光熱裝置熔鹽罐接管焊縫結構疲勞壽命預測

摘 "要""基于ASME BPVC.Ⅷ.2-2019標準的等效結構應力方法，采用ABAQUS軟件預測某槽式光熱裝置低溫熔鹽罐加熱器套管的接管焊縫疲勞壽命。根據低溫熔鹽罐液位晝夜變化，采用雨流計數法確定6種典型疲勞工況和載荷，建立加熱器套管接管焊縫結構的數值分析模型，利用ABAQUS軟件模擬最大載荷下接管焊縫的應力分布，采用FE-safe模塊計算接管焊縫6種載荷的疲勞壽命，基于Miner線性損傷累積理論預測多工況耦合作用下的疲勞壽命。結果表明，焊趾處的應力可以通過應力評定，滿足標準要求；最苛刻工況（工況1）下焊趾疲勞壽命為10 964次，最先失效位置在焊趾右上（q≈40°）位置；各工況耦合作用下接管焊縫的疲勞壽命為64年。

關鍵詞""熔鹽罐 "接管焊縫 "等效結構應力 "疲勞壽命 "有限元

DOI：10.20031/j.cnki.0254-6094.202406012

中圖分類號""TQ053.2""""""""""""""""""文獻標志碼 "A""""""""""""""""""文章編號 nbsp;0254-6094（2024）06-0000-00

光熱發電技術是通過儲存、利用太陽熱能實現發電的一種技術，熔鹽罐是其核心的儲熱設備[1，2]。熔鹽罐在實際晝夜運行中，由于內部熔鹽液位會發生周期性變化[3]，因此容易在焊縫、缺陷等結構不連續處出現疲勞、開裂等現象，影響裝置的連續運行。

目前，國內外學者針對大型儲罐的疲勞問題開展了大量研究。YANG G H等基于Paris理論，針對鋼材建立了一種新的疲勞裂紋與疲勞剩余壽命的關系模型，并預測了大型儲罐的疲勞剩余壽命，為大型儲罐疲勞壽命預測提供了新方法[4]。梁建峰和保德順分析了制氧系統氧氣緩沖罐罐體疲勞開裂的原因，基于疲勞強度評定結果提出了管口增強的維修方案[5]。KIM T等通過疲勞實驗測試分析，研究了LNG燃料儲罐焊接頭的疲勞和斷裂性能，為LNG燃料儲罐結構安全設計提供了數據支撐[6]。LEE D等采用數值分析方法對高度為40英尺的LNG儲罐進行了疲勞分析，并預測了其疲勞壽命[7]。李巖應用有限元方法研究了污水處理廠反應罐的應力分布和危險點，基于第三強度理論評定了最危險點接管邊緣的疲勞強度[8]。姚澄曦采用第三強度理論評價了儲氫罐的疲勞強度，指出最危險點處于接管和罐壁的連接位置，并基于Miner線性損傷累積理論預測了儲氫罐的疲勞壽命[9]。劉慶江應用ANSYS軟件預測了某物料儲罐的峰值應力和疲勞強度，分析了罐體疲勞斷裂的敏感位置和原因，并給出了改善疲勞的方法[10]。劉旭應用ANSYS軟件模擬了往復壓縮機高壓緩沖罐的變形和殼體應力，同時預測了殼體最大應力位置的疲勞壽命[11]。韓紹欽研究了交變載荷下含缺陷壓力容器結構的疲勞壽命，利用ANSYS軟件獲得了不同裂紋參數下的動態應力強度因子，并基于這些因子預測了罐體的疲勞壽命，為壓力容器安全性準確評定提供了依據[12]。岳國暢和于雁云建立了船用LNG儲罐動載工況下的數值分析模型，并基于Miner線性損傷累積理論計算了罐體的疲勞壽命和累計損傷值[13]。邊鑫等應用ABAQUS FE-safe軟件模塊，基于等效結構應力，對超大型LNG儲罐的角焊縫進行了低溫（-196 ℃）工況下的應力評定和疲勞壽命預測，為LNG儲罐的工程設計提供了依據[14]。

