Inconel 625波纹管高温蠕变疲劳寿命预估

2021-06-22张力文

工业加热 2021年5期

张力文

(西安航空职业技术学院,陕西西安 710089)

髙温膨胀节主要用于石油化工等炼化行业的催化裂化装置中，其核心部件波纹管的设计温度达到560～760 ℃，在此高温下，波纹管常采用耐热镍基合金Inconel 625，且该温度范围已经达到Inconel 625的蠕变温度。目前在国内外相关标准中，有关波纹管疲劳寿命的规定均为成形态奥氏体不锈钢和耐蚀合金波纹管的疲劳寿命公式[1]。因此，在平时的设计中，对于用于高温工况下的膨胀节，通常是借用GB/T12777—2008或者EJMA标准中蠕变温度以下波纹管膨胀节的疲劳寿命计算公式来进行的[2]。但是使用常规设计的方式会对装置的安全性预期不足，因此，需要建立高温疲劳公式来指导实际工程应用。EJMA标准第九版附录G中描述了高温下波纹管疲劳寿命公式的计算方法，该方法建立在高温疲劳试验的基础之上。

因此，通过波纹管的高温疲劳试验，可以得到EJMA附录G中推导高温疲劳公式所需要的实验数据，用来指导用于高温工况下的波纹管设计，也可以为今后的研究积累实验数据。

1 试验设计

1.1 试验件参数

结合现已有的模具，试验材料储备量，以及加热试验炉的内腔空间，确定试验件参数如表1所示。

表1 Inconel 625材料波纹管参数

波纹管成型固溶处理之后，对每个波纹管的波高、波距和波纹长度进行了测量。测量时，对每个波纹管的四个方位(0°、90°、180°、270°)的波高、波距进行记录。根据GB/T12777—2008中的规定，U形波纹管波高、波距、波纹长度的标准公差等级应为GB/T 1800.3—1998[6]中规定的IT18级，其偏差为±IT18/2。查表得：当基本尺寸在180～250 mm时，IT18=7.2 mm，当基本尺寸在18～30 mm时，IT18=3.3 mm，故波纹管波高、波距尺寸公差不得超过±1.65 mm、波纹长度公差不得超过±3.6 mm。实际测量所得尺寸公差如表2所示。

表2 Inconel625材料波纹管实测公差

由表2可知，波纹管的波高、波距、波纹长度符合GB/T12777—2008中的要求，可以用于高温蠕变疲劳试验。

1.2 试验条件

Inconel 625材料在675 ℃温度下具有良好的高温疲劳性能，在690 ℃左右温度时存在明显的敏化现象，导致疲劳寿命大幅减少。720 ℃时，敏化现象不明显。在催化裂化管线装置中，不安装隔热耐磨衬里时，管线温度高达700～760 ℃，同时考虑到Inconel 625的蠕变温度，因此试验温度取720 ℃。根据EJMA标准附录G中的要求，相同设计的两个波纹管试验件，保持时间应至少相差100倍。同时，为了体现蠕变对试验件疲劳寿命的影响，故将试验件的保持时间定为1/6 h以及1/600 h。为了使试验件中蠕变对波纹管疲劳寿命的影响与工程实例接近，两者由压力引起的波纹管周向薄膜应力的大小水平(EJMA标准当中规定的S2)应该相当，同时应保证S1、S2、S3、S4等参数满足强度校核，因此本次试验的试验压力定为0.5 MPa。试验采用电加热炉进行加热，将波纹管放入电加热炉当中。炉中由两个加热器进行加热，两个加热器分别由上、下两个温控装置进行温度的检测与控制，以保证加热炉中温度的恒定，加热炉的控制仪上的温度表与热电偶相连接，可以实时显示电加热炉的温度。根据EJMA标准附录G中的要求，设计不同的两组试验件，应力水平应至少相差两倍。综上所述，试验参数设置如表3所示。

表3 高温蠕变疲劳参数

1.3 试验结果

固溶态Inconel625合金波纹管的高温蠕变疲劳试验结果如表4所示，如表可知，只有3号Inconel625材料的波纹管试件的高温疲劳寿命达到了设计寿命。对比3号和4号试验的试验结果，当波纹管的设计疲劳寿命为66次时，发现随保载时间的增加，波纹管的高温

表4 高温蠕变疲劳试验结果

疲劳试验寿命呈现出显著的下降，由保载时间为1/600 h的131次下降到保载时间为1/6 h的60次，寿命下降约54.2%。对比1号、 2号和5号波纹管的高温蠕变疲劳试验结果，可以发现当波纹管的设计疲劳寿命为1 500次时，随保载时间的增加，波纹管的高温疲劳试验寿命也呈现出下降趋势。5号无保载时间的试验寿命最大，其次是保载时间为1/600 h，试验寿命最低的保载时间为1/6 h。1号试样疲劳寿命比5号试样疲劳寿命下降约51.9%，2号试样疲劳寿命比5号试样疲劳寿命下降约83.9%，综上分析，可以得出保载时间显著影响着波纹管高温蠕变疲劳寿命，当应力水平一定时，随着保载时间的增加，寿命成下降趋势。对比1号和3号、2号和4号，当保载时间一定时，应力水平越高，试验疲劳寿命可越接近设计疲劳寿命。低应力较低时，波纹管的试验疲劳寿命与设计疲劳寿命存在较大的误差，且试验寿命均未达到设计寿命。因此应力水平的高低一定程度上影响着波纹管疲劳寿命。

