测模型，所述耦合叠加过程根据应力强度因子水平、载荷频率及温度参数划分各裂纹扩展机制的主导区间。

22、优选地，基于裂纹扩展预测模型结合应力强度因子分布计算当前裂纹状态下的剩余寿命和裂纹扩展路径的方法，包括：

23、根据当前裂纹的几何尺寸和位置，结合所述应力强度因子分布，确定裂纹扩展的驱动力分布，所述当前裂纹的几何尺寸包括裂纹深度及裂纹长度，所述位置包括裂纹平面与轴向应力及周向应力的夹角关系；

24、以最大周向应力准则或最大能量释放率准则，预测裂纹前沿各点的扩展方向，所述扩展方向垂直于最大主应力方向；

25、所述裂纹扩展预测模型基于所述扩展方向，采用增量法逐步模拟裂纹的扩展过程，当所述应力强度因子达到下降管材料断裂韧性或裂纹深度达到结构壁厚，判定结构失效，以累计的扩展时间作为剩余寿命；

26、获取裂纹前沿各点的扩展方向，以所述扩展方向为法向按预设增量步长更新裂纹前沿节点位置，经样条拟合与裂纹面重构生成更新后的三维有限元模型，并在重新计算应力强度因子后进入下一增量迭代，直至满足失效判据，将各迭代步的裂纹形貌按载荷循环次数串联，得到裂纹扩展路径；

27、当插入式锅筒集中下降管区域存在两条及以上非共面分布裂纹时，计算裂纹之间的应力场相互作用，通过裂纹尖端应力强度因子的放大因子修正各裂纹的应力强度因子，所述放大因子根据裂纹间距、裂纹相对位置及裂纹尺寸比确定。

28、优选地，所述结合当前裂纹状态下的剩余寿命和裂纹扩展路径，综合评估插入式锅筒集中下降管的当前裂纹的安全等级的方法，包括：

29、加载当前裂纹状态下的剩余寿命和裂纹扩展路径，提取裂纹扩展路径中的裂纹深度-时间曲线、裂纹长度-时间曲线及裂纹形状演变参数，所述裂纹形状演变参数包括裂纹深长比的变化率；

30、基于下降管材料断裂韧性与当前裂纹状态下应力强度因子的比值计算断裂安全裕度，所述断裂安全裕度反映裂纹抵抗快速扩展的断裂韧性储备，并基于预测剩余寿命与目标服役周期的比值确定寿命安全裕度，所述目标服役周期根据企业检修计划及机组运行年限确定；

31、获取裂纹扩展路径中的裂纹深度-时间曲线和裂纹长度-时间曲线，计算相邻增量步的裂纹深度扩展速率比值和裂纹长度扩展速率比值，基于裂纹深度扩展速率比值和裂纹长度扩展速率比值加权计算得到裂纹扩展稳定性指数，所述裂纹扩展稳定性指数反映裂纹扩展趋势的可控程度。

32、优选地，所述结合当前裂纹状态下的剩余寿命和裂纹扩展路径，综合评估插入式锅筒集中下降管的当前裂纹的安全等级的方法，还包括：

33、基于所述断裂安全裕度、所述寿命安全裕度及所述裂纹扩展稳定性指数，采用加权综合评分法确定安全等级评分值，所述加权综合评分法中的权重系数根据插入式锅筒集中下降管的历史失效案例及专家经验确定；

34、基于安全等级评分值划分安全等级，所述安全等级包括安全、注意、警告和危险四个级别，所述安全等级对应失效评定图中评价点与评定曲线的相对位置关系，当评价点位于评定曲线左下方且安全裕量充足时判定为安全等级，当评价点临近评定曲线时判定为注意或警告等级，当评价点位于评定曲线右上方时判定为危险等级；

35、基于当前裂纹的安全等级生成针对性维护建议报告，所述维护建议报告包括裂纹几何参数、应力强度因子分布、安全裕度计算结果、剩余寿命预测结果、裂纹扩展路径可视化图、失效评定图、安全等级评定结论及针对性的维护建议，所述针对性的维护建议包括继续运行并设定常规检验周期、缩短检验周期并在计划停机时复核、限制运行工况并尽快安排检修、以及立即停机进行消缺处理。

36、另一方面，本发明还提供了插入式锅筒集中下降管裂纹安全性评估系统，所述插入式锅筒集中下降管裂纹安全性评估系统，包括：

37、有限元建模模块，用于获取插入式锅筒集中下降管的多源异构评估基准参数，其中，多源异构评估基准参数包括下降管物理几何参数、材料性能参数、历史运行工况参数，基于多源异构评估基准参数建立包含裂纹缺陷的三维有限元模型；

38、应力强度因子计算模块，用于加载三维有限元模型，在三维有限元模型中引入裂纹初始缺陷预设参数，基于断裂力学法计算裂纹尖端在不同运行工况下的应力强度因子分布；

39、裂纹扩展预测模块，用于获取裂纹尖端在不同运行工况下的应力强度因子分布，预构建裂纹扩展预测模型，基于裂纹扩展预测模型结合应力强度因子分布计算当前裂纹状态下的剩余寿命和裂纹扩展路径；

40、安全等级评估模块，用于以下降管材料断裂韧性、目标服役周期以及下降管结构参数为约束，结合当前裂纹状态下的剩余寿命和裂纹扩展路径，综合评估插入式锅筒集中下降管的当前裂纹的安全等级。

