基于欧标EN12952的受压部件疲劳-蠕变寿命分析

李 俊，高芳清，袁继禹

(1.西南交通大学 力学与工程学院，成都 610031;2.东方电气集团东方锅炉股份有限公司，成都 611731)



基于欧标EN12952的受压部件疲劳-蠕变寿命分析

李 俊1,2，高芳清1，袁继禹1,2

(1.西南交通大学 力学与工程学院，成都 610031;2.东方电气集团东方锅炉股份有限公司，成都 611731)

余热锅炉(HRSG)服役期间经历着频繁的启动、停止和载荷波动，且部分部件的温度超过了材料的蠕变温度，必须对其进行疲劳、蠕变寿命分析。以实际工程为例，就如何采用欧洲标准EN12952进行锅炉承压部件疲劳-蠕变寿命分析进行研究，并以VB工具将分析过程编译成简便实用的专用程序。

余热锅炉；EN12952；疲劳-蠕变寿命分析

燃气轮机余热锅炉(heat recovery steam generator)在服役期间会经历频繁的启动和停炉操作，锅炉中过热器等高温受压部件在压力载荷和温度梯度的作用下会产生峰值应力。在峰值应力的循环作用下，这些部件极易发生疲劳失效。此外，部分高温部件的操作温度远超其本身材料的蠕变温度，蠕变失效也将是影响余热锅炉高温受压部件运行寿命的关键因素之一。

本文根据欧洲标准EN12952—3对疲劳分析的规定、EN12952—4蠕变计算方法以及疲劳蠕变交互作用的评定方法，对余热锅炉高温受压部件进行疲劳蠕变损伤分析，预测锅炉的运行寿命，并将计算过程编制成简便实用的VB程序。

1 EN12952疲劳、蠕变计算方法

1.1 疲劳损伤

EN12952—3:2001《压力部件的设计和计算》第13章给出了疲劳分析的应力、温度、温度变化速率的计算及其限制规定，附录B对疲劳计算过程及材料S-N曲线进行了阐述，附录C以实例的形式对疲劳分析进行了演示。

在EN12952中，疲劳损伤按照Minler线性累积损伤理论进行评估：

(1)

其中:nk为实际循环次数；Nk为根据循环应力幅及由S-N曲线得到的允许循环次数。

1.2 蠕变损伤

EN12952—4∶2001《锅炉运行寿命预测计算》中，附录A对蠕变破坏的计算进行了阐述。将压力和温度分成增量形式，通过计算应力、查取相应温度下的蠕变断裂强度的散射频带宽度下限曲线得到理论计算寿命。每个增量下的蠕变损伤为

(2)

其中：Top为实际运行的时间；Tal为理论计算寿命。

所有压力和温度增量引起的总的蠕变损伤为

(3)

1.3 疲劳蠕变交互作用

当该部件同时经历疲劳和蠕变作用时，疲劳蠕变累积损伤采用线性叠加，判据如下：

(4)

2 疲劳、蠕变寿命分析

根据余热锅炉的启、停曲线，按照EN12952第13.3节的疲劳分析免除准则进行疲劳筛分，选出需要进行疲劳分析的部件。

本文以某工程余热锅炉过热器集箱为例，在冷启动工况下，对该部件进行疲劳、蠕变分析。过热器集箱规格为φ273.1×42 mm，接管为φ219×35 mm，材料均为SA-335P91，抗拉强度为586 MPa，屈服强度为356.4 MPa，弹性模量为1.86×105MPa，热扩散率为5.85 mm2/s，线膨胀系数为13.3×10-6mm/mm ℃；过热器集箱最高温度为532 ℃，最低温度为20 ℃，t*温度[1]为404 ℃，设计启停次数为125次。

采用MSC.Patran作为前后处理软件，MSC.Nastran作为求解软件，通过瞬态温度场分析计算启动和停炉过程中的温差，应用静力分析计算热应力集中系数和机械应力集中系数。过热器集箱有限元模型如图1所示。

图1 过热器集箱有限元模型

采用有限元软件计算集箱瞬态温度场，确定启、停过程中最大温差。温差的计算公式见EN12952—3第13.4节中式(13.4-10)。集箱的温度分布如图2所示。

图2 集箱的温度分布

根据启动过程中内壁、外壁、平均温度可得最大温差为10 ℃，发生在启动初期。

停炉过程中内壁、外壁、平均温度的最大温差为8.89 ℃，发生在停炉开始后15 min时。

压力作用下的应力分布如图3所示。计算得到机械应力集中系数为3.4，热应力集中系数为1.05。

图3 压力作用下的应力分布

通过分析可以计算出集箱温差Δt。启动工况选取温差最大的时间点，通过启动曲线，查出该时间点对应的压力，将该时间点的温差和压力共同作用计算的应力作为应力谷值。停炉工况选取温差最大的时间点，通过停炉曲线得到对应的压力，将该时间点温差和压力共同作用得到的应力作为应力峰值，得出合适的循环应力幅值。经分析，过热器集箱的用度系数为0.000 1。