2 EJMA高温疲劳公式的建立与改进

2.1 EJMA高温疲劳公式的建立

EJMA第九版附录G中在高温疲劳试验的基础上，采用了以下估算波纹管高温疲劳寿命的方法。该方法要求每次疲劳试验需要的波纹管试件总数为4个，编号1、2号和3、4号两组均具有相同的设计，1号和2号的总应力范围(St)应与3号和4号有所不同，且两组试验至少相差两倍，1号和3号、2号和4号的单次循环保载时间需一致，且1、3号与2、4号单次循环的保载时间至少相差100倍。如表5所示。

表5 EJMA附录G对于试验件的要求

参考文献[4]疲劳曲线的推导方法，该方法将表5中的各个参数取对数并放置于三维空间坐标系中，如图1所示。

图1 EJMA附录G高温疲劳公式推导示意图

(1)

表示直线56的斜率。将56延长交lgNc轴于lgb点，这点就可以作为初始位置：lgb=lgNC4+BlgHt2+aSt34。

假设斜率A与斜率B之间的变化是线性的，以c表示斜率的变化率：

(2)

d表示当St=0时理论的斜率值：

d=A+clgSt12

(3)

综上各式，有

lgNc=lgb-algSt-(d-clgSt)lgHt

(4)

化简整理得：

(5)

利用上述推出的波纹管高温疲劳公式以及1号～4号波纹管的试验数据，得到720 ℃时，Inconel625材料的波纹管高温蠕变疲劳公式如下：

(6)

2.2 EJMA高温疲劳公式的改进

EJMA公式提供了解决高温疲劳问题的途径，然而公式依然存在以下问题：

(1)该公式的建立仅取决于4个试件的实验结果，单个试件的实验误差将极大地影响整个实验结果；

(2)对于保持时间的假设过于严格，实际工程中的疲劳破坏问题很难作为新加入的数据点进行曲面的修正；

(3)EJMA公式的建立是基于斜率之间变化呈线性的基础之上，而实际工程之中很难达到这种理想状态；

EJMA高温疲劳公式可视为应力和保载时间的二元函数，在三维空间中可以以曲面的形式表示。当实验数据点较多时，使用最小二乘法可得到更精确的结果。

因此，基于最小二乘法的原理，本文对EJMA的高温疲劳公式进行改进。将式(5)展开，可得

lgNc=lgb-algSt-dlgHt+clgStlgHt

(7)

式中：a,b,c,d为EJMA公式中所含的参数。若将式(7)中lgNc作为z，lgSt与lgHt分别作为自变量x,y,其余系数分别对应取为m,n,q,p,将式(7)写成z=f(x,y)的形式，有

z=m+nx+qy+pxy

(8)

在一定应力和保载时间下进行高温疲劳试验可得到疲劳寿命，然后将疲劳寿命、应力、保载时间均取对数形式，得到点(x1,y1,z1),(x2,y2,z2)，…，(xi,yi,zi)到曲面z=f(x,y)的距离为D1,D2……Dn,令

(9)

则当Σ最小时，有

(10)

通过以上四个方程联立，解出m,n,q,p四个系数。再将式(8)进行化简，即可得到拟合出的疲劳公式：

(11)

将5号试验件的疲劳寿命2 625次带入上述改进的蠕变疲劳公式中。5号试样为无保持时间，lgHt趋近于负无穷，故近似取Ht=1/3 600 h(1 s)来进行计算。

拟合结果的相关系数R2=0.999 4，表明结果相关性很强。根据结果，可以得到新的高温疲劳公式为

(12)

将实验得到的疲劳寿命与由EJMA高温疲劳公式计算得到的和由改进后的高温疲劳公式计算获得的疲劳寿命进行对比，结果如表6所示，两种疲劳公式计算获得的相对误差与平均误差如图2所示。

表6 试验结果与两种预估公式计算结果的比较

图2 两种高温疲劳公式误差比较

由两个高温疲劳公式计算获得的疲劳寿命及误差图对比可以看出，由改进的EJMA公式计算获得的疲劳寿命平均误差小于由EJMA公式计算的疲劳寿命平均误差。取St=1 079 MPa，Ht=1/3 600 h，两种公式计算得到的计算结果均偏于保守，并且由改进法得到的公式与实验结果更加接近。因此，由EJMA法推导出的高温疲劳公式和改进的高温疲劳公式均是可行的。