基于EN12952的余热锅炉锅筒疲劳-蠕变寿命分析

摘 要 对锅筒等受压部件的剩余寿命预测的问题在电力等行业已经引起相当大的关注。本文使用EN12952-3/4 标准中的疲劳、蠕变寿命计算方法，借助ANSYS有限元分析软件，对余热锅炉锅筒进行疲劳-蠕变损伤分析，预测锅炉的运行寿命。

关键词 余热锅炉; EN12952;疲劳-蠕变

引言

在设计时，锅筒的寿命估计是基于假设的运行工况。许多余热锅炉的变工况运行与设计时假定的工况是非常不同的，由于保守的设计，这些锅筒的实际寿命要远远超过设计值。对锅筒剩余寿命预测能够避免昂贵的停机，保证锅炉运行安全，延长锅筒的运行寿命超出原设计寿命，能使锅炉发挥最大的经济和社会效益[1]。

锅筒疲劳寿命设计及校核计算通常都采用基于疲劳损伤线性累积Miner法则的有限寿命设计方法。西方发达国家如美国、英国、德国、日本和苏联都有包含锅炉承压设备在内的钢制压力容器疲劳设计、校核计算标准[2]。各国标准的基本思想大体相同，主要差别在于强度校核时采用的强度理论和设计疲劳曲线不同。

目前国内行业普遍接受的锅炉疲劳寿命计算方法主要有[2]：

（1）GB/T16507.4-2013《水管锅炉》附录A《锅筒低周疲劳寿命计算》;

（2）ASME第一卷和ASME第八卷第2册;

（3）EN 12592-2011《水管锅炉及其辅机安装》其中的EN12952-3（压力部件的设计和计算）和EN12952-4（锅炉运行寿命预测计算）。

以上计算方法都是简化的计算方法，即通过使用应力集中来计算应力，计算过程比较简单。如果需要使计算结果更加精确，可以首先用专业的有限元分析软件的计算锅筒考核点附近区域的温度差和应力，然后利用上述方法来计算余热锅炉锅筒的疲劳寿命。

本文使用EN12952-3/4 标准中的疲劳、蠕变寿命计算方法，借助ANSYS有限元分析软件，对余热锅炉锅筒进行疲劳-蠕变损伤分析，预测锅炉的运行寿命。

1EN12952 疲劳、蠕变计算方法

1.1 疲劳损伤

EN12952-3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[3]：

其中：为实际循环次数;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。每个温度/压力增量下的蠕变由该增量下的运行时间与相同增量下的理论寿命比值而得到：

其中：为实际运行的时间;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由Robinson法则确定：

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：

其中为常数，一般为1.0或者由用户规定若满足上式的条件，则判定该部件在服役期间内按设计工况下运行，具有足够的寿命且能够安全運行。

2锅筒疲劳-蠕变寿命分析

2.1 疲劳、蠕变分析流程

表1为燃机-余热锅炉机组服役期间的启停次数，对锅筒的疲劳-蠕变寿命计算，可按以下步骤实施：

（1）确定锅筒的启、停曲线。

（2）用ANSYS软件计算锅筒瞬态温度场，确定启、停过程中最大温差。

（3）计算考核点机械应力、热应力和总应力。

（4）对考核点进行应力评定。

（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。

2.2 计算依据

根据同类型机组典型的启动曲线，按EN12952-3第13章进行疲劳寿命计算，疲劳利用系数C取0.75。寿命系数计算公式为：

（5）

2.3 计算结果

（1）冷态启动：许用周期数=3704，实际周期数=90，利用系数=0.00027，=0.024

（2）温态启动：许用周期数=35714，实际周期数=360，利用系数=0.000028，=0.001

（3）热态启动：许用周期数=129619，实际周期数=0，利用系数=0.0000077，=0

（4）极热态启动：许用周期数=78611548，实际周期数=120，利用系数=0，=0

锅筒在该启停曲线下运行，工作温度没有超过材料的蠕变温度，不产生蠕变损耗，疲劳寿命有比较大的安全余量，能保证机组的安全经济运行。

3结束语

本文通过总结，形成了一套完整的、适合余热锅炉锅筒疲劳寿命分析的计算方法：根据锅筒升温升压曲线为边界条件，用ANSYS有限元分析软件计算出锅筒的应力场，再结合使用 EN12952-3/4 标准的疲劳、蠕变寿命计算方法，使余热锅炉锅筒的疲劳、蠕变寿命分析更为精确。该方法不仅可用于锅筒寿命设计，也可作为对过热器集箱、再热器集箱等高温受压部件的高温蠕变-疲劳寿命评估的借鉴。

参考文献

[1] 王坤峰.小型增压锅炉锅筒热应力计算分析.哈尔滨工程大学硕士学位论文[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2013.

[2] 郑心伟.增压锅炉汽包低周疲劳寿命计算方法研究[J].热能与动力工程，2010，25（2）：184-189.

[3] EN12952—2011.水管锅炉及其辅机安装[S].北京：中国标准出版社，2011.