高溫容器蠕變損傷評估方法研究及程序開發

鄧晶晶

（上海核工程研究設計院，上海 200233）

高溫容器蠕變損傷評估方法研究及程序開發

鄧晶晶

（上海核工程研究設計院，上海 200233）

0　引言

蠕變是高溫容器的主要失效形式之一。材料在高溫下持續長期受載，會緩慢地產生蠕變變形。這種蠕變的積累會導致宏觀的永久變形，從而出現蠕變斷裂或松弛。對在蠕變溫度以下使用的壓力容器，由于使用的鋼材具有一定的韌性，可以不考慮其應變極限。但在工作溫度超過一定溫度時，高溫下材料的等時應力-應變曲線隨時間增加而下降，設備內的蠕變應變不斷增加，應力不斷降低，產生“蠕變棘輪”，嚴重時會導致蠕變斷裂。當高溫容器承受運行工況產生的交變應力時，材料在高溫下的蠕變效應與交變載荷作用下的疲勞效應交互作用，則有可能產生蠕變和疲勞的組合損傷。因此，開發高溫壓力容器的在線壽命監測系統，實時監測和評估重要部件的完整性，對提高設備運行安全性、可靠性和經濟性具有十分重要的意義。為開發高溫壓力容器的在線壽命監測系統，有必要研究一種適合于實時監測和在線分析的高溫壓力容器蠕變損傷評估方法并實現程序開發。

本文介紹了基于ASME鍋爐及壓力容器規范的彈性分析，進行彈塑性和蠕變修正的高溫壓力容器蠕變損傷評估方法，并在LabVIEW平臺上開發了蠕變損傷計算程序。通過厚壁承壓圓筒實例計算，比較了蠕變損傷計算程序與ANSYS有限元程序和解析法三者的計算結果，從而對蠕變損傷評估方法和計算程序的合理性和保守性進行驗證。

1　蠕變基本方程

依據蠕變時效理論，材料的蠕變規律如式（1）：

式中，Γ為切應變強度，T為切應力強度，G為切向彈性模量。

m為蠕變指數，Ω1（t）為蠕變后效曲線，由材料試驗得到，與材料、溫度有關。

圖1至圖4給出了某材料在某溫度下的 Ω1（t）、B1（t）和蠕變、松弛曲線的示意圖。

2　蠕變評估方法

高溫容器蠕變損傷分析以ASME鍋爐及壓力容器規范提出的彈性分析方法為依據，在以線彈性方法求解得到設備中溫度引起的熱應力和內壓引起的機械應力的基礎上，對應變幅進行多軸塑性和泊松比修正，根據等時應力-應變曲線確定應力松弛歷史，從而計算相應時間內的蠕變損傷。最終根據最小斷裂曲線進行蠕變分析和評定，確定相關時間內的蠕變損傷系數。

蠕變損傷分析評定流程如圖5所示。

圖1　Ω1（t）曲線示意圖

圖2　B1（t）曲線示意圖

圖3　蠕變曲線示意圖

圖4　松弛曲線示意圖

圖5　蠕變損傷分析評定流程圖

3　程序驗證

按照上述蠕變損傷評估方法，在LabVIEW平臺上開發了蠕變損傷計算程序。為驗證計算程序計算結果的合理性、保守性和計算速度，對如圖6所示厚壁承壓圓筒模型，分別運用蠕變損傷計算程序和ANSYS有限元程序，以及解析法進行計算，并將程序計算結果和理論解進行比較。

圖6　厚壁承壓圓筒模型示意圖

厚壁承壓圓筒模型的外半徑Ro與內半徑Ri之比為2，內壓P0取100 kg/cm2，材料取鉻鎳鎢鋼，即800℃時，蠕變指數m為4，彈性模量E為0.755×106kgf/cm2，Ω1（t）和B1（t）表達式如式（3）和式（4）所示。

隨著時間t增加，B1（t）趨近于常數，B1（t）=9.52×10-15，Ω1（t）=B1t=9.52×10-15t。

對該厚壁承壓圓筒模型，采用上述參數，蠕變損傷計算程序與解析法、ANSYS有限元程序計算得到的t= 100 hr時刻圓筒內壁的蠕變切應變強度Γc、彈性切應變強度Γe和切應力強度T比較見表1。

