本發(fā)明涉及石油化工領(lǐng)域，尤其涉及一種焦炭塔裂紋萌生壽命及裂紋擴(kuò)展壽命的預(yù)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

焦炭塔又稱焦化塔或熱裂化反應(yīng)器，是煉油工業(yè)中延遲焦化的關(guān)鍵設(shè)備。它把價(jià)值低的劣質(zhì)油轉(zhuǎn)化為價(jià)值高的汽油和中餾分油，產(chǎn)生著巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

由于延遲焦化工藝的特點(diǎn)，使焦炭塔經(jīng)歷循環(huán)的升溫、降溫過(guò)程，16至48小時(shí)內(nèi)在室溫與495℃之間循環(huán)變化，同時(shí)容器承載的介質(zhì)由氣態(tài)到液態(tài)至固態(tài)，工作環(huán)境復(fù)雜、惡劣，致使焦炭塔在運(yùn)行若干年后普遍存在筒體鼓脹，筒體、焊縫和裙座等開(kāi)裂。任隨這些變形和損傷的發(fā)展將最終導(dǎo)致停產(chǎn)，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生嚴(yán)重的安全事故。美國(guó)石油協(xié)會(huì)(api)分別于1968、1979和1996年開(kāi)展了大規(guī)模的焦炭塔調(diào)查，根據(jù)調(diào)查結(jié)果，眾多的研究者認(rèn)為焦炭塔的問(wèn)題是由多種原因造成的。但由于數(shù)據(jù)的分散性，即使許多用戶公司都強(qiáng)烈要求api能夠出臺(tái)一個(gè)焦炭塔的設(shè)計(jì)及操作的規(guī)范，api認(rèn)為仍無(wú)法出臺(tái)這樣的規(guī)范。

雖然延遲焦化工藝保持不變，但現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)顯示，塔壁的應(yīng)變/應(yīng)力隨著循環(huán)而變化。原因有可能是多方面的，比如波動(dòng)的內(nèi)壓、溫度。但最主要的原因是：在水冷階段，冷水可能會(huì)通過(guò)焦床內(nèi)的通道直接冷卻塔壁，導(dǎo)致嚴(yán)重的熱梯度。一般情況下，焦床上的通道位置時(shí)隨機(jī)的。因此焦炭塔的循環(huán)并不是恒幅循環(huán)。在塔壁上安裝耐高溫應(yīng)變片是焦炭塔在線監(jiān)測(cè)常用的措施，但長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)成本非常高。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)顯示，焦炭塔塔壁的峰值應(yīng)力高于材料的屈服極限。焦炭塔的循環(huán)周期是24-36小時(shí)，總的循環(huán)壽命是20-30年。因此許多研究者認(rèn)為焦炭塔的失效模式為低周疲勞。疲勞壽命預(yù)測(cè)有兩種方法，一種是應(yīng)力壽命法，另一種是應(yīng)變壽命法。而應(yīng)變被證實(shí)是表征低周疲勞的極佳參量。鑒于當(dāng)前研究目的，本文采用應(yīng)變法來(lái)對(duì)裂紋萌生進(jìn)行預(yù)測(cè)，以及采用應(yīng)力法來(lái)對(duì)裂紋擴(kuò)展失穩(wěn)的進(jìn)行預(yù)測(cè)，幫助焦炭塔用戶制定將來(lái)維護(hù)和檢修的策略，對(duì)他們來(lái)說(shuō)裂紋萌生及裂紋擴(kuò)展失穩(wěn)的預(yù)測(cè)非常重要。

而且，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，由于焦炭塔結(jié)構(gòu)及操作工藝的復(fù)雜性，要想依靠理論分析的結(jié)果對(duì)焦炭塔進(jìn)行疲勞損傷預(yù)測(cè)是非常困難的。因此現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)以及在實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)上去認(rèn)識(shí)焦炭塔的問(wèn)題，對(duì)焦炭塔低周疲勞分析以及安全評(píng)估顯得尤為重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的任務(wù)之一提供一種焦炭塔裂紋萌生壽命的預(yù)測(cè)方法，該方法基于實(shí)測(cè)應(yīng)變數(shù)據(jù)建立預(yù)測(cè)方法模型來(lái)預(yù)測(cè)的現(xiàn)役焦炭塔裂紋萌生壽命，避免長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的高成本。