然而現有研究主要集中在低溫（-196 ℃）和常溫下的儲罐疲勞問題，對于光熱裝置熔鹽罐在高溫下的服役及其疲勞問題的研究卻不充分。基于名義應力、熱點應力法和基于等效結構應力法是兩種常用的焊接結構疲勞評估方法。英國的BS7608 2015鋼結構疲勞設計與評估標準采用的是前者，標準規定碳鋼最高適用溫度不超過150 ℃；美國的ASME BPVC.Ⅷ.2-2019標準[15]采用的是后者，標準規定碳鋼最高適用溫度不超過371 ℃。光熱裝置低溫熔鹽罐的材料一般為碳鋼（如Q345、SA516Gr.70N），服役溫度在220～290 ℃之間，因此可以采用基于等效結構應力法來開展低溫熔鹽罐的疲勞分析。熔鹽罐加熱器套管與罐體連接的接管連接角焊縫是高應力集中區域之一[16]，開裂敏感性相對較高。為此，筆者基于ASME BPVC.Ⅷ.2-2019標準，采用等效結構應力方法對某低溫熔鹽罐加熱器套管的接管焊縫進行疲勞評定和壽命預測，研究結果可為光熱裝置熔鹽罐智能運維和長期不停機運行提供技術支持。

1 "基于等效結構應力法的焊接結構疲勞壽命預測方法

熔鹽罐的接管焊縫是典型的角焊縫結構。焊縫處的應力具有高度的非線性，難以求出理論數值解，但可以將其分解（圖1）[17]：設y方向上的結構應力為；z方向上的切應力為；焊根處局部塑性變形引起的y方向上的集中應力，該集中應力處于自平衡的狀態，也稱為缺口應力。其中，只有結構應力需要與外力相平衡[18]。

結構應力是彎曲應力與膜應力之和[15]：

其中，t為焊接結構的平板板厚，fy為y方向上的力矩，mx為x方向上的彎矩。

在應力循環中，若彎曲應力和膜應力的變化幅值為和，則結構應力的變化幅值為，考慮缺口應力非線性作用的等效結構應力變化幅值為[15]：

其中，是結構應力有效厚度，當，當=3.6；是平均應力修正系數，，是結構應力幅值的峰值和谷值；是形狀系數；。

當單軸加載導致焊縫出現多軸應力狀態時，剪切應力t不可忽略，考慮剪切應力的等效結構應力變化幅值計算式為[15]：

此時，系數=5.0；是考慮剪切應力的形狀系數；是考慮剪切應力的修正系數，Dtb是切向彎曲應力，Dtm是切向膜應力；Ds是法向結構應力幅值，Dt是切向結構應力幅值。

通過數值計算可以得到焊接結構循環壽命N：

若考慮現場環境和疲勞改善方法的影響，則焊接結構循環壽命修正為：

其中，是改善疲勞方法因子，其值與實際結構應力變化量和焊接結構形式有關；是環境修正因子；是材料和溫度修正因子；是轉換因子，當應力以ksi為單位時，，當應力以MPa為單位時，；是常溫下的彈性模量；是服役溫度下的彈性模量；C和h為焊接接頭疲勞曲線系數，代表不同存活率下的S-N曲線，取值見表1[15]。

疲勞壽命與應力循環水平相關，而在工程中，焊縫結構的載荷水平是波動的，根據Miner線性損傷累積理論，各應力水平下的疲勞損傷是獨立的，總疲勞損傷D是各水平下損傷Di的線性累積，即：

其中，k為總應力循環水平數；Ni為第i應力循環水平下的理論壽命，由式（7）決定；ni為第i應力循環水平下已經經歷的循環。

此時，疲勞壽命Nf為：

2 "熔鹽罐接管焊縫疲勞壽命預測

以某槽式光熱裝置低溫熔鹽罐加熱器套管的接管焊縫為研究對象，使用大型非線性有限元軟件ABAQUS建立接管焊縫的實體模型和網格模型，根據運行工況獲得典型載荷，基于ASME規范對接管焊縫進行應力評定，并使用疲勞壽命分析軟件FE-safe計算等效結構應力，預測焊接結構的破壞位置及多工況下的疲勞壽命。

