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。处于领先的美国也只在ASME标准中作为案例处理(ASME CODE CASE N－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，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ABBCE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)ABBCE CREPLACYL分析程序的消化与改进；
(5)12Cr1MoV疲劳到蠕变交互作用特性的研究；
(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。
4.1.1 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公司的数据非常接近，其内壁最大应力点的应力集中系数介于4.6～4.9之间；在内外温差作用下的应力集中系数则介于1.0～1.4之间。
需说明的是，东锅公司曾于1987～1993年间对翻边三通实物作了电测试验和有限元应力分析，所得应力集中系数为3.1左右，产生该差异的原因是当时公司制作的三通肩部的实际壁厚远大于设计壁厚。
考虑到三通的实际壁厚与制作工艺流程的控制有较大关系，并且也不能准确的确定，从以图纸为依据的原则出发，建议应力集中系数取有限元应力分析数值，即4.6～4.9，一般可取4.9。在有三通壁厚实测值的条件下，可以此为依据进行有限元计算。
圆筒体开孔类管接头(包括三通、汽包下降管接头等)在内外温差作用下的应力集中系数在早期的工作中一般取值为2.0，后经公司多年研究，证实了其应力集中系数在1.4以下。GB9222—88附录D采纳了该结果，并偏于安全地取值为1.6。这里建议取值仍为1.6。
4.1.2 弯头应力分析及其应力集中系数
U型管在仅受内压的情况下，β值的变化对应力集中系数的影响很小，可不考虑，应力集中系数均在1.5以下，建议应力集中系数取为1.5；U型管在仅受内外温差影响的情况下，β值的变化对应力集中系数的影响很小，可不考虑，根据计算结果，建议应力集中系数取1.2。
4.2 塑性－蠕变循环三维有限元应力分析
为了掌握锅炉三通等高温承压部件的应力分布状态及其变化规律，必须进行详细的热弹塑性－蠕变循环三维有限元应力分析。在长期与清华大学合作的基础上，东锅公司委托其开发了锅炉结构热弹塑性－蠕变循环三维有限元应力分析及寿命计算程序(TAP)。
工程实例的计算表明，该程序的开发是成功的，完全达到了预期的目的；同时，利用该程序进行大量的计算。掌握了锅炉三通等高温承压部件的应力分布状态及其变化规律和在30年运行期内的寿命损耗值，对这些部件的安全运行作到了心中有数；同时，为下面的简化计算方案和制订工程实用的计算方法奠定了基础。
4.3 三通塑性－蠕变循环应力的简化方案及应力分析
三通的塑性－蠕变循环三维有限元应力分析是一个非常复杂的问题且需耗费大量的时间，为了便于工程应用，非常有必要提出一套简化的计算方法。为此，提供了两种途径。
4.3.1 结构简化方案
对结构进行简化，即通过合理的分析，并借鉴美国CE公司CREPLACYL软件的简化方案，把三通的三维结构问题简化为一维问题，即作为圆筒体处理，并引进应力集中系数以考虑开孔的影响。
通过该项研究，编制了适于工程应用的软件，即DBCCREPLACYL。该软件继承了美国ABBCE公司CREPLACYL软件的思想，对其不足之处做了改进，譬如将温度场的有限差分分析改进为有限元分析，并改进了该软件的塑性分析过程及迭代方案，极大地提高了软件的收敛性和收敛速度。