采用的技術(shù)方案如下：

建立焦炭塔壁應(yīng)變幅的概率分布模型；

對(duì)給定循環(huán)周期n下，根據(jù)應(yīng)變幅的所述概率分布模型，對(duì)所述應(yīng)變幅進(jìn)行蒙特卡羅隨機(jī)方法抽樣，產(chǎn)生應(yīng)變幅數(shù)據(jù)樣本，并計(jì)算每個(gè)應(yīng)變幅相應(yīng)的疲勞壽命和疲勞損傷；

所述疲勞損傷在給定迭代次數(shù)下進(jìn)行累積，若疲勞損傷達(dá)到或超過(guò)1.0，則出現(xiàn)裂紋萌生；

裂紋萌生累計(jì)次數(shù)與給定迭代次數(shù)的比值獲得所述給定循環(huán)周期n下裂紋萌生概率；

根據(jù)所述給定循環(huán)周期n，所述裂紋萌生概率和給定置信度，計(jì)算預(yù)測(cè)焦炭塔壁裂紋萌生概率與剩余壽命之間的關(guān)系。

對(duì)上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)：

所述建立焦炭塔壁應(yīng)變幅的概率分布模型具體包括如下步驟：

通過(guò)耐高溫應(yīng)變片采集焦炭塔壁危險(xiǎn)點(diǎn)的循環(huán)周期樣本容量的應(yīng)變數(shù)據(jù)；

計(jì)算每個(gè)所述循環(huán)周期的應(yīng)變幅；

對(duì)所述應(yīng)變幅取對(duì)數(shù)，獲得應(yīng)變幅服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布的所述概率分布模型。

所述計(jì)算每個(gè)循環(huán)周期的應(yīng)變幅步驟中，

所述應(yīng)變幅通過(guò)公式(1)計(jì)算獲得，

其中，分別為每個(gè)循環(huán)中的最大和最小的vonmises當(dāng)量應(yīng)變，當(dāng)量應(yīng)變的計(jì)算表達(dá)式如下：式中εz，εθ分別為軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變的所述應(yīng)變數(shù)據(jù)，μ為材料泊松比。

所述計(jì)算每個(gè)應(yīng)變幅相應(yīng)的疲勞壽命和疲勞損傷步驟中，具體采用manson-coffin低周應(yīng)變疲勞公式或塑性應(yīng)變能密度法計(jì)算抽樣所述應(yīng)變幅樣本中每個(gè)應(yīng)變幅對(duì)應(yīng)的疲勞壽命和疲勞損傷。

所述疲勞損傷在給定迭代次數(shù)下進(jìn)行累積步驟中，具體利用miner損傷法則對(duì)所述給定循環(huán)周期n下應(yīng)變幅產(chǎn)生的疲勞損傷進(jìn)行累積。

本發(fā)明的任務(wù)之二提供一種焦炭塔裂紋萌生壽命的預(yù)測(cè)方法，該方法基于實(shí)測(cè)應(yīng)力數(shù)據(jù)建立預(yù)測(cè)方法模型來(lái)預(yù)測(cè)現(xiàn)役焦炭塔的裂紋擴(kuò)展壽命，避免長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的高成本。

采用的技術(shù)方案如下，焦炭塔裂紋擴(kuò)展壽命的預(yù)測(cè)方法，包括如下步驟：

建立焦炭塔壁應(yīng)力幅的概率分布模型；

對(duì)給定循環(huán)周期n下，根據(jù)所述應(yīng)力幅的概率分布模型，對(duì)應(yīng)力幅進(jìn)行蒙特卡羅隨機(jī)方法抽樣，產(chǎn)生應(yīng)力幅數(shù)據(jù)樣本，并計(jì)算每個(gè)應(yīng)力幅相應(yīng)的裂紋沿深度/長(zhǎng)度方向的應(yīng)力強(qiáng)度因子；

利用母材的所述應(yīng)力強(qiáng)度因子閾值判斷對(duì)給定循環(huán)周期n下每個(gè)應(yīng)力幅是否裂紋擴(kuò)展失穩(wěn)，對(duì)給定迭代次數(shù)下的所述裂紋擴(kuò)展失穩(wěn)進(jìn)行累積；

裂紋擴(kuò)展失穩(wěn)累計(jì)次數(shù)與所述給定迭代次數(shù)的比值獲得給定循環(huán)周期n下裂紋擴(kuò)展失穩(wěn)概率；

根據(jù)所述給定循環(huán)周期n，所述裂紋擴(kuò)展失穩(wěn)概率和給定置信度，計(jì)算預(yù)測(cè)焦炭塔壁裂紋擴(kuò)展失穩(wěn)概率與剩余壽命之間的關(guān)系。

