基于EN12952的余熱鍋爐鍋筒疲勞-蠕變壽命分析

摘 要 對鍋筒等受壓部件的剩余壽命預測的問題在電力等行業(yè)已經引起相當大的關注。本文使用EN12952-3/4 標準中的疲勞、蠕變壽命計算方法，借助ANSYS有限元分析軟件，對余熱鍋爐鍋筒進行疲勞-蠕變損傷分析，預測鍋爐的運行壽命。

關鍵詞 余熱鍋爐; EN12952;疲勞-蠕變

引言

在設計時，鍋筒的壽命估計是基于假設的運行工況。許多余熱鍋爐的變工況運行與設計時假定的工況是非常不同的，由于保守的設計，這些鍋筒的實際壽命要遠遠超過設計值。對鍋筒剩余壽命預測能夠避免昂貴的停機，保證鍋爐運行安全，延長鍋筒的運行壽命超出原設計壽命，能使鍋爐發(fā)揮最大的經濟和社會效益[1]。

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

目前國內行業(yè)普遍接受的鍋爐疲勞壽命計算方法主要有[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《水管鍋爐及其輔機安裝》其中的EN12952-3（壓力部件的設計和計算）和EN12952-4（鍋爐運行壽命預測計算）。

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

本文使用EN12952-3/4 標準中的疲勞、蠕變壽命計算方法，借助ANSYS有限元分析軟件，對余熱鍋爐鍋筒進行疲勞-蠕變損傷分析，預測鍋爐的運行壽命。

1EN12952 疲勞、蠕變計算方法

1.1 疲勞損傷

EN12952-3第13章給出了疲勞分析的應力、溫度、溫度變化速率的計算及其限制規(guī)定，附錄B對疲勞計算過程及材料S-N曲線進行了闡述，附錄C以實例的形式對疲勞分析進行了演示。在EN12952中，疲勞損傷按照Minler線性累積損傷理論進行評估[3]：

其中：為實際循環(huán)次數;為根據循環(huán)應力幅及由S-N曲線得到的允許循環(huán)次數。

1.2 蠕變損傷

EN12952-4附錄A對蠕變破壞的計算進行了闡述。將壓力和溫度分成增量形式，通過計算應力、查取相應溫度下的蠕變斷裂強度的散射頻帶寬度下限曲線得到理論計算壽命。每個溫度/壓力增量下的蠕變由該增量下的運行時間與相同增量下的理論壽命比值而得到：

其中：為實際運行的時間;為理論計算壽命。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

當該部件同時經歷疲勞和蠕變作用時，疲勞蠕變累積損傷采用線性疊加，判據如下：

其中為常數，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按設計工況下運行，具有足夠的壽命且能夠安全運行。

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-余熱鍋爐機組服役期間的啟停次數，對鍋筒的疲勞-蠕變壽命計算，可按以下步驟實施：

（1）確定鍋筒的啟、停曲線。

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

（3）計算考核點機械應力、熱應力和總應力。

（4）對考核點進行應力評定。

（5）計算允許溫差和速率。

（6）判斷部件溫度是否進入材料蠕變溫度。

（7）查取材料持久強度，對部件進行蠕變分析。

（8）對疲勞和蠕變所造成的損傷進行綜合評定。

2.2 計算依據

根據同類型機組典型的啟動曲線，按EN12952-3第13章進行疲勞壽命計算，疲勞利用系數C取0.75。壽命系數計算公式為：

（5）

2.3 計算結果

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

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

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

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

鍋筒在該啟停曲線下運行，工作溫度沒有超過材料的蠕變溫度，不產生蠕變損耗，疲勞壽命有比較大的安全余量，能保證機組的安全經濟運行。

3結束語

本文通過總結，形成了一套完整的、適合余熱鍋爐鍋筒疲勞壽命分析的計算方法：根據鍋筒升溫升壓曲線為邊界條件，用ANSYS有限元分析軟件計算出鍋筒的應力場，再結合使用 EN12952-3/4 標準的疲勞、蠕變壽命計算方法，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計，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

[1] 王坤峰.小型增壓鍋爐鍋筒熱應力計算分析.哈爾濱工程大學碩士學位論文[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2013.

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

[3] EN12952—2011.水管鍋爐及其輔機安裝[S].北京：中國標準出版社，2011.