高溫容器蠕變損傷評估方法研究及程序開發(fā)

鄧晶晶

（上海核工程研究設(shè)計院，上海 200233）

高溫容器蠕變損傷評估方法研究及程序開發(fā)

鄧晶晶

（上海核工程研究設(shè)計院，上海 200233）

0　引言

蠕變是高溫容器的主要失效形式之一。材料在高溫下持續(xù)長期受載，會緩慢地產(chǎn)生蠕變變形。這種蠕變的積累會導(dǎo)致宏觀的永久變形，從而出現(xiàn)蠕變斷裂或松弛。對在蠕變溫度以下使用的壓力容器，由于使用的鋼材具有一定的韌性，可以不考慮其應(yīng)變極限。但在工作溫度超過一定溫度時，高溫下材料的等時應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨時間增加而下降，設(shè)備內(nèi)的蠕變應(yīng)變不斷增加，應(yīng)力不斷降低，產(chǎn)生“蠕變棘輪”，嚴(yán)重時會導(dǎo)致蠕變斷裂。當(dāng)高溫容器承受運行工況產(chǎn)生的交變應(yīng)力時，材料在高溫下的蠕變效應(yīng)與交變載荷作用下的疲勞效應(yīng)交互作用，則有可能產(chǎn)生蠕變和疲勞的組合損傷。因此，開發(fā)高溫壓力容器的在線壽命監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測和評估重要部件的完整性，對提高設(shè)備運行安全性、可靠性和經(jīng)濟性具有十分重要的意義。為開發(fā)高溫壓力容器的在線壽命監(jiān)測系統(tǒng)，有必要研究一種適合于實時監(jiān)測和在線分析的高溫壓力容器蠕變損傷評估方法并實現(xiàn)程序開發(fā)。

本文介紹了基于ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范的彈性分析，進(jìn)行彈塑性和蠕變修正的高溫壓力容器蠕變損傷評估方法，并在LabVIEW平臺上開發(fā)了蠕變損傷計算程序。通過厚壁承壓圓筒實例計算，比較了蠕變損傷計算程序與ANSYS有限元程序和解析法三者的計算結(jié)果，從而對蠕變損傷評估方法和計算程序的合理性和保守性進(jìn)行驗證。

1　蠕變基本方程

依據(jù)蠕變時效理論，材料的蠕變規(guī)律如式（1）：

式中，Γ為切應(yīng)變強度，T為切應(yīng)力強度，G為切向彈性模量。

m為蠕變指數(shù)，Ω1（t）為蠕變后效曲線，由材料試驗得到，與材料、溫度有關(guān)。

圖1至圖4給出了某材料在某溫度下的 Ω1（t）、B1（t）和蠕變、松弛曲線的示意圖。

2　蠕變評估方法

高溫容器蠕變損傷分析以ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范提出的彈性分析方法為依據(jù)，在以線彈性方法求解得到設(shè)備中溫度引起的熱應(yīng)力和內(nèi)壓引起的機械應(yīng)力的基礎(chǔ)上，對應(yīng)變幅進(jìn)行多軸塑性和泊松比修正，根據(jù)等時應(yīng)力-應(yīng)變曲線確定應(yīng)力松弛歷史，從而計算相應(yīng)時間內(nèi)的蠕變損傷。最終根據(jù)最小斷裂曲線進(jìn)行蠕變分析和評定，確定相關(guān)時間內(nèi)的蠕變損傷系數(shù)。

蠕變損傷分析評定流程如圖5所示。

圖1　Ω1（t）曲線示意圖

圖2　B1（t）曲線示意圖

圖3　蠕變曲線示意圖

圖4　松弛曲線示意圖

圖5　蠕變損傷分析評定流程圖

3　程序驗證

按照上述蠕變損傷評估方法，在LabVIEW平臺上開發(fā)了蠕變損傷計算程序。為驗證計算程序計算結(jié)果的合理性、保守性和計算速度，對如圖6所示厚壁承壓圓筒模型，分別運用蠕變損傷計算程序和ANSYS有限元程序，以及解析法進(jìn)行計算，并將程序計算結(jié)果和理論解進(jìn)行比較。

圖6　厚壁承壓圓筒模型示意圖

厚壁承壓圓筒模型的外半徑Ro與內(nèi)半徑Ri之比為2，內(nèi)壓P0取100 kg/cm2，材料取鉻鎳鎢鋼，即800℃時，蠕變指數(shù)m為4，彈性模量E為0.755×106kgf/cm2，Ω1（t）和B1（t）表達(dá)式如式（3）和式（4）所示。

隨著時間t增加，B1（t）趨近于常數(shù)，B1（t）=9.52×10-15，Ω1（t）=B1t=9.52×10-15t。

對該厚壁承壓圓筒模型，采用上述參數(shù)，蠕變損傷計算程序與解析法、ANSYS有限元程序計算得到的t= 100 hr時刻圓筒內(nèi)壁的蠕變切應(yīng)變強度Γc、彈性切應(yīng)變強度Γe和切應(yīng)力強度T比較見表1。