41、优选地，所述有限元建模模块包括：

42、初始构建单元，用于加载多源异构评估基准参数，识别多源异构评估基准参数中下降管物理几何参数，基于下降管物理几何参数建立无裂纹的下降管初始有限元模型，所述下降管初始有限元模型按照锅筒下降管焊接接头1:1实体比例构建；

43、子模型加密单元，基于八节点六面体单元对下降管初始有限元模型进行网格划分，并对网格进行无关性考察以确定最优网格尺寸，在插入式锅筒内壁和下降管外壁连接处设置网格加密区，并构建反映焊趾几何形状的过渡圆角模型，将过渡圆角模型与设置网格加密区的下降管初始有限元模型融合，输出包含加密子模型的下降管初始有限元模型；

44、应力分布分析单元，用于获取包含加密子模型的下降管初始有限元模型，对下降管初始有限元模型进行应力分布分析，识别集中下降管管接头最大应力位置及焊趾线不同位置的应力分布差异；

45、三维有限元模型输出单元，基于下降管初始有限元模型应力分布结果确定裂纹萌生位置和扩展方向，以材料性能参数为先验，对加密子模型沿四分之一节点奇异单元进行离散，得到裂纹奇异化网格，将裂纹奇异化网格作为边界条件施加于下降管初始有限元模型，得到包含裂纹缺陷的三维有限元模型。

46、优选地，所述应力强度因子计算模块包括：

47、裂纹尖端识别单元，基于初始缺陷预设参数在三维有限元模型中识别应力集中区域中裂纹尖端，所述应力集中区域包括管座与锅筒筒体连接处的角焊缝区域、下降管插入段与锅筒内壁的过渡区域及锅筒筒体开孔边缘的加强区域；

48、分布曲线生成单元，采用位移外推法计算裂纹尖端不同运行工况下的应力强度因子，并对不同裂纹前沿位置的应力强度因子进行多项式拟合，获得沿裂纹前沿的应力强度因子分布曲线，所述位移外推法的计算结果通过与gb/t19624-2019理论计算值对比验证；

49、结构约束因子确定单元，用于计算插入式锅筒集中下降管结构的几何不连续因子，所述几何不连续因子综合考虑锅筒筒体与下降管的直径比、壁厚比、插入深度比及焊缝形状系数，根据所述几何不连续因子和初始缺陷预设参数，确定结构约束因子，所述结构约束因子表征裂纹尖端三轴应力状态对断裂韧性的影响，结构约束因子通过三维有限元分析结合j-q理论确定；

50、断裂韧性输出单元，基于结构约束因子对平面应变断裂韧性进行修正，获得插入式锅筒集中下降管结构的材料断裂韧性，所述修正过程考虑锅筒热态运行条件下的残余应力与热应力耦合效应；

51、失效评定曲线生成单元，用于获取插入式锅筒集中下降管结构的材料断裂韧性，基于插入式锅筒集中下降管结构的材料断裂韧性和应力强度因子构建失效评定曲线，所述失效评定曲线的横坐标为载荷比，纵坐标为断裂比。

52、与现有技术相比，本技术实施例主要有以下有益效果：

53、本发明针对插入式锅筒集中下降管焊缝及热影响区裂纹缺陷，构建了涵盖几何参数化建模、应力强度因子精确计算、多机制耦合裂纹扩展预测及三维加权安全等级评定的完整评估体系，实现了从裂纹检测到维护决策的全流程量化分析；通过引入结构约束因子修正断裂韧性、采用增量法逐步模拟裂纹前沿扩展路径，并融合断裂安全裕度、寿命安全裕度及裂纹扩展稳定性指数进行加权评分，有效解决了现有技术对插入式下降管特殊结构针对性不足、评估结果离散度高、难以直接支撑检修决策的问题，为锅炉合于使用评价和状态检修提供了快速、准确、可量化的技术支撑。

54、本发明通过构建融合paris公式疲劳裂纹扩展模型与幂律形式应力腐蚀裂纹扩展模型的多机制耦合裂纹扩展预测模型，并基于应力强度因子水平、载荷频率及温度参数动态划分各扩展机制的主导区间，实现了对插入式锅筒集中下降管在复杂服役环境下裂纹扩展行为的精准刻画；该模型突破了单一机制模型的局限性，能够同时捕捉启停循环产生的疲劳损伤与高温高压水质环境引发的应力腐蚀损伤的协同效应，显著提升了剩余寿命预测和裂纹扩展路径追踪的准确性，为锅炉状态检修和差异化维护策略制定提供了可靠的量化依据。

55、本发明通过构建融合裂纹扩展驱动力分析、多准则扩展方向预测、增量法逐步模拟、自适应裂纹面重构及非共面多裂纹交互效应修正的裂纹扩展路径追踪体系，实现了对插入式锅筒集中下降管裂纹从萌生到失效全演化过程的精准刻画；以最大周向应力准则或最大能量释放率准则科学预测裂纹偏转行为，以增量迭代方式动态更新裂纹前沿几何并自动重构有限元模型，以放大因子修正机制有效处理多裂纹应力场相互作用，显著提升了剩余寿命预测精度和裂纹扩展路径可视化能力，为锅炉合于使用评价和差异化维护决策提供了可靠的量化技术支撑。