2.1""熔鹽罐結構

某光熱裝置的低溫熔鹽罐是帶有圓頂的垂直圓柱形儲熱罐，主要由熔鹽罐罐頂、罐壁、底板及電加熱器套管等結構組成，如圖2所示。電加熱器插入套管中，套管與筒體的焊縫是接管焊縫。

熔鹽罐各結構尺寸及材料屬性如下：

筒體高度""14 m

筒體直徑""42 m

筒體壁厚""44 mm

服役溫度""290"℃

焊縫寬度 "15 mm

焊縫高度 "12 mm

加熱器接管直徑f""300 mm

加熱器接管厚度""12 mm

Q345彈性模量（290"℃） "194.2 GPa

Q345屈服強度/抗拉強度（290"℃） "262.0 MPa/414.0 MPa

該槽式光熱裝置采用雙罐熔鹽蓄熱系統，在運行過程中，冷鹽泵將低溫熔鹽罐內的熔鹽送至槽式吸熱器進行吸熱，吸熱后的高溫熔鹽流向高溫熔鹽罐中進行存儲，之后再由熱鹽泵將高溫熔鹽送至蒸汽發生系統進行做功，最后溫度降低的熔鹽流入低溫熔鹽罐。在晝夜運行中，低溫熔鹽罐的液位由于天氣條件和做功需求會發生波動，使得接管焊縫承受周期性的交變載荷而發生疲勞開裂。

2.2""熔鹽罐接管焊縫疲勞數值模擬

2.2.1""熔鹽罐接管焊縫結構

熔鹽罐筒體半徑遠大于筒體厚度和接管直徑，加熱器套管的接管焊縫近似于無限大平板上的接管焊縫。在使用ABAQUS軟件分析接管焊縫疲勞壽命時，可以先對接管焊縫結構進行簡化，以便提高計算效率。建立的接管焊縫幾何實體結構尺寸如圖3所示，焊縫高度d為12 mm，寬度為15 mm；為了使模型更符合實際情況，減小由大變形引起的誤差，平板寬度和接管長度均取接管直徑的兩倍，即600 mm，平板長度取1 500 mm。

對接管焊縫幾何結構進行網格劃分，并進行網格敏感性分析。分別選取2、3、4、5、6、8、10 mm的網格尺寸進行網格劃分，選取8節點線性六面體單元（C3D8R）為計算單元，并開展應力計算，比較不同網格尺寸某固定點的應力變化，結果如圖4所示。可以看出，選用6 mm網格尺寸進行網格剖分，可以在計算精度和效率上取得較好的平衡。接管焊縫模型整體和局部（焊縫）的網格劃分如圖5所示，共劃分了123 291個單元。

2.2.2""邊界條件

根據現場工況對接管焊縫設置環向和軸向的應力載荷。考慮熔鹽罐自身重力，接管焊縫結構需承受其上部的重力載荷。根據穹頂和筒體的自重估算得到重力載荷=0.7 MPa，并施加到軸向方向上（即平板寬度方向），環向應力則根據熔鹽液位進行計算，即，其中ρ為鹽溶液密度，取值1 930 kg/m3，h為鹽溶液中心距液面的高度，g為重力加速度，Dm為熔鹽罐直徑。在模型建立中，平板、接管和焊縫三者是合并的實體結構，三者無相對運動。

2.2.3""載荷工況

低溫熔鹽罐設計最高液位14 m，設計最低液位1 m。由于天氣條件和發電需求存在隨機性，低溫熔鹽罐的液位也會發生隨機性波動。接管焊縫在熔鹽罐最低液位下，其溫度接近罐內鹽溶液的溫度。低溫罐外敷設了良好的保溫結構，符合設計要求時，晝夜交替中鹽溶液溫度變化不超過1 ℃。因此，連續運行下接管焊縫的溫度可以認為是290 ℃恒溫，故接管焊縫承受恒定高溫下的疲勞載荷作用。

對低溫熔鹽罐液位進行分析，其中2023年3月份的液位變化如圖6所示。可以看出，鹽溶液液位波動存在一定的隨機性。根據雨流計數法并忽略液位變化幅值較小的工況，共獲得了6種典型疲勞載荷工況，統計各載荷水平下的分布頻率，列于表2。

