摘 要 對鍋筒等受壓部件的剩余壽命預(yù)測的問題在電力等行業(yè)已經(jīng)引起相當(dāng)大的關(guān)注。本文使用EN12952-3/4 標(biāo)準(zhǔn)中的疲勞、蠕變壽命計(jì)算方法，借助ANSYS有限元分析軟件，對余熱鍋爐鍋筒進(jìn)行疲勞-蠕變損傷分析，預(yù)測鍋爐的運(yùn)行壽命。

關(guān)鍵詞 余熱鍋爐; EN12952;疲勞-蠕變

引言

在設(shè)計(jì)時(shí)，鍋筒的壽命估計(jì)是基于假設(shè)的運(yùn)行工況。許多余熱鍋爐的變工況運(yùn)行與設(shè)計(jì)時(shí)假定的工況是非常不同的，由于保守的設(shè)計(jì)，這些鍋筒的實(shí)際壽命要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)值。對鍋筒剩余壽命預(yù)測能夠避免昂貴的停機(jī)，保證鍋爐運(yùn)行安全，延長鍋筒的運(yùn)行壽命超出原設(shè)計(jì)壽命，能使鍋爐發(fā)揮最大的經(jīng)濟(jì)和社會效益[1]。

鍋筒疲勞壽命設(shè)計(jì)及校核計(jì)算通常都采用基于疲勞損傷線性累積Miner法則的有限壽命設(shè)計(jì)方法。西方發(fā)達(dá)國家如美國、英國、德國、日本和蘇聯(lián)都有包含鍋爐承壓設(shè)備在內(nèi)的鋼制壓力容器疲勞設(shè)計(jì)、校核計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)[2]。各國標(biāo)準(zhǔn)的基本思想大體相同，主要差別在于強(qiáng)度校核時(shí)采用的強(qiáng)度理論和設(shè)計(jì)疲勞曲線不同。

目前國內(nèi)行業(yè)普遍接受的鍋爐疲勞壽命計(jì)算方法主要有[2]：

（1）GB/T16507.4-2013《水管鍋爐》附錄A《鍋筒低周疲勞壽命計(jì)算》;

（2）ASME第一卷和ASME第八卷第2冊;

（3）EN 12592-2011《水管鍋爐及其輔機(jī)安裝》其中的EN12952-3（壓力部件的設(shè)計(jì)和計(jì)算）和EN12952-4（鍋爐運(yùn)行壽命預(yù)測計(jì)算）。

以上計(jì)算方法都是簡化的計(jì)算方法，即通過使用應(yīng)力集中來計(jì)算應(yīng)力，計(jì)算過程比較簡單。如果需要使計(jì)算結(jié)果更加精確，可以首先用專業(yè)的有限元分析軟件的計(jì)算鍋筒考核點(diǎn)附近區(qū)域的溫度差和應(yīng)力，然后利用上述方法來計(jì)算余熱鍋爐鍋筒的疲勞壽命。

本文使用EN12952-3/4 標(biāo)準(zhǔn)中的疲勞、蠕變壽命計(jì)算方法，借助ANSYS有限元分析軟件，對余熱鍋爐鍋筒進(jìn)行疲勞-蠕變損傷分析，預(yù)測鍋爐的運(yùn)行壽命。

1EN12952 疲勞、蠕變計(jì)算方法

1.1 疲勞損傷

EN12952-3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對疲勞計(jì)算過程及材料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)行評估[3]：

其中：為實(shí)際循環(huán)次數(shù);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附錄A對蠕變破壞的計(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)溫度/壓力增量下的蠕變由該增量下的運(yùn)行時(shí)間與相同增量下的理論壽命比值而得到：

其中：為實(shí)際運(yùn)行的時(shí)間;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由Robinson法則確定：

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：

其中為常數(shù)，一般為1.0或者由用戶規(guī)定若滿足上式的條件，則判定該部件在服役期間內(nèi)按設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行，具有足夠的壽命且能夠安全運(yùn)行。

2鍋筒疲勞-蠕變壽命分析

2.1 疲勞、蠕變分析流程

表1為燃機(jī)-余熱鍋爐機(jī)組服役期間的啟停次數(shù)，對鍋筒的疲勞-蠕變壽命計(jì)算，可按以下步驟實(shí)施：

（1）確定鍋筒的啟、停曲線。

（2）用ANSYS軟件計(jì)算鍋筒瞬態(tài)溫度場，確定啟、停過程中最大溫差。

（3）計(jì)算考核點(diǎn)機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力和總應(yīng)力。

（4）對考核點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力評定。

（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，對部件進(jìn)行蠕變分析。

（8）對疲勞和蠕變所造成的損傷進(jìn)行綜合評定。

2.2 計(jì)算依據(jù)

根據(jù)同類型機(jī)組典型的啟動曲線，按EN12952-3第13章進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算，疲勞利用系數(shù)C取0.75。壽命系數(shù)計(jì)算公式為：

（5）

2.3 計(jì)算結(jié)果

（1）冷態(tài)啟動：許用周期數(shù)=3704，實(shí)際周期數(shù)=90，利用系數(shù)=0.00027，=0.024

（2）溫態(tài)啟動：許用周期數(shù)=35714，實(shí)際周期數(shù)=360，利用系數(shù)=0.000028，=0.001

（3）熱態(tài)啟動：許用周期數(shù)=129619，實(shí)際周期數(shù)=0，利用系數(shù)=0.0000077，=0

（4）極熱態(tài)啟動：許用周期數(shù)=78611548，實(shí)際周期數(shù)=120，利用系數(shù)=0，=0

鍋筒在該啟停曲線下運(yùn)行，工作溫度沒有超過材料的蠕變溫度，不產(chǎn)生蠕變損耗，疲勞壽命有比較大的安全余量，能保證機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

3結(jié)束語

本文通過總結(jié)，形成了一套完整的、適合余熱鍋爐鍋筒疲勞壽命分析的計(jì)算方法：根據(jù)鍋筒升溫升壓曲線為邊界條件，用ANSYS有限元分析軟件計(jì)算出鍋筒的應(yīng)力場，再結(jié)合使用 EN12952-3/4 標(biāo)準(zhǔn)的疲勞、蠕變壽命計(jì)算方法，使余熱鍋爐鍋筒的疲勞、蠕變壽命分析更為精確。該方法不僅可用于鍋筒壽命設(shè)計(jì)，也可作為對過熱器集箱、再熱器集箱等高溫受壓部件的高溫蠕變-疲勞壽命評估的借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1] 王坤峰.小型增壓鍋爐鍋筒熱應(yīng)力計(jì)算分析.哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2013.

[2] 鄭心偉.增壓鍋爐汽包低周疲勞壽命計(jì)算方法研究[J].熱能與動力工程，2010，25（2）：184-189.

[3] EN12952—2011.水管鍋爐及其輔機(jī)安裝[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.