厚壁承壓圓筒內壁的蠕變切應變強度Γc、彈性切應變強度Γe和切應力強度T的時程曲線分別見圖7、圖8和圖9。

表1　解析解、有限元解和計算程序解的比較（t=100hr）

比較蠕變損傷計算程序的計算結果和解析法、ANSYS有限元程序的計算結果，計算程序的計算結果是偏保守的。

在厚壁承壓圓筒模型的計算中，蠕變損傷計算程序和有限元程序假設B1（t）為常數，即B1（t）取時間t趨于無限大時對應的值，在蠕變應變速率與解析解比較時造成在蠕變初期形成一定的誤差，但隨著時間t的增加，計算程序和有限元程序解的蠕變應變速率與解析解趨于一致。

在蠕變損傷計算程序的計算過程中，因為缺少材料鉻鎳鎢鋼的等時應力-應變曲線數據，所以省略了彈塑性修正和多軸應力和泊松比修正的步驟，直接根據輸入的彈性分析的應力計算結果計算初始應力；而實際上應力會隨時間增加而變小。省略彈塑性修正和蠕變修正導致蠕變損傷計算程序的計算結果與解析解比較誤差較大，在考慮彈塑性修正和蠕變修正后誤差應會明顯減小。

圖6　蠕變切應變強度計算結果比較

圖7　彈性切應變強度計算結果比較

圖8　切應力強度計算結果比較

此外，在蠕變損傷計算過程中，應變幅、初始應力查材料的等時應力-應變曲線確定，允許持久時間查材料的最小斷裂曲線確定，因此，計算結果的精度和材料等時應力-應變曲線和最小斷裂曲線的準確性密切相關。規范給出的材料的應力-應變曲線和最小斷裂曲線相對都偏保守。

4　結語

蠕變損傷計算是高溫壓力容器壽命監測中的重要內容，是對高溫承壓設備進行有效壽命評估和剩余壽命管理的基礎之一。本文依據ASME鍋爐及壓力容器規范提出的損傷分析和壽命計算方法，在彈性分析的基礎上進行高溫壓力容器的蠕變分析，對應變幅進行彈塑性修正和引入多軸應力和泊松比調整因子進行修正，從而確定應力松弛歷史，進而計算相關時間內的蠕變損傷。

按照上述方法，在LabVIEW平臺上開發了蠕變損傷計算程序。通過對厚壁承壓圓筒模型的實例計算，將蠕變計算程序的計算結果和解析法、ANSYS有限元程序的計算結果進行了比較，計算程序的計算結果是偏保守的，驗證了蠕變損傷評估方法和LabVIEW編制的蠕變計算程序的可靠性和保守性，滿足高溫壓力容器壽命監測的要求。

Creep Damage；Evaluation Method；Program Development

Evaluation Method Research and Program Development for Creep Damage in High Temperature Vessel

DENG Jing-jing
（Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute，Shanghai 200233）

1007-1423（2015）22-0007-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.22.002

鄧晶晶（1980-），男，江西鷹潭人，工程師，研究方向為壓力容器分析法設計

2015-07-14

2015-07-31

蠕變損傷是高溫容器的主要破壞因素之一。為開發高溫壓力容器在線壽命監測系統，對基于彈性分析進行彈塑性和蠕變修正的蠕變損傷評估方法進行研究，并在LabVIEW平臺上開發蠕變損傷計算程序。通過對厚壁承壓圓筒實例的計算，比較解析法、ANSYS有限元程序和蠕變損傷計算程序三者的計算結果，驗證蠕變損傷評估方法和蠕變損傷計算程序能夠滿足壽命監測的要求。

蠕變損傷；評估方法；程序開發

［1］鄧晶晶，賀寅彪．疲勞壽命監測系統中瞬態溫度場、應力場差分計算程序的開發［J］．核電工程與技術，2005，1：3-9.

［2］ASME BPVC-III-1-NH-2001，ASME bolier and pressure vessel code，section III，division 1，subsection NH class 1 components in elevated temperature service［S］．New York：The American Society of Mechanical Engineers，2001.

Creep damage is one of the main failure factors of high temperature vessels.Presents the analysis method which is based on the elastic analysis with elastoplastic and creep modification，and relevant program which is compiled by LabVIEW development platform for creep damage in the lifetime monitoring system for high temperature vessel.Verification to the evaluation method and computation program is made by comparing analytical，ANSYS and LabVIEW results.The evaluation method and computation program are capable and prediction of the residual lifetime.