由于运行温度已经进入集箱材料蠕变温度，需要进行蠕变损伤分析。根据EN12952—4中的蠕变损伤分析方法进行蠕变分析，其中材料持久强度根据EN10216标准查取。SA-355P91对应的EN材料牌号为X10CrMoVNb9-1，根据EN10216—2 Table A-1的蠕变断裂强度值进行插值计算，得到过热器集箱在64.06 MPa下的蠕变断裂强度为3.15×109h。该锅炉设计寿命为25 a，不计启停和检修时间，运行时间为2.19×105h，蠕变损耗约为0.7×10-4。

3 疲劳蠕变程序设计

3.1 程序设计

基于EN12952标准进行疲劳、蠕变分析，流程如图4所示。

图4 疲劳、蠕变分析流程

具体实施步骤：

1) 确定计算部件和启、停曲线，按照疲劳分析免除准则进行筛分，确定疲劳分析的部件。

2) 运用有限元软件计算部件瞬态温度场，确定启、停过程中最大温差。

4) 根据标准中的计算方法进行疲劳评定。

5) 计算允许温差和速率。

6) 判断部件温度是否进入材料蠕变温度。

7) 查取材料持久强度，对部件进行蠕变分析。

8) 对疲劳和蠕变所造成的损伤进行综合评定。

①从病史上讲,本人对颈源性头痛患者的诊断更注重是否是伏案工作者,是否慢性积累性损伤者,这一点与目前国内外多数学者观点不同。目前国内外多数学者认为该病大部分患者应有头颈部外伤史,尤其是有车祸等外伤史的患者应高度怀疑。

3.2 疲劳计算程序

采用VB语言将EN12952中第13章、附录B的计算过程及S-N曲线编制成计算机程序，参照TRD301对该计算过程进行了改进。程序中输入的材料特性由EN10216得到。热应力集中系数和机械应力集中系数可由EN12952中图13.4-5和图13.4-8查取。在输入温差时，启动过程最大温差需输入负值(温差由平均温度减去内壁温度算得)，停炉过程中最大温差输入正值。疲劳计算程序界面如图5所示。

图5 疲劳计算程序界面

将过热器集箱材料属性、几何尺寸、载荷工况等参数输入疲劳计算程序，程序输出结果为：

计算工况 :冷启动设计疲劳循环次数 :125次允许疲劳循环次数 :1000000次用度系数 :0.0001开始启动时允许温差:-126.28℃启动结束时允许温差:-161.69℃开始停炉时允许温差:53.9℃停炉启动时允许温差:89.32℃

3.3 蠕变计算程序

蠕变分析的关键在于确定蠕变应力，为简化计算，保守地采用结构的一次局部薄膜应力作为计算应力。程序主要是采用双对数插值方式，得到计算应力下的蠕变断裂时间，进而求得蠕变寿命损耗。蠕变计算程序界面如图6所示。

图6 蠕变计算程序界面

3.4 疲劳-蠕变损伤

综合上述，余热锅炉的一次冷启、停操作工况，其过热器集箱部件的疲劳-蠕变损伤为：0.000 1+0.000 7=0.000 8。结合锅炉启停曲线和实际运行工况，可以对热器集箱疲劳-蠕变寿命进行评估。

4 结束语

使用EN12952—3/—4标准的疲劳、蠕变寿命计算方法， 结合MSC.Nastran专业有限元分析软件，使HRSG高温受压部件的疲劳、蠕变寿命分析更为精确。通过总结，形成了一套完整的、适合产品疲劳寿命分析的计算方法和程序。该方法和程序可以用于水管锅炉高温受压部件的寿命设计，也可作为对在役部件的高温蠕变-疲劳寿命评估的借鉴。

[1] EN12952—2011，水管锅炉及其辅机安装 [S].

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

[3] GB/T 16507.4—2013，水管锅炉标准附录A：锅筒低周疲劳寿命计算[S].

[4] 王新华,陈伟.基于欧洲EN12952—3/—4标准HRSG疲劳寿命分析计算[J].余热锅炉，2006(4):1-6.

[5] 魏铁铮,谢英柏.锅炉高温受热部件寿命的计算方法[J].动力工程，2000(1):528-530.

[6] 史平洋,李立人,盛建国，等.电站锅炉高温受压元件蠕变和低周疲劳寿命损伤计算及在线监测[J].动力工程,2007,27(3):463-468,472.

[6] 李立人,陈玮,盛建国,等.锅炉受压元件的高温蠕变-疲劳寿命设计计算方法[J].动力工程,2009,29(5):409-416.

[7] EN10216—2:2002，承压用无缝钢管—交货技术条件[S].

[8] 李淑华.VB程序设计及应用[M].北京:高等教育出版社，2009.

(责任编辑 杨文青)

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 基金项目：国家科技支撑计划资助项目(2011BAC05B01)

李俊(1979—)，男，硕士研究生，主要从事锅炉、压力容器力学分析方面的研究，E-mail:lijun04495@sina.com。

李俊,高芳清,袁继禹.基于欧标EN12952的受压部件疲劳-蠕变寿命分析[J].重庆理工大学学报(自然科学)，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