基于歐標EN12952的受壓部件疲勞-蠕變壽命分析

李 俊，高芳清，袁繼禹

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

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基于歐標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 力學與工程學院，成都 610031;2.東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，成都 611731)

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

余熱鍋爐；EN12952；疲勞-蠕變壽命分析

燃氣輪機余熱鍋爐(heat recovery steam generator)在服役期間會經歷頻繁的啟動和停爐操作，鍋爐中過熱器等高溫受壓部件在壓力載荷和溫度梯度的作用下會產生峰值應力。在峰值應力的循環作用下，這些部件極易發生疲勞失效。此外，部分高溫部件的操作溫度遠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行壽命的關鍵因素之一。

本文根據歐洲標準EN12952—3對疲勞分析的規定、EN12952—4蠕變計算方法以及疲勞蠕變交互作用的評定方法，對余熱鍋爐高溫受壓部件進行疲勞蠕變損傷分析，預測鍋爐的運行壽命，并將計算過程編制成簡便實用的VB程序。

1 EN12952疲勞、蠕變計算方法

1.1 疲勞損傷

EN12952—3:2001《壓力部件的設計和計算》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：

(1)

其中:nk為實際循環次數；Nk為根據循環應力幅及由S-N曲線得到的允許循環次數。

1.2 蠕變損傷

EN12952—4∶2001《鍋爐運行壽命預測計算》中，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。每個增量下的蠕變損傷為

(2)

其中：Top為實際運行的時間；Tal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為

(3)

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：

(4)

2 疲勞、蠕變壽命分析

根據余熱鍋爐的啟、停曲線，按照EN12952第13.3節的疲勞分析免除準則進行疲勞篩分，選出需要進行疲勞分析的部件。

本文以某工程余熱鍋爐過熱器集箱為例，在冷啟動工況下，對該部件進行疲勞、蠕變分析。過熱器集箱規格為φ273.1×42 mm，接管為φ219×35 mm，材料均為SA-335P91，抗拉強度為586 MPa，屈服強度為356.4 MPa，彈性模量為1.86×105MPa，熱擴散率為5.85 mm2/s，線膨脹系數為13.3×10-6mm/mm ℃；過熱器集箱最高溫度為532 ℃，最低溫度為20 ℃，t*溫度[1]為404 ℃，設計啟停次數為125次。

采用MSC.Patran作為前后處理軟件，MSC.Nastran作為求解軟件，通過瞬態溫度場分析計算啟動和停爐過程中的溫差，應用靜力分析計算熱應力集中系數和機械應力集中系數。過熱器集箱有限元模型如圖1所示。

圖1 過熱器集箱有限元模型

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

圖2 集箱的溫度分布

根據啟動過程中內壁、外壁、平均溫度可得最大溫差為10 ℃，發生在啟動初期。

停爐過程中內壁、外壁、平均溫度的最大溫差為8.89 ℃，發生在停爐開始后15 min時。

壓力作用下的應力分布如圖3所示。計算得到機械應力集中系數為3.4，熱應力集中系數為1.05。

圖3 壓力作用下的應力分布

通過分析可以計算出集箱溫差Δt。啟動工況選取溫差最大的時間點，通過啟動曲線，查出該時間點對應的壓力，將該時間點的溫差和壓力共同作用計算的應力作為應力谷值。停爐工況選取溫差最大的時間點，通過停爐曲線得到對應的壓力，將該時間點溫差和壓力共同作用得到的應力作為應力峰值，得出合適的循環應力幅值。經分析，過熱器集箱的用度系數為0.000 1。

由于運行溫度已經進入集箱材料蠕變溫度，需要進行蠕變損傷分析。根據EN12952—4中的蠕變損傷分析方法進行蠕變分析，其中材料持久強度根據EN10216標準查取。SA-355P91對應的EN材料牌號為X10CrMoVNb9-1，根據EN10216—2 Table A-1的蠕變斷裂強度值進行插值計算，得到過熱器集箱在64.06 MPa下的蠕變斷裂強度為3.15×109h。該鍋爐設計壽命為25 a，不計啟停和檢修時間，運行時間為2.19×105h，蠕變損耗約為0.7×10-4。

