锅炉高温部件寿命分析研究

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1、锅炉高温部件寿命分析研究林洪书，曾凡林，李厚毅(东方锅炉(集团)股份有限公司，四川　自贡　643001)   摘　要：总结了东方锅炉(集团)股份有限公司近10年里在锅炉高温部件寿命分析研究方面开展的一系列研究工作，即结构的系统的应力分析，蠕变、疲劳及其交互作用的损伤机理，以及材料的高温性能的基础性研究工作，并制订了适合我国实情的计算方法。该方法计算简便，具有较高的精度，且在工程应用上偏于安全。图1表1   关键词：锅炉高温部件；蠕变；疲劳；交互作用；寿命；计算方法1　前言　　在最近的10多年里，随着我国电力工业的发展，人们对电站锅炉的诸如汽包、高温过热

2、器和高温再热器联箱及其三通等高温厚壁承压部件的寿命损耗给予了极大的关注。这些部件在高温高压的恶劣环境下工作，承受压力和温度的持续作用和周期性交变作用，将产生疲劳、蠕变及其之间的交互作用。汽包的工作温度在400℃以下，只产生疲劳损伤；然而，其它部件工作于500℃以上的高温环境，寿命损伤的机理较为复杂，除疲劳外，还承受蠕变以及疲劳蠕变的交互作用。由于这些部件难于更换，其寿命也就决定了锅炉的整体寿命。　　另外，用户在招标书上也逐渐对高温部件的寿命损耗提出了明确的要求，需要制造厂答复。　　到目前为止，世界各国对高温部件的寿命损耗分析方法也仍然处于研究状态。处于

3、领先的美国也只在ASME标准中作为案例处理(ASMECODECASEN－47)，尚未作为规定性的标准投入使用；而在我国，在此领域还未进行深入研究。　　在最近的几年里，行业内各锅炉厂共同努力，制定了GB9222—88附录D《锅炉锅筒低周疲劳寿命计算方法》，填补了电站行业寿命计算标准的空白，并将为在高温部件寿命损耗方面做进一步的研究提供了条件。　　东锅公司为使其在该领域能保持行业的优势，产品在激烈的市场竞争中更有竞争力，于1997年立项开始了锅炉高温受压部件的寿命分析研究工作。本文即为该项工作的总结报告。2　前期准备　　立项时，为了使研究工作具有较高的水平

4、，满足东锅公司对锅炉高温受压部件寿命分析研究工作的需要，在前期做了大量的文献调研工作。　　一方面，对国内外锅炉高温受压部件寿命分析研究工作的进展情况作了详尽的了解，掌握了国内外目前所处的水平；另一方面，对国外的标准也做了比较并分析了其间的异同。通过该项工作，确定公司开展锅炉高温受压部件寿命分析研究工作的目标和内容，制定了详细的执行方案。3　项目的研究目标及主要内容　　根据东锅公司大型电站锅炉机组的实际情况，该项目选定了高温过热器、高温再热器管道、三通及弯头等部件作为高温寿命分析的主要部件。通过三维弹塑性到蠕变应力应变的计算，以及疲劳及疲劳到蠕变交互作用

5、的寿命损耗分析，制定出一套适合于工程应用的高温部件的寿命分析计算方法。　　东锅公司在多年研究的基础上，与清华大学、西南交通大学开展了进一步合作，并对ABBCE引进技术进行了消化和改进，在该项目中共开展了以下几方面内容的研究工作：　　(1)锅炉三通、弯头等高温承压部件的应力集中系数分析计算；　　(2)锅炉三通、弯头等高温承压部件的热弹塑性到蠕变循环三维有限元应力分析；　　(3)锅炉三通、弯头等高温承压部件的疲劳到蠕变交互作用的损伤分析及寿命预测方法；　　(4)ABBCECREPLACYL分析程序的消化与改进；　　(5)12Cr1MoV疲劳到蠕变交互作

6、用特性的研究；　　(6)锅炉高温部件的应力分析及寿命评定实例；　　(7)锅炉启动、停炉曲线制订方法及程序研制。　　通过研究，在高温部件的应力分析、12Cr1MoV材料的高温特性及疲劳到蠕变交互作用寿命损耗评定等方面取得了新的进展，制订了适于工程应用的高温承压部件的寿命损耗评定方法，并开发了具有实用意义的高温承压部件的寿命损耗计算软件。4　应力分析　　应力分析乃是锅炉高温受压部件寿命分析研究工作的基础。为此，该项目对锅炉高温部件进行了详细三维有限元应力分析。　　(1)对三通和弯头进行系列的三维弹性有限元应力分析，并确定了三通的应力集中系数。　　(2)对三

7、通进行了详细的热弹塑性到蠕变循环三维有限元应力分析。　　(3)进一步开展了锅炉高温管接头的简化寿命计算方法，并从下面两方面进行简化：　　1结构简化方案，即将管接头的三维问题简化为一维问题；　　2基于弹性应力分析的方案。　　通过应力分析，掌握了锅炉结构(三通、弯头等)在实际运行工况下的应力分布及随时间的变化情况，也为寿命计算简化方法的制订提供了依据。4.1　弹性应力分析　　参照东锅公司三通产品的系列，依据设计图纸，同时按三通主管外径与内径之比进行系列化，对三通在内压和温度载荷作用下的应力做了详细的三维有限元分析；同时也对弯头的应力分布做了系列的分析。4.

8、1.1　三通应力分析及其应力集中系数　　分析结果表明，三通在内压作用下的应力分布与CE公司的数