DBCCREPLACYL的算例表明，和三维有限元应力分析相比，该软件有很高的精度，尤其是在工程关心的强度考核点和寿命计算点，也就是三通内壁转角处的位置，即简化后的圆筒体的内壁。
4.3.2 基于弹性分析的方法
简化其数学模型，直接采用弹性分析的结果进行应力计算，而对塑性和蠕变的影响则通过修正系数进行修正。
该方法是美国ASME，Boiler ＆ Pressure Vessel Code标准(简称ASME标准)中使用的方法。
美国ASME标准中，在考虑塑性和蠕变的影响而对应力进行修正时尚有一些因素没有考虑到，从而发现一些缺陷而不得不引入应力下限的限制，其修正后的应力与非弹性应力分析的结果比较尚有较大误差，且结果非常保守。
清华大学对此做了细致的研究，提出一种新的修正方法，改善了美国ASME标准存在的缺陷，这也是该课题研究建议使用的方法。
但由于简化的基于弹性分析的方法非常保守（可从后文的实例分析中看到），常常使一些结构在进行寿命评定时不能通过，因此，为改善这种情况，清华大学进一步提出了基于简化非弹性分析的方法，结果与三维有限元的详细弹塑性到蠕变分析结果非常接近。
然而，在工程计算中非专业人员有时难以掌握。若需采用此方法，需做进一步的研究工作，或者编制计算机应用程序，以便于工程的实际应用。
5 材料特性
我国对锅炉耐热材料(如12Cr1MoV)的高温性能，尤其是材料的高温蠕变性能的研究资料非常缺乏。为了开展锅炉承压部件高温寿命分析工作的需要，东锅公司委托西南交通大学等单位进行了12Cr1MoV材料的高温蠕变及蠕变与疲劳的交互作用的研究，填补了国内空白，并得到了有实用意义的结果，即：
(1)在12Cr1MoV管子对接焊焊材部位取样的试样，先进行蠕变试验后进行蠕变与疲劳交互作用试验的情况下，得到蠕变与疲劳的交互作用呈正相关性的结果，即有
D c＋Df < 1(1)
式中，Dc为累积蠕变寿命损耗，Df为累积疲劳寿命损耗。
将试验结果进行适当的回归处理，可得到如图所示的Dc与Df的包络线，与ASME规范给出的2.1/4Cr1Mo的特性曲线相比，有一定的相似规律。
(2)在12Cr1MoV管子母材部位取样的试件，几种不同的试验工况及其它情况下，得到蠕变与疲劳的交互作用呈负相关性的结果，即有
Dc＋Df >1(2)
根据我国电站锅炉的实际运行情况，新机组投运后的最初几年一般是带基本负荷运行，然后再参与电网调峰运行。锅炉高温部件实际上先产生了蠕变损耗，然后再产生疲劳与蠕变的混合寿命损耗。高温部件的焊材部位是更容易产生破坏的，理应将其作为部件寿命评定的考核部位。因此，可将图中12Cr1MoV的蠕变与疲劳交互作用曲线作为寿命损耗的评定曲线。该曲线取试验数据的下限值，偏于安全。
该项研究还获得了12Cr1MoV材料的高温蠕变特性曲线并拟合出蠕变速率与应力、温度、时间的数学公式。然而，该公式中的系数与应力、温度等参数有关，在具体的应力水平和温度下难以确定，因此尚不能运用于工程计算。在实际的计算中，建议采用2－1/4Cr1Mo材料的蠕变规律予以替代，其蠕变规律如下式所示：
式中，T0为绝对温度，对运行温度T，有T0=T＋460；常数F，B的值如下面表所示：
另外，该课题通过多方面收集，建立了BHW35、SA299、19Mn5、19Mn6、A20G、12Cr1MoV、2－1/4Cr1Mo等锅炉常用钢村的材料性能数据库，并可由软件直接调用。
6 寿命评价方法
材料的寿命损耗分为疲劳寿命损耗和蠕变寿命损耗两部分。通过应力分析的数据，即可进行寿命计算及评定。
6.1 疲劳寿命