對(duì)上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)：

所述建立焦炭塔壁應(yīng)力幅的概率分布模型包括如下步驟：

獲取焦炭塔壁危險(xiǎn)點(diǎn)的循環(huán)周期樣本容量的應(yīng)力數(shù)據(jù)；

計(jì)算每個(gè)所述循環(huán)樣本的應(yīng)力幅；

對(duì)所述應(yīng)力幅取對(duì)數(shù)，獲得應(yīng)力幅服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布的所述概率分布模型。

所述計(jì)算每個(gè)循環(huán)樣本的應(yīng)力幅步驟中，所述應(yīng)力幅通過(guò)公式(2)計(jì)算獲得，

δσz＝σzmax-σzmin(2)

其中，σzmax，σzmin分別為每個(gè)循環(huán)的軸向應(yīng)力最大、最小值。

所述利用母材的所述應(yīng)力強(qiáng)度因子閾值判斷對(duì)給定循環(huán)周期n下每個(gè)應(yīng)力幅是否裂紋擴(kuò)展失穩(wěn)步驟，其具體步驟為：

給定裂紋初始尺寸，給定裂紋擴(kuò)展臨界尺寸；

所述應(yīng)力強(qiáng)度因子小于應(yīng)力強(qiáng)度因子閾值時(shí)，則認(rèn)為當(dāng)前應(yīng)力幅下的裂紋擴(kuò)展達(dá)到失穩(wěn)狀態(tài)；

或者，根據(jù)paris定律計(jì)算在給定循環(huán)周期n下每個(gè)應(yīng)力幅對(duì)應(yīng)的裂紋尺寸，若所述應(yīng)力幅的裂紋尺寸大于裂紋擴(kuò)展臨界尺寸，則認(rèn)為當(dāng)前應(yīng)力幅下的裂紋擴(kuò)展達(dá)到失穩(wěn)狀態(tài)。

有益效果：

(1)本發(fā)明焦炭塔裂紋萌生壽命的預(yù)測(cè)方法提出了一種低成本的、基于蒙特卡洛隨機(jī)模擬的裂紋萌生壽命預(yù)測(cè)方法，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)采集塔壁危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)據(jù)，然后對(duì)應(yīng)變數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立起應(yīng)變幅的概率分布模型，進(jìn)而基于概率模型產(chǎn)生大容量的應(yīng)變數(shù)據(jù)，最后，對(duì)在役的焦炭塔實(shí)施了裂紋萌生壽命概率預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)于焦炭塔用戶來(lái)說(shuō)更可靠，可用于評(píng)估今后焦炭塔服役的風(fēng)險(xiǎn)并制定今后維修和檢測(cè)的策略。

(2)本發(fā)明焦炭塔裂紋擴(kuò)展壽命的預(yù)測(cè)方法提出了一種低成本的、基于蒙特卡洛隨機(jī)模擬的裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測(cè)方法，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)采集塔壁危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力數(shù)據(jù)，然后對(duì)力變數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立起應(yīng)力幅的概率分布模型，進(jìn)而基于概率模型產(chǎn)生大容量的應(yīng)力數(shù)據(jù)，最后，對(duì)在役的焦炭塔實(shí)施了裂紋擴(kuò)展壽命概率預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)于焦炭塔用戶來(lái)說(shuō)更可靠，可用于評(píng)估今后焦炭塔服役的風(fēng)險(xiǎn)并制定今后維修和檢測(cè)的策略。

(3)本發(fā)明提供的一種焦炭塔裂紋萌生壽命及裂紋擴(kuò)展壽命的預(yù)測(cè)方法，不需要在塔壁安裝測(cè)溫?zé)犭娕迹瑢?duì)塔壁無(wú)損傷，并且根據(jù)循環(huán)應(yīng)力/應(yīng)變的統(tǒng)計(jì)規(guī)律性對(duì)焦炭塔進(jìn)行疲勞損傷預(yù)測(cè)，與以往的預(yù)測(cè)方法相比更為科學(xué)和有效。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明提供實(shí)施例1的焦炭塔裂紋萌生的概率預(yù)測(cè)方法的流程示意圖；

