李 俊，高芳清，袁繼禹

(1.西南交通大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，成都 610031;2.東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，成都 611731)

?

基于歐標(biāo)EN12952的受壓部件疲勞-蠕變壽命分析

李 俊1,2，高芳清1，袁繼禹1,2

(1.西南交通大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，成都 610031;2.東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，成都 611731)

余熱鍋爐(HRSG)服役期間經(jīng)歷著頻繁的啟動(dòng)、停止和載荷波動(dòng)，且部分部件的溫度超過(guò)了材料的蠕變溫度，必須對(duì)其進(jìn)行疲勞、蠕變壽命分析。以實(shí)際工程為例，就如何采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN12952進(jìn)行鍋爐承壓部件疲勞-蠕變壽命分析進(jìn)行研究，并以VB工具將分析過(guò)程編譯成簡(jiǎn)便實(shí)用的專用程序。

余熱鍋爐；EN12952；疲勞-蠕變壽命分析

燃?xì)廨啓C(jī)余熱鍋爐(heat recovery steam generator)在服役期間會(huì)經(jīng)歷頻繁的啟動(dòng)和停爐操作，鍋爐中過(guò)熱器等高溫受壓部件在壓力載荷和溫度梯度的作用下會(huì)產(chǎn)生峰值應(yīng)力。在峰值應(yīng)力的循環(huán)作用下，這些部件極易發(fā)生疲勞失效。此外，部分高溫部件的操作溫度遠(yuǎn)超其本身材料的蠕變溫度，蠕變失效也將是影響余熱鍋爐高溫受壓部件運(yùn)行壽命的關(guān)鍵因素之一。

本文根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN12952—3對(duì)疲勞分析的規(guī)定、EN12952—4蠕變計(jì)算方法以及疲勞蠕變交互作用的評(píng)定方法，對(duì)余熱鍋爐高溫受壓部件進(jìn)行疲勞蠕變損傷分析，預(yù)測(cè)鍋爐的運(yùn)行壽命，并將計(jì)算過(guò)程編制成簡(jiǎn)便實(shí)用的VB程序。

1 EN12952疲勞、蠕變計(jì)算方法

1.1 疲勞損傷

EN12952—3:2001《壓力部件的設(shè)計(jì)和計(jì)算》第13章給出了疲勞分析的應(yīng)力、溫度、溫度變化速率的計(jì)算及其限制規(guī)定，附錄B對(duì)疲勞計(jì)算過(guò)程及材料S-N曲線進(jìn)行了闡述，附錄C以實(shí)例的形式對(duì)疲勞分析進(jìn)行了演示。

在EN12952中，疲勞損傷按照Minler線性累積損傷理論進(jìn)行評(píng)估：

(1)

其中:nk為實(shí)際循環(huán)次數(shù)；Nk為根據(jù)循環(huán)應(yīng)力幅及由S-N曲線得到的允許循環(huán)次數(shù)。

1.2 蠕變損傷

EN12952—4∶2001《鍋爐運(yùn)行壽命預(yù)測(cè)計(jì)算》中，附錄A對(duì)蠕變破壞的計(jì)算進(jìn)行了闡述。將壓力和溫度分成增量形式，通過(guò)計(jì)算應(yīng)力、查取相應(yīng)溫度下的蠕變斷裂強(qiáng)度的散射頻帶寬度下限曲線得到理論計(jì)算壽命。每個(gè)增量下的蠕變損傷為

(2)

其中：Top為實(shí)際運(yùn)行的時(shí)間；Tal為理論計(jì)算壽命。

所有壓力和溫度增量引起的總的蠕變損傷為

(3)

1.3 疲勞蠕變交互作用

當(dāng)該部件同時(shí)經(jīng)歷疲勞和蠕變作用時(shí)，疲勞蠕變累積損傷采用線性疊加，判據(jù)如下：

(4)

2 疲勞、蠕變壽命分析

根據(jù)余熱鍋爐的啟、停曲線，按照EN12952第13.3節(jié)的疲勞分析免除準(zhǔn)則進(jìn)行疲勞篩分，選出需要進(jìn)行疲勞分析的部件。

本文以某工程余熱鍋爐過(guò)熱器集箱為例，在冷啟動(dòng)工況下，對(duì)該部件進(jìn)行疲勞、蠕變分析。過(guò)熱器集箱規(guī)格為φ273.1×42 mm，接管為φ219×35 mm，材料均為SA-335P91，抗拉強(qiáng)度為586 MPa，屈服強(qiáng)度為356.4 MPa，彈性模量為1.86×105MPa，熱擴(kuò)散率為5.85 mm2/s，線膨脹系數(shù)為13.3×10-6mm/mm ℃；過(guò)熱器集箱最高溫度為532 ℃，最低溫度為20 ℃，t*溫度[1]為404 ℃，設(shè)計(jì)啟停次數(shù)為125次。

采用MSC.Patran作為前后處理軟件，MSC.Nastran作為求解軟件，通過(guò)瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析計(jì)算啟動(dòng)和停爐過(guò)程中的溫差，應(yīng)用靜力分析計(jì)算熱應(yīng)力集中系數(shù)和機(jī)械應(yīng)力集中系數(shù)。過(guò)熱器集箱有限元模型如圖1所示。