厚壁承壓圓筒內(nèi)壁的蠕變切應(yīng)變強度Γc、彈性切應(yīng)變強度Γe和切應(yīng)力強度T的時程曲線分別見圖7、圖8和圖9。

表1　解析解、有限元解和計算程序解的比較（t=100hr）

比較蠕變損傷計算程序的計算結(jié)果和解析法、ANSYS有限元程序的計算結(jié)果，計算程序的計算結(jié)果是偏保守的。

在厚壁承壓圓筒模型的計算中，蠕變損傷計算程序和有限元程序假設(shè)B1（t）為常數(shù)，即B1（t）取時間t趨于無限大時對應(yīng)的值，在蠕變應(yīng)變速率與解析解比較時造成在蠕變初期形成一定的誤差，但隨著時間t的增加，計算程序和有限元程序解的蠕變應(yīng)變速率與解析解趨于一致。

在蠕變損傷計算程序的計算過程中，因為缺少材料鉻鎳鎢鋼的等時應(yīng)力-應(yīng)變曲線數(shù)據(jù)，所以省略了彈塑性修正和多軸應(yīng)力和泊松比修正的步驟，直接根據(jù)輸入的彈性分析的應(yīng)力計算結(jié)果計算初始應(yīng)力；而實際上應(yīng)力會隨時間增加而變小。省略彈塑性修正和蠕變修正導(dǎo)致蠕變損傷計算程序的計算結(jié)果與解析解比較誤差較大，在考慮彈塑性修正和蠕變修正后誤差應(yīng)會明顯減小。

圖6　蠕變切應(yīng)變強度計算結(jié)果比較

圖7　彈性切應(yīng)變強度計算結(jié)果比較

圖8　切應(yīng)力強度計算結(jié)果比較

此外，在蠕變損傷計算過程中，應(yīng)變幅、初始應(yīng)力查材料的等時應(yīng)力-應(yīng)變曲線確定，允許持久時間查材料的最小斷裂曲線確定，因此，計算結(jié)果的精度和材料等時應(yīng)力-應(yīng)變曲線和最小斷裂曲線的準(zhǔn)確性密切相關(guān)。規(guī)范給出的材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和最小斷裂曲線相對都偏保守。

4　結(jié)語

蠕變損傷計算是高溫壓力容器壽命監(jiān)測中的重要內(nèi)容，是對高溫承壓設(shè)備進(jìn)行有效壽命評估和剩余壽命管理的基礎(chǔ)之一。本文依據(jù)ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范提出的損傷分析和壽命計算方法，在彈性分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行高溫壓力容器的蠕變分析，對應(yīng)變幅進(jìn)行彈塑性修正和引入多軸應(yīng)力和泊松比調(diào)整因子進(jìn)行修正，從而確定應(yīng)力松弛歷史，進(jìn)而計算相關(guān)時間內(nèi)的蠕變損傷。

按照上述方法，在LabVIEW平臺上開發(fā)了蠕變損傷計算程序。通過對厚壁承壓圓筒模型的實例計算，將蠕變計算程序的計算結(jié)果和解析法、ANSYS有限元程序的計算結(jié)果進(jìn)行了比較，計算程序的計算結(jié)果是偏保守的，驗證了蠕變損傷評估方法和LabVIEW編制的蠕變計算程序的可靠性和保守性，滿足高溫壓力容器壽命監(jiān)測的要求。

Creep Damage；Evaluation Method；Program Development

Evaluation Method Research and Program Development for Creep Damage in High Temperature Vessel

DENG Jing-jing
（Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute，Shanghai 200233）

1007-1423（2015）22-0007-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.22.002

鄧晶晶（1980-），男，江西鷹潭人，工程師，研究方向為壓力容器分析法設(shè)計

2015-07-14

2015-07-31

蠕變損傷是高溫容器的主要破壞因素之一。為開發(fā)高溫壓力容器在線壽命監(jiān)測系統(tǒng)，對基于彈性分析進(jìn)行彈塑性和蠕變修正的蠕變損傷評估方法進(jìn)行研究，并在LabVIEW平臺上開發(fā)蠕變損傷計算程序。通過對厚壁承壓圓筒實例的計算，比較解析法、ANSYS有限元程序和蠕變損傷計算程序三者的計算結(jié)果，驗證蠕變損傷評估方法和蠕變損傷計算程序能夠滿足壽命監(jiān)測的要求。

蠕變損傷；評估方法；程序開發(fā)

［1］鄧晶晶，賀寅彪．疲勞壽命監(jiān)測系統(tǒng)中瞬態(tài)溫度場、應(yīng)力場差分計算程序的開發(fā)［J］．核電工程與技術(shù)，2005，1：3-9.

［2］ASME BPVC-III-1-NH-2001，ASME bolier and pressure vessel code，section III，division 1，subsection NH class 1 components in elevated temperature service［S］．New York：The American Society of Mechanical Engineers，2001.

Creep damage is one of the main failure factors of high temperature vessels.Presents the analysis method which is based on the elastic analysis with elastoplastic and creep modification，and relevant program which is compiled by LabVIEW development platform for creep damage in the lifetime monitoring system for high temperature vessel.Verification to the evaluation method and computation program is made by comparing analytical，ANSYS and LabVIEW results.The evaluation method and computation program are capable and prediction of the residual lifetime.