計算與液位變化對應的等效結構應力幅值，作為后續疲勞分析和評價的依據。

2.2.4""應力分布及評定

對熔鹽罐設計最高液位（H=14 m）下接管焊縫的應力進行模擬分析，結果如圖7所示。可以看出，接管焊縫集中應力分布整體呈現“X形”分布[19]。最大Mises應力出現在焊趾上部以及與其對稱的位置，為264.5 MPa；最小Mises應力出現在接管焊縫水平方向位置。環向拉伸使得接管焊縫上下部分圓弧的拉應力受到集中效應的影響而顯著升高，這也是焊縫破壞的敏感區域。

焊趾位置是接管焊縫最危險的區域，SUSMEL L和TOVO R的研究結果表明，帶有角焊縫管的鋼板在拉伸載荷作用下，焊趾位置會產生多軸應力[20]。此時，需采用ASME標準中多軸應力評定方法評價接管焊縫焊趾位置的應力，即[15]：

其中，Sy為材料（Q345）在服役溫度下的許用應力，在290 ℃下Sy=136 MPa[21]；tm表示切向應力膜應力分量，tb表示切向應力彎曲應力分量，σm表示法向應力膜應力分量，σb表示法向應力彎曲應力分量。最高液位下接管焊縫焊趾處的法向和切向膜應力、彎曲應力見表3。可以看出，焊趾應力滿足強度要求，說明在最大靜載荷工況下熔鹽罐可以安全運行。

2.3""熔鹽罐接管焊縫疲勞壽命分析

采用FE-safe模塊對6種工況下的疲勞壽命進行分析，獲得對應的結構應力，再根據式（4）計算出等效結構應力，計算中fM=0.95、Rb=0.99。以工況1為例，圖8是接管焊縫焊趾區域各單元的疲勞壽命分布云圖，其中紅色區域為結構壽命最短的區域，即最早發生破壞的位置，出現在焊趾右上及與其對稱的位置，疲勞壽命僅為104.04=10964次。

圖9是接管焊縫焊趾位置在第一象限內的等效結構應力分布，可以看出，在q≈40°的位置等效結構應力值最大，這表明接管焊縫會優先在這個位置破壞，故此處疲勞壽命最短。熔鹽罐接管焊縫除了受到環向應力外，還會受到自身重力以及其他約束力的作用，這些力均會使得破壞位置略有偏移。

同理，對接管焊縫其他5種工況的等效結構應力和疲勞壽命進行計算，所有結果列于表4，各載荷水平下的疲勞壽命分析結果如圖10所示。可以看出，在工況1～6下低溫熔鹽罐接管焊縫的疲勞壽命均分布在主S-N曲線99%概率區間內（-3s），均滿足ASME標準要求。

根據表4中各載荷水平下的疲勞壽命可以得到Di，再由式（10）計算對應的總疲勞損傷D，結果列于表5。接管焊縫的疲勞壽命Nf=1/D=1/0.0013=773月≈64年＞30年，滿足設計要求。

3 "結論

3.1""最高液位（H=14 m）下，低溫熔鹽罐接管焊縫結構處的集中應力分布呈“X形”，最大Mises應力出現在焊趾上部以及與其對稱的位置，最大Mises應力值為264.5 MPa。基于ASME BPVC.Ⅷ.2-2019標準，焊趾處的應力通過應力評定，滿足標準要求。

3.2""分析了低溫熔鹽罐溶液液位波動情況，基于雨流計數法獲得了6種典型工況，利用FE-safe模塊分析了接管焊縫結構的等效結構應力，并計算了各工況下的疲勞壽命。結果表明，最苛刻工況（工況1）下焊趾疲勞壽命為10 964次，最先失效位置在焊趾右上（q≈40°）位置。

3.3""應用Miner線性損傷累積理論計算出各工況耦合作用下接管焊縫的疲勞壽命為64年，大于設計壽命（30年），滿足設計要求。

參 "考 "文 "獻

[1] 劉子建.太陽能單罐熔鹽相變儲能系統儲熱與力學性能數值模擬研究[D].吉林：東北電力大學，2022.

[2] 熊新強，杜明俊，張志貴，等.太陽能光熱發電熔鹽儲罐選材、防腐與絕熱技術研究[J].石油化工高等學校學報，2017，30（6）：59-63.