圖2是本發(fā)明提供實(shí)施例2的焦炭塔裂紋萌生壽命的預(yù)測(cè)方法的步驟s101的流程示意圖；

圖3是本發(fā)明提供實(shí)施例2的焦炭塔裂紋萌生壽命的預(yù)測(cè)方法的步驟s102-s105的流程示意圖；

圖4是本發(fā)明提供實(shí)施例3的焦炭塔裂紋萌生壽命的預(yù)測(cè)方法的焦炭塔壁應(yīng)變幅對(duì)數(shù)的條狀圖；

圖5是本發(fā)明提供實(shí)施例3的焦炭塔裂紋萌生壽命的預(yù)測(cè)方法的焦炭塔壁裂紋萌生概率與剩余壽命之間的關(guān)系圖；

圖6是本發(fā)明提供實(shí)施例4的焦炭塔裂紋擴(kuò)展壽命的預(yù)測(cè)方法的流程示意圖；

圖7是本發(fā)明提供實(shí)施例4的焦炭塔裂紋擴(kuò)展壽命的預(yù)測(cè)方法的步驟s401的具體流程示意圖；

圖8是本發(fā)明提供實(shí)施例5的焦炭塔裂紋擴(kuò)展壽命的預(yù)測(cè)方法的焦炭塔疲勞裂紋失穩(wěn)概率與剩余壽命之間的關(guān)系圖；

圖9是本發(fā)明提供實(shí)施例4的焦炭塔裂紋擴(kuò)展壽命的預(yù)測(cè)方法的步驟s402-s405的具體流程示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

實(shí)施例1

參見(jiàn)圖1，是本發(fā)明提供的焦炭塔裂紋萌生壽命的預(yù)測(cè)方法，包括

步驟s101：建立焦炭塔壁應(yīng)變幅的概率分布模型。

步驟s102：對(duì)給定循環(huán)周期n下，根據(jù)所述應(yīng)變幅的概率分布模型，對(duì)應(yīng)變幅進(jìn)行蒙特卡羅隨機(jī)方法抽樣，產(chǎn)生應(yīng)變幅數(shù)據(jù)樣本δεi/2，并計(jì)算每個(gè)應(yīng)變幅相應(yīng)的疲勞壽命和疲勞損傷。

本步驟中，采用manson-coffin低周應(yīng)變疲勞壽命公式：

計(jì)算每個(gè)δε/2對(duì)應(yīng)的裂紋萌生疲勞壽命，ε′f代表疲勞延性系數(shù)，c代表疲勞延性指數(shù)數(shù)，代表在給定循環(huán)周期n下第i個(gè)應(yīng)變幅(i＝1，2，...，n)，疲勞測(cè)試表明材料的疲勞延性系數(shù)和疲勞延性指數(shù)基本保持為常數(shù)。

根據(jù)公式計(jì)算所述給定循環(huán)周期n下的每個(gè)應(yīng)變幅相應(yīng)的疲勞損傷。

步驟s103：根據(jù)miner法則，對(duì)所述疲勞損傷在給定迭代次數(shù)下進(jìn)行累積，若疲勞損傷達(dá)到或超過(guò)1.0，則出現(xiàn)裂紋萌生。

具體地，每個(gè)循環(huán)周期中，都按上述給定迭代次數(shù)累積計(jì)算，給定迭代次數(shù)大于等于20000次，本實(shí)施例以保證統(tǒng)計(jì)樣本的充分大，采用給定迭代次數(shù)20000次。迭代變量初始值m＝0，k＝0，m用于標(biāo)記迭代完成的次數(shù)，k用于表示迭代過(guò)程中出現(xiàn)裂紋萌生的次數(shù)。

對(duì)疲勞損傷的積累，每迭代一次，相應(yīng)地，判斷疲勞損傷的累積(其中i代表在給定循環(huán)周期n下第i個(gè)應(yīng)變幅i＝1，2，...，n))是否等于或大于1，如果是，認(rèn)為出現(xiàn)裂紋萌生，裂紋萌生累計(jì)次數(shù)k加1；如果否，對(duì)當(dāng)前循環(huán)周期下的迭代次數(shù)m加1累積。

進(jìn)一步地，對(duì)當(dāng)前循環(huán)周期下的所述加1后的迭代次數(shù)m進(jìn)行判斷，是否小于給定的迭代次數(shù)閾值20000次，如果是，跳轉(zhuǎn)步驟s102，進(jìn)行當(dāng)前循環(huán)周期的下一應(yīng)變幅數(shù)據(jù)的計(jì)算；如果否，則跳轉(zhuǎn)步驟s104。

步驟s104：裂紋萌生累計(jì)次數(shù)k與給定迭代次數(shù)m的比值獲得裂紋萌生概率p＝k/m，其中定迭代次數(shù)m＝20000；

步驟s105：根據(jù)所述給定循環(huán)周期n，所述萌生裂紋概率p和給定置信度1-α，計(jì)算預(yù)測(cè)焦炭塔壁裂紋萌生概率與剩余壽命之間的關(guān)系。