圖1 過(guò)熱器集箱有限元模型

采用有限元軟件計(jì)算集箱瞬態(tài)溫度場(chǎng)，確定啟、停過(guò)程中最大溫差。溫差的計(jì)算公式見(jiàn)EN12952—3第13.4節(jié)中式(13.4-10)。集箱的溫度分布如圖2所示。

圖2 集箱的溫度分布

根據(jù)啟動(dòng)過(guò)程中內(nèi)壁、外壁、平均溫度可得最大溫差為10 ℃，發(fā)生在啟動(dòng)初期。

停爐過(guò)程中內(nèi)壁、外壁、平均溫度的最大溫差為8.89 ℃，發(fā)生在停爐開(kāi)始后15 min時(shí)。

壓力作用下的應(yīng)力分布如圖3所示。計(jì)算得到機(jī)械應(yīng)力集中系數(shù)為3.4，熱應(yīng)力集中系數(shù)為1.05。

圖3 壓力作用下的應(yīng)力分布

通過(guò)分析可以計(jì)算出集箱溫差Δt。啟動(dòng)工況選取溫差最大的時(shí)間點(diǎn)，通過(guò)啟動(dòng)曲線，查出該時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓力，將該時(shí)間點(diǎn)的溫差和壓力共同作用計(jì)算的應(yīng)力作為應(yīng)力谷值。停爐工況選取溫差最大的時(shí)間點(diǎn)，通過(guò)停爐曲線得到對(duì)應(yīng)的壓力，將該時(shí)間點(diǎn)溫差和壓力共同作用得到的應(yīng)力作為應(yīng)力峰值，得出合適的循環(huán)應(yīng)力幅值。經(jīng)分析，過(guò)熱器集箱的用度系數(shù)為0.000 1。

由于運(yùn)行溫度已經(jīng)進(jìn)入集箱材料蠕變溫度，需要進(jìn)行蠕變損傷分析。根據(jù)EN12952—4中的蠕變損傷分析方法進(jìn)行蠕變分析，其中材料持久強(qiáng)度根據(jù)EN10216標(biāo)準(zhǔn)查取。SA-355P91對(duì)應(yīng)的EN材料牌號(hào)為X10CrMoVNb9-1，根據(jù)EN10216—2 Table A-1的蠕變斷裂強(qiáng)度值進(jìn)行插值計(jì)算，得到過(guò)熱器集箱在64.06 MPa下的蠕變斷裂強(qiáng)度為3.15×109h。該鍋爐設(shè)計(jì)壽命為25 a，不計(jì)啟停和檢修時(shí)間，運(yùn)行時(shí)間為2.19×105h，蠕變損耗約為0.7×10-4。

3 疲勞蠕變程序設(shè)計(jì)

3.1 程序設(shè)計(jì)

基于EN12952標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行疲勞、蠕變分析，流程如圖4所示。

圖4 疲勞、蠕變分析流程

具體實(shí)施步驟：

1) 確定計(jì)算部件和啟、停曲線，按照疲勞分析免除準(zhǔn)則進(jìn)行篩分，確定疲勞分析的部件。

2) 運(yùn)用有限元軟件計(jì)算部件瞬態(tài)溫度場(chǎng)，確定啟、停過(guò)程中最大溫差。

4) 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的計(jì)算方法進(jìn)行疲勞評(píng)定。

5) 計(jì)算允許溫差和速率。

6) 判斷部件溫度是否進(jìn)入材料蠕變溫度。

7) 查取材料持久強(qiáng)度，對(duì)部件進(jìn)行蠕變分析。

8) 對(duì)疲勞和蠕變所造成的損傷進(jìn)行綜合評(píng)定。

①?gòu)牟∈飞现v,本人對(duì)頸源性頭痛患者的診斷更注重是否是伏案工作者,是否慢性積累性損傷者,這一點(diǎn)與目前國(guó)內(nèi)外多數(shù)學(xué)者觀點(diǎn)不同。目前國(guó)內(nèi)外多數(shù)學(xué)者認(rèn)為該病大部分患者應(yīng)有頭頸部外傷史,尤其是有車禍等外傷史的患者應(yīng)高度懷疑。

3.2 疲勞計(jì)算程序

采用VB語(yǔ)言將EN12952中第13章、附錄B的計(jì)算過(guò)程及S-N曲線編制成計(jì)算機(jī)程序，參照TRD301對(duì)該計(jì)算過(guò)程進(jìn)行了改進(jìn)。程序中輸入的材料特性由EN10216得到。熱應(yīng)力集中系數(shù)和機(jī)械應(yīng)力集中系數(shù)可由EN12952中圖13.4-5和圖13.4-8查取。在輸入溫差時(shí)，啟動(dòng)過(guò)程最大溫差需輸入負(fù)值(溫差由平均溫度減去內(nèi)壁溫度算得)，停爐過(guò)程中最大溫差輸入正值。疲勞計(jì)算程序界面如圖5所示。