[3] 斯楞戈，徐二樹，湯建方，等.50MW槽式太陽能光熱電站儲熱系統建模[J].能源與節能，2022（5）：1-8；58.

[4] YANG G H，LIU X T，LAI J F，et al.Fatigue life prediction of gasoline storage tank considering varying current density and weld stress[J].Advances in Mechanical Engineering，2022，14（6）：1-11.

[5] 梁建峰，保德順.脈沖工況氧氣緩沖罐裂紋修復實踐[J].有色設備，2021，35（4）：69-73.

[6] KIM T，YOON S，KIM J，et al.Fatigue and Fracture Behavior of Cryogenic Materials Applied to LNG Fuel Storage Tanks for Coastal Ships[J].Metals，2021，11（12）：1899.

[7] LEE D，JO J，NYONGESA A J，et al.Fatigue Analysis of a 40 ft LNG ISO Tank Container[J].Materials，2023，16（1）：428.

[8] 李巖.電化學裝置帶集中力罐體的疲勞強度計算及刮板優化設計[D].天津：天津工業大學，2015.

[9] 姚澄曦.氫能燃料電池船儲氫罐充氣過程的應力評定及疲勞分析[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2021.

[10] 劉慶江.貯料罐有限元疲勞分析[J].化學工程與裝備，2011（9）：37-40.

[11] 劉旭.基于Ansys軟件對壓力容器的應力及疲勞分析[C]//第十屆沈陽科學學術年會論文集（信息科學與工程技術分冊）.沈陽鼓風機集團有限公司，2013：5.

[12] 韓紹欽.含缺陷壓力容器的振動疲勞壽命研究[D].西安：西安理工大學，2021.

[13] 岳國暢，于雁云.低溫（LNG）單層絕熱儲存壓力容器的研究[J].化工裝備技術，2018，39（4）：49-52.

[14] 邊鑫，甄靜水，陳程，等.超大型LNG儲罐角焊縫應力與疲勞分析[J].石油和化工設備，2022，25（12）：150-154.

[15] The American Society of Mechanical Engineers.ASME Boiler and Pressure Vessel Code：ASME BPVC.Ⅷ.2-2019[S].New York：The American Society of Mechanical Engineer，2019.

[16] 鄭超，胡生雙，張兵憲，等.A286合金激光焊接接頭的組織與高溫持久性能[J].金屬熱處理，2023，48（10）：163-167.

[17] DONG P，HONG J K，OSAGE D A，et al.The master S-N curve method an implementation for fatigue evaluation of welded components in the ASME Bamp;PV Code，Section Ⅷ，Division 2 and API 579-1/ASME FFS-1[J].Welding Research Council Bulletin，2010，523：1-252.

[18] 趙宇，張旭.基于等效結構應力的地鐵車輛車體疲勞壽命分析[J].機械工程與自動化，2022（6）：41-44.

[19] HONG J K，FORTE T P.Fatigue Evaluation Procedures for Multi-Axial Stress State in Welded Joints[C]//ASME 2015 34th International Conference on Ocean，Offshore and Arctic Engineering.2015.DOI：10.1115/OMAE2015-41412.

[20] SUSMEL L，TOVO R.Local and structural multiaxial stress states in welded joints under fatigue loading[J].International Journal of Fatigue，2006，28（5-6）：564-575.

[21] 國家市場監督管理總局，國家標準化管理委員會.壓力容器 "第2部分：材料：GB/T 150.2—2011[S].北京：中國質量標準出版傳媒有限公司，2011.

（收稿日期：2024-03-07，修回日期：2024-11-01）

基金項目：國家市場監督管理總局科技計劃項目（批準號：2022MK200）資助的課題；中國特種設備檢測研究院重點項目（批準號：2022重點03）資助的課題。

作者簡介：李秀峰（1978-），高級工程師，從事特種設備安全與運維技術研究工作。

通信作者：胡海軍（1978-），副教授，從事能源裝備服役安全方向的研究，huhaijun@mail.xjtu.edu.cn。

引用本文：李秀峰，俞兵，謝國山，等.光熱裝置熔鹽罐接管焊縫結構疲勞壽命預測[J].化工機械，2024，51（6）：000-000.