疲劳损伤，主要是低周疲劳损伤，在已知交变应变幅ε t的条件下，ε t可通过前面的各种方案计算。查找材料的疲劳设计曲线从而找到对应于的材料的允许循环次数(N i)。累积疲劳损伤由Miner法则确定：
Σ(1/N i)(5)
其中，N i为对应于工况i的交变应变幅ε t的允许循环次数。
6.2 蠕变寿命
当已知材料在运行状态下所承受的温度T和应力水平Sr以及持续的时间dt，则可从材料的持久强度曲线查出对应的材料允许持续时间Tr。累积蠕变损伤可由Robinson法则确定：
Σ(dt/Tr)(6)
其中，dt为时间间隔，Tr(Sr，T)为材料在应力Sr和温度T下的允许持续时间，为应力Sr和温度T的函数。
对实际的温度T，Tr(S，T)可通过LarsonMiller参数方程进行计算：
其中， C是一材料常数；P为LarsonMiller参数，只与应力水平有关而与温度值无关。
6.3 累积疲劳到蠕变交互作用寿命损耗及评定准则
当高温部件承受疲劳到蠕变交互作用时，结合Miner和Robinson的线性叠加方法，累积寿命损伤可按下式计算：
其中，B为疲劳到蠕变交互作用系数；D为疲劳到蠕变交互作用寿命损耗的容许值，与疲劳、蠕变损伤比例有关，由材料的疲劳到蠕变损伤的包络线确定(见图)。
如前所述，对于12Cr1MoV管子母材，交互作用呈负相关，即B< 0，此时D>1；而对于12Cr1MoV接管的焊接材料，交互作用呈正相关，即B> 0，此时D <1。从电站锅炉运行的实际出发，取B> 0的情况，从而，高温承压部件在疲劳到蠕变交互作用下的寿命损耗评定准则如下：
式中，D的具体数值可从图中的曲线查取。
若满足上式的条件，则判定该部件在服役期内按设计工况下运行，具有足够的寿命且能够安全运行；反之，则否。
7 各种计算方法的比较
为考察寿命损耗计算时应力分析的几种方法的精度，对同一问题作了计算。
以三通作为算例。其尺寸为主管内径360mm，壁厚125mm；材料假设为2－1/4Cr1Mo；工作压力为P17.38MPa；介质温度为540℃。假设在30万h的运行期间内共有200次冷态启动，分别用三维弹塑性到蠕变应力分析程序(TAP)、DBC-CREPLACYL和基于弹性分析的方法等作了分析。计算结果如下：
详细的三维有限元弹塑性到蠕变循环应力分析的结果可认为是比较准确的，但该计算方法耗时较多，一般不采用。
一维模型的弹塑性到蠕变循环应力分析方法(DBC-CREPLACYL)与之非常接近，且略偏于安全，同时，该程序则需输入的参数均为工程常用的设计参数，非常便于应用，且耗时较少。
简化非弹性分析方法也与三维有限元弹塑性到蠕变循环应力分析的结果较为接近，但该方法对非专业人员而言，一些参数的计算尚难于掌握。
ASME N47标准推荐的计算方法有计算过程简单的优点，但结果非常保守，为详细分析结果的3倍以上。
经改进后的基于弹性分析的简化计算方法，计算结果有了较大的改进，计算过程也简单而适用，仍然偏于保守。
总之，基于弹性分析的简化计算方法较为简便，进行寿命损耗分析时，可首先采用；如果不能通过，则可采用一维模型的弹塑性到蠕变循环应力分析方法；如果仍然不能通过，则必须在设计上对部件的尺寸等因素予以改进或调整其设计的使用期内的运行工况。
8 应用实例
高温部件寿命损耗分析方法，主要在2个方面可直接应用于工程实际。
8.1 锅炉高温部件寿命考核计算及寿命评定
在电站锅炉工程投标的技术性能中，以及在对已投运多年的机组的锅炉高温部件的寿命损耗评定中，都需要用本项目提出的方法，对高温部件进行寿命损耗较核计算。