本步驟中，應(yīng)變幅在通常情況下滿足對(duì)數(shù)正態(tài)分布，根據(jù)式(1-1)，裂紋萌生壽命也服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。

對(duì)應(yīng)定置信度1-α的置信區(qū)間為：

其中u1-α/2為正太分布的1-α/2分位數(shù)，為所述給定循環(huán)周期n的蒙特卡洛隨機(jī)數(shù)據(jù)的樣本標(biāo)準(zhǔn)差，nfm為第m次迭代中樣本應(yīng)變數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的平均壽命，即

實(shí)施例2

參見(jiàn)圖2，本實(shí)施例基于實(shí)施例1，其不同之處之一在于步驟s101建立焦炭塔壁應(yīng)變幅的概率分布模型，具體包括如下步驟：

s1011：獲取焦炭塔壁危險(xiǎn)點(diǎn)的循環(huán)周期樣本容量的應(yīng)變數(shù)據(jù)。

本步驟中，獲取焦炭塔外壁應(yīng)變數(shù)據(jù)采用耐高溫應(yīng)變片和動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀，每個(gè)測(cè)點(diǎn)在軸向和環(huán)向各安裝一片耐高溫應(yīng)變片，每一應(yīng)變片與所述動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀的一個(gè)測(cè)量通道連接。

s1012：根據(jù)所述應(yīng)變數(shù)據(jù)，計(jì)算每個(gè)所述循環(huán)周期的應(yīng)變幅，所述應(yīng)變幅通過(guò)公式(2-1)計(jì)算獲得，

其中，分別為每個(gè)循環(huán)中的最大和最小的vonmises當(dāng)量應(yīng)變，當(dāng)量應(yīng)變的計(jì)算表達(dá)式如下：式中εz，εθ分別為軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變的所述應(yīng)變數(shù)據(jù)，μ為材料泊松比。

s1013：對(duì)應(yīng)變幅取對(duì)數(shù)，獲得應(yīng)變幅服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布的所述概率分布模型，其中，其中為分布的期望，為分布的方差，和s²的計(jì)算方法如下：

其中，xi為第i次循環(huán)的應(yīng)變幅，n為采集的循環(huán)次數(shù)，s*為標(biāo)準(zhǔn)差。

參見(jiàn)圖3，本實(shí)施例基于實(shí)施例1，其不同之處之二在于步驟s105，跳轉(zhuǎn)到步驟s102進(jìn)行下一給定循環(huán)周期n的計(jì)算，繪制出裂紋萌生概率p與循環(huán)周期數(shù)n的關(guān)系曲線。

實(shí)施例3

本實(shí)施例通過(guò)一個(gè)具體的實(shí)施例詳細(xì)描述焦炭塔裂紋萌生壽命的預(yù)測(cè)方法，該方法包括如下步驟：

s301.對(duì)焦炭塔材料15crmor進(jìn)行低周疲勞實(shí)驗(yàn)，從而獲得15crmor的低周疲勞系數(shù)；所述疲勞數(shù)據(jù)如表1所示：

表1低周疲勞測(cè)試數(shù)據(jù)

本實(shí)施例采用mts-810材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行疲勞拉伸測(cè)試，試件的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)的方法和數(shù)據(jù)分析都按照國(guó)標(biāo)gb/t15248-94的要求。試驗(yàn)分為6組，每組的應(yīng)變水平如下：0.4％，0.6％，0.8％，1.0％，1.2％和1.5％；采用三角波形的載荷譜，應(yīng)變比為rε＝-1.

s302.對(duì)表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法擬合，得到manson-coffin關(guān)系式，即應(yīng)變-疲勞壽命如下關(guān)系式：

為應(yīng)變幅，nf為裂紋萌生壽命，0.2690為疲勞延性系數(shù)，-0.5278為疲勞延性指數(shù)。

s303.對(duì)監(jiān)測(cè)得到的n＝108個(gè)循環(huán)周期的應(yīng)變幅數(shù)據(jù)取對(duì)數(shù)處理后，獲得如表2所示的數(shù)據(jù)：