3 疲勞蠕變程序設計

3.1 程序設計

基于EN12952標準進行疲勞、蠕變分析，流程如圖4所示。

圖4 疲勞、蠕變分析流程

具體實施步驟：

1) 確定計算部件和啟、停曲線，按照疲勞分析免除準則進行篩分，確定疲勞分析的部件。

2) 運用有限元軟件計算部件瞬態溫度場，確定啟、停過程中最大溫差。

4) 根據標準中的計算方法進行疲勞評定。

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。

①從病史上講,本人對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,這一點與目前國內外多數學者觀點不同。目前國內外多數學者認為該病大部分患者應有頭頸部外傷史,尤其是有車禍等外傷史的患者應高度懷疑。

3.2 疲勞計算程序

采用VB語言將EN12952中第13章、附錄B的計算過程及S-N曲線編制成計算機程序，參照TRD301對該計算過程進行了改進。程序中輸入的材料特性由EN10216得到。熱應力集中系數和機械應力集中系數可由EN12952中圖13.4-5和圖13.4-8查取。在輸入溫差時，啟動過程最大溫差需輸入負值(溫差由平均溫度減去內壁溫度算得)，停爐過程中最大溫差輸入正值。疲勞計算程序界面如圖5所示。

圖5 疲勞計算程序界面

將過熱器集箱材料屬性、幾何尺寸、載荷工況等參數輸入疲勞計算程序，程序輸出結果為：

計算工況 :冷啟動設計疲勞循環次數 :125次允許疲勞循環次數 :1000000次用度系數 :0.0001開始啟動時允許溫差:-126.28℃啟動結束時允許溫差:-161.69℃開始停爐時允許溫差:53.9℃停爐啟動時允許溫差:89.32℃

3.3 蠕變計算程序

蠕變分析的關鍵在于確定蠕變應力，為簡化計算，保守地采用結構的一次局部薄膜應力作為計算應力。程序主要是采用雙對數插值方式，得到計算應力下的蠕變斷裂時間，進而求得蠕變壽命損耗。蠕變計算程序界面如圖6所示。

圖6 蠕變計算程序界面

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，其過熱器集箱部件的疲勞-蠕變損傷為：0.000 1+0.000 7=0.000 8。結合鍋爐啟停曲線和實際運行工況，可以對熱器集箱疲勞-蠕變壽命進行評估。

4 結束語

使用EN12952—3/—4標準的疲勞、蠕變壽命計算方法， 結合MSC.Nastran專業有限元分析軟件，使HRSG高溫受壓部件的疲勞、蠕變壽命分析更為精確。通過總結，形成了一套完整的、適合產品疲勞壽命分析的計算方法和程序。該方法和程序可以用于水管鍋爐高溫受壓部件的壽命設計，也可作為對在役部件的高溫蠕變-疲勞壽命評估的借鑒。

[1] EN12952—2011，水管鍋爐及其輔機安裝 [S].

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

[3] GB/T 16507.4—2013，水管鍋爐標準附錄A：鍋筒低周疲勞壽命計算[S].

[4] 王新華,陳偉.基于歐洲EN12952—3/—4標準HRSG疲勞壽命分析計算[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算方法[J].動力工程，2000(1):528-530.

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

[6] 李立人,陳瑋,盛建國,等.鍋爐受壓元件的高溫蠕變-疲勞壽命設計計算方法[J].動力工程,2009,29(5):409-416.

[7] EN10216—2:2002，承壓用無縫鋼管—交貨技術條件[S].

[8] 李淑華.VB程序設計及應用[M].北京:高等教育出版社，2009.

(責任編輯 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 基金項目：國家科技支撐計劃資助項目(2011BAC05B01)

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

李俊,高芳清,袁繼禹.基于歐標EN12952的受壓部件疲勞-蠕變壽命分析[J].重慶理工大學學報(自然科學)，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