圖5 疲勞計(jì)算程序界面

將過(guò)熱器集箱材料屬性、幾何尺寸、載荷工況等參數(shù)輸入疲勞計(jì)算程序，程序輸出結(jié)果為：

計(jì)算工況 :冷啟動(dòng)設(shè)計(jì)疲勞循環(huán)次數(shù) :125次允許疲勞循環(huán)次數(shù) :1000000次用度系數(shù) :0.0001開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)允許溫差:-126.28℃啟動(dòng)結(jié)束時(shí)允許溫差:-161.69℃開(kāi)始停爐時(shí)允許溫差:53.9℃停爐啟動(dòng)時(shí)允許溫差:89.32℃

3.3 蠕變計(jì)算程序

蠕變分析的關(guān)鍵在于確定蠕變應(yīng)力，為簡(jiǎn)化計(jì)算，保守地采用結(jié)構(gòu)的一次局部薄膜應(yīng)力作為計(jì)算應(yīng)力。程序主要是采用雙對(duì)數(shù)插值方式，得到計(jì)算應(yīng)力下的蠕變斷裂時(shí)間，進(jìn)而求得蠕變壽命損耗。蠕變計(jì)算程序界面如圖6所示。

圖6 蠕變計(jì)算程序界面

3.4 疲勞-蠕變損傷

綜合上述，余熱鍋爐的一次冷啟、停操作工況，其過(guò)熱器集箱部件的疲勞-蠕變損傷為：0.000 1+0.000 7=0.000 8。結(jié)合鍋爐啟停曲線和實(shí)際運(yùn)行工況，可以對(duì)熱器集箱疲勞-蠕變壽命進(jìn)行評(píng)估。

4 結(jié)束語(yǔ)

使用EN12952—3/—4標(biāo)準(zhǔn)的疲勞、蠕變壽命計(jì)算方法， 結(jié)合MSC.Nastran專業(yè)有限元分析軟件，使HRSG高溫受壓部件的疲勞、蠕變壽命分析更為精確。通過(guò)總結(jié)，形成了一套完整的、適合產(chǎn)品疲勞壽命分析的計(jì)算方法和程序。該方法和程序可以用于水管鍋爐高溫受壓部件的壽命設(shè)計(jì)，也可作為對(duì)在役部件的高溫蠕變-疲勞壽命評(píng)估的借鑒。

[1] EN12952—2011，水管鍋爐及其輔機(jī)安裝 [S].

[2] ASME Section Ⅰ，ASME Section Ⅷ,Division [S].

[3] GB/T 16507.4—2013，水管鍋爐標(biāo)準(zhǔn)附錄A：鍋筒低周疲勞壽命計(jì)算[S].

[4] 王新華,陳偉.基于歐洲EN12952—3/—4標(biāo)準(zhǔn)HRSG疲勞壽命分析計(jì)算[J].余熱鍋爐，2006(4):1-6.

[5] 魏鐵錚,謝英柏.鍋爐高溫受熱部件壽命的計(jì)算方法[J].動(dòng)力工程，2000(1):528-530.

[6] 史平洋,李立人,盛建國(guó)，等.電站鍋爐高溫受壓元件蠕變和低周疲勞壽命損傷計(jì)算及在線監(jiān)測(cè)[J].動(dòng)力工程,2007,27(3):463-468,472.

[6] 李立人,陳瑋,盛建國(guó),等.鍋爐受壓元件的高溫蠕變-疲勞壽命設(shè)計(jì)計(jì)算方法[J].動(dòng)力工程,2009,29(5):409-416.

[7] EN10216—2:2002，承壓用無(wú)縫鋼管—交貨技術(shù)條件[S].

[8] 李淑華.VB程序設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].北京:高等教育出版社，2009.

(責(zé)任編輯 楊文青)

Creep-Fatigue Longevity Analysis of Pressure Component Based on the European EN12952 Standard

LI Jun1,2，GAO Fang-qing1， YUAN Ji-yu1,2

(1.School of Mechanics and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031，China;2.Dongfang Boiler Group Co., Ltd., Chengdu 611731, China)

The waste heat boiler (HRSG) experienced frequent starts, stops and load fluctuations, and the temperature of the partial pressure components exceeded the creep temperature of the material, it is necessary to be carred out fatigue-creep longevity analysis. Taking the practical engineering as an example, this paper studies how to use the European standard EN12952 to analyze and study the fatigue creep longevity of the pressure components of the boiler, and to compile the analysis process into a simple and practical program by VB tools.

waste heat boiler; EN12952; fatigue-creep longevity analysis

2016-07-05 基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011BAC05B01)

李俊(1979—)，男，碩士研究生，主要從事鍋爐、壓力容器力學(xué)分析方面的研究，E-mail:lijun04495@sina.com。

李俊,高芳清,袁繼禹.基于歐標(biāo)EN12952的受壓部件疲勞-蠕變壽命分析[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2016(11):56-59.

format：LI Jun，GAO Fang-qing， YUAN Ji-yu.Creep-Fatigue Longevity Analysis of Pressure Component Based on the European EN12952 Standard [J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(11):56-59.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.11.010

TK223

A

1674-8425(2016)11-0056-04