表2

監(jiān)測(cè)位置選在焦炭塔下部靠近焊縫的筒體處。這是一個(gè)典型的危險(xiǎn)點(diǎn)，其應(yīng)變水平通常很高從而導(dǎo)致裂紋萌生。監(jiān)測(cè)時(shí)間持續(xù)6個(gè)月，共108個(gè)循環(huán)。根據(jù)式(2-1)計(jì)算出等效應(yīng)變幅。對(duì)應(yīng)變幅取對(duì)數(shù)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后，繪制出如圖4所示的條形圖。由圖可見(jiàn)對(duì)數(shù)應(yīng)變幅可認(rèn)為滿足正態(tài)分布，其均值為-2.42，方差為0.205²，即

s304.給定循環(huán)周期數(shù)n＝{1700，1750，1800，1850，1900，1950，2000，2050，2100，2150，2200}，對(duì)每一循環(huán)周期數(shù)，運(yùn)用蒙特卡洛隨機(jī)方法，根據(jù)應(yīng)變幅的概率分布產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變樣本數(shù)據(jù)，對(duì)每一個(gè)應(yīng)變樣本數(shù)據(jù)，都按式(1-1)計(jì)算其疲勞壽命進(jìn)而計(jì)算其對(duì)應(yīng)的疲勞損傷其中，i為樣本中數(shù)據(jù)編號(hào)(i＝1，2，...，n)。

s305.對(duì)該循環(huán)周期下的疲勞損傷進(jìn)行累積，若疲勞損傷達(dá)到或超過(guò)1.0，則出現(xiàn)裂紋萌生。

具體地，每個(gè)循環(huán)周期數(shù)，都按上述方法迭代計(jì)算20000次，以保證統(tǒng)計(jì)樣本的充分大。迭代變量初始值m＝0，m用于標(biāo)記迭代完成的次數(shù)，用于表示迭代過(guò)程中出現(xiàn)裂紋萌生的次數(shù)。

對(duì)疲勞損傷的積累，每迭代一次，相應(yīng)地，判斷疲勞損傷的累積(其中i代表在給定循環(huán)周期n下第i個(gè)應(yīng)變幅i＝1，2，...，n)是否等于或大于1，如果是，認(rèn)為出現(xiàn)裂紋萌生，裂紋萌生累計(jì)次數(shù)k加1；如果否，對(duì)當(dāng)前循環(huán)周期下的迭代次數(shù)m加1累積。

進(jìn)一步地，對(duì)當(dāng)前循環(huán)周期下的所述加1后的迭代次數(shù)m進(jìn)行判斷，是否小于給定的迭代次數(shù)20000次，如果是，跳轉(zhuǎn)到步驟s304，進(jìn)行當(dāng)前循環(huán)周期的下一應(yīng)變幅數(shù)據(jù)樣本的計(jì)算；如果否，則跳轉(zhuǎn)步驟s306。

s306.對(duì)于當(dāng)前給定的循環(huán)周期數(shù)n，計(jì)算出其裂紋萌生概率p為裂紋萌生累計(jì)次數(shù)與給定迭代次數(shù)的比值，給定置信度，計(jì)算出其雙側(cè)置信區(qū)間：

其中nfm為第m次迭代中樣本應(yīng)變數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的平均壽命，即

s307.進(jìn)行下一給定循環(huán)周期的計(jì)算，繪制出裂紋萌生概率p與循環(huán)周期數(shù)n的關(guān)系曲線如圖5所示。

其中樣本容量是20000，置信度為95％。由圖可見(jiàn)，當(dāng)循環(huán)周期超過(guò)1900(約8年)時(shí)，裂紋萌生的概率大于0.5。實(shí)際上，該危險(xiǎn)點(diǎn)在6個(gè)月前的檢測(cè)中被發(fā)現(xiàn)有裂紋，當(dāng)時(shí)的服役時(shí)間為8.5年(約2040個(gè)循環(huán)周期)。由此可見(jiàn)，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際檢測(cè)的發(fā)現(xiàn)吻合相當(dāng)好。

實(shí)施例4

參見(jiàn)圖6及圖9，本實(shí)施例提供一種焦炭塔裂紋擴(kuò)展壽命的預(yù)測(cè)方法，包括如下步驟：

s401、建立焦炭塔壁應(yīng)力幅的概率分布模型。結(jié)合圖7，其具體的包括如下步驟：

s4011獲取焦炭塔壁危險(xiǎn)點(diǎn)的循環(huán)周期樣本容量的應(yīng)力數(shù)據(jù)。

本步驟中，獲取焦炭塔外壁應(yīng)變數(shù)據(jù)采用耐高溫應(yīng)變片和動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀，每個(gè)測(cè)點(diǎn)在軸向和環(huán)向各安裝一片耐高溫應(yīng)變片，每一應(yīng)變片與所述動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀的一個(gè)測(cè)量通道連接。根據(jù)應(yīng)變數(shù)據(jù)利用公式計(jì)算應(yīng)力數(shù)據(jù)σz，其中，εz為軸向應(yīng)變數(shù)據(jù)，εθ為環(huán)向應(yīng)變數(shù)據(jù)，e為材料的彈性模量，μ為泊松比。

s4012根據(jù)所述應(yīng)力數(shù)據(jù)，計(jì)算每個(gè)所述循環(huán)樣本的應(yīng)力幅；所述應(yīng)力幅通δσi過(guò)公式(4-1)計(jì)算獲得，