作为实际工程问题，以某电厂锅炉机组运行的锅炉高温过热器出口集箱三通为例。其尺寸为主管内径360mm，壁厚125mm；材料为12Cr1MoV；工作压力P为17.38MPa；介质温度为540℃。设计运行工况为在20万h的运行期间内共有200次冷态启动，其它温态启动和热态启动的次数暂不考虑。由于缺乏12Cr1MoV材料在高温下的蠕变规律，暂用2－1/4Cr1Mo的蠕变规律替代。
根据第7节中的比较分析和推荐的步骤，首先用基于弹性分析的方法进行评定。计算结果为，累积疲劳寿命损耗Df=累积蠕变寿命损耗Dc=损伤、DBC-CREPLACYL累积疲劳寿命损耗Df=3.6×10－6累积蠕变寿命损耗Dc=0.147，允许累积寿命损耗值为D=0.999 905，由Dc＋Df < D可知评定结果为合格。
还可看出，对高温部件而言，累积疲劳寿命损伤Df在总的寿命损耗中所占比例较小，蠕变寿命损耗值是导致高温承压部件失效的主要原因。因此，在电站锅炉的实际运行时，应严格控制蒸汽温度这一运行参数，防止超温。
8.2 锅炉启动、停炉曲线的制订
通常，电厂用户对发电机组在服役期限的运行方式作出了明确的规划。对冷态启动、温态启动、热态启动、变负荷运行、甩负荷运行等工况的次数都提出了明确的要求。在通过了寿命损耗校核计算后，可对各种工况下的寿命损耗分配给出合理的限制值。机组正式投运后，为了确保各种工况下锅炉承压部件的寿命损耗累积值不超过上述的限制值，将锅炉的寿命损耗控制在安全的范围内，就必须对每一工况运行参数的变化作出合理的控制，除了须严格控制汽温数值以防超温外，特别是在启动，停炉，变负荷时的汽压、汽温、负荷的变化速率是最重要的控制参数。
在锅炉稳定运行的情况下，当严格控制了蒸汽温度时，可认为在设计服役期内，锅炉承压部件的累积蠕变寿命损耗值为确定值；而累积疲劳寿命损耗值则可通过控制锅炉各种启停和变负荷运行工况的系数以及汽压 汽温、负荷的变化速率而得到控制。因此，通过确定合理的启动、停炉曲线，可以在一定程度上降低锅炉承压部件的累积寿命损耗值。
根据“有限寿命损耗合理分配”的原则，采用基于弹性的简化寿命损耗计算方法，再将应力(应变)控制量转化为温差、压力等运行参数的控制量，即可计算出锅炉的启动、停炉及变负荷曲线。该项目已编制出了相应的计算程序，制订的启动、停炉曲线偏于安全。计算出的启动、停炉及变负荷运行参数变化曲线，对电站锅炉运行有实际的指导作用。电厂每个班次在运行时都将汽温、汽压等参数及其变化速率控制在允许的范围之内，一方面可确保将锅炉承压部件的寿命损耗值控制在安全的范围以内，另一方面还可为电厂班次运行的小指标考核提供依据。
9 结论及建议
该项目通过对锅炉高温部件寿命的分析研究，制订了一套完整的计算方法，同时，成功开发了锅炉高温承压部件的三维有限元蠕变到疲劳寿命损耗计算程序(TAP6)和简化的一维蠕变到疲劳寿命损耗计算程序(DBCCREPLACYL)，并提出了相应的应力计算和寿命评定建议方案。综合成果，给出以下的结论和建议：
(1)制订的锅炉高温部件寿命分析计算方法可直接应用于工程问题。
(2)对三通和弯头类管接头的系列化应力分析得到了该类型管接头在内压作用下的应力集中系数和内外温差作用下的应力集中系数，可直接用于考核点的弹性应力计算。
(3)12Cr1MoV材料的疲劳到蠕变交互作用特性可初步用于该材料的寿命评定。
(4)锅炉启动、停炉曲线计算程序可用于锅炉的启动、停炉曲线计算，且偏于安全。
(5)蠕变寿命损耗的计算需材料的蠕变规律，计算方法采用的是ASME材料2－1/4Cr1Mo的蠕变规律，将会产生一定的误差，建议进一步对12Cr1MoV材料的蠕变规律进行研究。
(6)12CrMoV材料的疲劳到蠕变交互作用特性的数据点不很多，因此在可能的条件下需进一步研究。
10 致谢
本文的工作由笔者和项目组的陈杰富、张军、刘洪杰、奚正稳等10多人共同完成，得到了公司领导和其他同事的支持，在此一并致谢。