δσi＝σzmax-σzmin(4-1)

其中，σzmax，σzmin分別為每個(gè)循環(huán)的軸向應(yīng)力最大、最小值的所述應(yīng)力數(shù)據(jù)，i代表本當(dāng)前循環(huán)周期下樣本中應(yīng)力幅數(shù)據(jù)的編號(hào)。

s4013對(duì)所述應(yīng)力幅取對(duì)數(shù)，獲得應(yīng)力幅服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布的所述概率分布模型，其中，其中為分布的期望，為分布的方差，和s²的計(jì)算方法如下：

其中，xi為第i次循環(huán)的應(yīng)力幅，n為采集的循環(huán)次數(shù)，s*為標(biāo)準(zhǔn)差。

s402、對(duì)給定循環(huán)周期n下，根據(jù)所述應(yīng)力幅的概率分布模型，對(duì)應(yīng)力幅進(jìn)行蒙特卡羅隨機(jī)方法抽樣，產(chǎn)生應(yīng)力幅數(shù)據(jù)樣本，并計(jì)算每個(gè)應(yīng)力幅相應(yīng)的裂紋沿深度/長(zhǎng)度方向的應(yīng)力強(qiáng)度因子。

本步驟中，計(jì)算裂紋沿深度/長(zhǎng)度方向應(yīng)力強(qiáng)度因子：式中

式中分別為內(nèi)、外壁的軸向應(yīng)力幅，

s403、利用母材的所述應(yīng)力強(qiáng)度因子閾值kth判斷對(duì)給定循環(huán)周期n下每個(gè)應(yīng)力幅是否裂紋擴(kuò)展失穩(wěn)，對(duì)給定迭代次數(shù)下的所述裂紋擴(kuò)展失穩(wěn)進(jìn)行累積。

所述判斷當(dāng)前循環(huán)周期樣本的當(dāng)前應(yīng)力幅下是否裂紋擴(kuò)展失穩(wěn)，具體地包含步驟為：

給定裂紋初始尺寸，給定裂紋擴(kuò)展臨界尺寸。

給定迭代變量初始值m＝0；m表示當(dāng)前迭代完成的次數(shù)，表示當(dāng)前迭代中裂紋擴(kuò)展失穩(wěn)的次數(shù)。

計(jì)算應(yīng)力幅δσi對(duì)應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子δki，

計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子閾值

其中，rσ為應(yīng)力比，

裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展判斷：

①若kth＜δki＜0.6kic，裂紋擴(kuò)展穩(wěn)定，則當(dāng)前裂紋擴(kuò)展量δa＝a(δk)^m；

②若δki＜kth，認(rèn)為裂紋不擴(kuò)展，當(dāng)前循環(huán)的裂紋擴(kuò)展量為0；

③若δki＞0.6kic，裂紋擴(kuò)展已經(jīng)不穩(wěn)定。

1)如果當(dāng)前裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展下，即應(yīng)力強(qiáng)度因子δki在①③條件下時(shí)，根據(jù)paris定律計(jì)算當(dāng)前裂紋尺寸，paris定律如下：

其中，da表示裂紋尺寸的增量，dn表示循環(huán)周期的增量，δk為應(yīng)力強(qiáng)度因子幅，a和m為材料參數(shù)。

若當(dāng)前應(yīng)力幅下的裂紋尺寸小于裂紋擴(kuò)展臨界尺寸，則認(rèn)為當(dāng)前應(yīng)力幅的裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展，繼續(xù)對(duì)樣本中下一個(gè)應(yīng)力幅進(jìn)行計(jì)算。

若當(dāng)前應(yīng)力幅下的裂紋尺寸大于裂紋擴(kuò)展臨界尺寸，則認(rèn)為裂紋擴(kuò)展達(dá)到失穩(wěn)臨界狀態(tài)，即裂紋擴(kuò)展失穩(wěn)，認(rèn)為裂紋擴(kuò)展完成。

2)應(yīng)力強(qiáng)度因子δki在②條件下時(shí)，裂紋擴(kuò)展失穩(wěn)，則認(rèn)為裂紋擴(kuò)展完成。

在上述裂紋失穩(wěn)的情況下，裂紋擴(kuò)展失穩(wěn)累計(jì)次數(shù)，若當(dāng)前迭代次數(shù)m小于給定的迭代次數(shù)閾值20000，進(jìn)行本循環(huán)周期的下一樣本迭代，否則跳轉(zhuǎn)步驟s404。其中，迭代次數(shù)閾值大于等于20000次，本實(shí)施例中采用迭代次數(shù)閾值20000次。

s404、裂紋擴(kuò)展失穩(wěn)累計(jì)次數(shù)與所述給定迭代次數(shù)的比值獲得給定循環(huán)周期n下裂紋擴(kuò)展失穩(wěn)概率，其中，所述給定的迭代次數(shù)足夠大。

s405、根據(jù)所述給定循環(huán)周期n，所述裂紋擴(kuò)展失穩(wěn)概率和給定置信度1-α，計(jì)算預(yù)測(cè)焦炭塔壁裂紋擴(kuò)展失穩(wěn)概率p與剩余壽命之間的關(guān)系。

本步驟中，應(yīng)力幅經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析后滿足對(duì)數(shù)正態(tài)分布，則焦炭塔壁壽命也服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。

對(duì)應(yīng)定置信度1-α的置信區(qū)間為：

其中u1-α/2為正太分布的1-α/2分位數(shù)，為所述給定循環(huán)周期n的蒙特卡洛隨機(jī)數(shù)據(jù)的樣本標(biāo)準(zhǔn)差，nfm為第m次迭代中樣本應(yīng)力數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的平均壽命，即

其中，為正太分布的分位數(shù)，為循環(huán)周期n的蒙特卡洛隨機(jī)數(shù)據(jù)的樣本標(biāo)準(zhǔn)差。

在步驟s405之后，進(jìn)行下一給定循環(huán)周期n的計(jì)算，并跳轉(zhuǎn)到步驟s402。

實(shí)施例5

本實(shí)施例通過(guò)一個(gè)具體的實(shí)施例5詳細(xì)描述焦炭塔裂紋擴(kuò)展壽命的預(yù)測(cè)方法，該方法包括如下步驟：

s501、對(duì)焦炭塔材料15crmor進(jìn)行低周疲勞實(shí)驗(yàn)，得到如表3所示數(shù)據(jù)：

表3

s502、監(jiān)測(cè)得到焦炭外壁測(cè)點(diǎn)的108個(gè)循環(huán)軸向應(yīng)力幅數(shù)據(jù)如表4所示。

表4

s503、對(duì)表3數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到外壁軸向應(yīng)力幅的對(duì)數(shù)

根據(jù)分布參數(shù)，對(duì)給定的循環(huán)周期數(shù)(即裂紋剩余壽命)n，運(yùn)用蒙特卡洛隨機(jī)方法產(chǎn)生n個(gè)外壁軸向應(yīng)力幅樣本數(shù)據(jù)，并進(jìn)而推算出內(nèi)壁軸向應(yīng)力幅數(shù)據(jù)。

s504、對(duì)隨機(jī)產(chǎn)生的n個(gè)應(yīng)力幅樣本數(shù)據(jù)中的每個(gè)應(yīng)力幅都按以下方法判斷裂紋是否穩(wěn)定擴(kuò)展和計(jì)算裂紋擴(kuò)展量。

①計(jì)算沿厚度方向應(yīng)力強(qiáng)度因子：

式中

式中分別為內(nèi)、外壁的軸向應(yīng)力幅，

②計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子閾值

其中，rσ為應(yīng)力比，

判斷：若kth＜δk＜0-6kic，裂紋擴(kuò)展穩(wěn)定，則當(dāng)前裂紋擴(kuò)展量δa＝a(δk)^m；

若δk＜kth，認(rèn)為裂紋不擴(kuò)展，當(dāng)前循環(huán)的裂紋擴(kuò)展量為0；

若δk＞0.6kic，裂紋擴(kuò)展已經(jīng)不穩(wěn)定。

s505、對(duì)每個(gè)循環(huán)周期(即裂紋剩余壽命)n，都按附圖7的方法迭代計(jì)算20000次，以保證統(tǒng)計(jì)樣本的充分大。

s506、對(duì)于給定的循環(huán)周期(即裂紋剩余壽命)n，計(jì)算出其裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展p后，給定置信度1-a＝95％，計(jì)算出其雙側(cè)置信區(qū)間：

其中nfm為第m次迭代的樣本應(yīng)力數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的平均剩余壽命，即

s507、進(jìn)行下一給定循環(huán)周期的計(jì)算，繪制出裂紋擴(kuò)展失穩(wěn)概率p與剩余壽命n的關(guān)系曲線如圖8所示。

以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。