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1、山东电力技术2000年第1期(总第111期)电站锅炉主要承压部件疲劳寿命的计算要点Fatigue Life Calculation Essentials of Principal Pressure Parisfor Utility Boiler(250023)济南锅炉集团有限公司刘敬之孙波肖良(150046)哈尔滨锅炉有限责任公司 程丰渊摘要对电站锅炉主要承压部件疲劳寿命的计算要点进行一些说明.以使用户和设备设计制造部门有一个统一的评价标准。 关键词疲劳寿命荷载谱总应力计算应力循环匹配应力幅设计疲劳曲线9 1994-2010 China Academic Journal Electronic
2、Publishing House. All rights reserved, 山东电力技术2000年第1期(总第111期)9 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 山东电力技术2000年第1期(总第111期)1决定疲劳寿命计算可靠性的因素决定疲劳寿命计算可靠性的因素很多,但主要 的有以下三条：(1) 科学完整地确定荷载谱即各种运行工况 及次数的确定。它要根据实际运亍情况的记录进 行归纳，制定出與型曲可哄计郭的工况过程和该工 况每年出现的次数。(2) 应力分量的正确计算
3、与合成。这是一件非 常复杂而又不太容易搞准的事情，必须具有丰富的 力学知识.而且又对运行工况非常孰悉的人才能完 成这项任务。在某些情况下.也只能做些简化计 算。(3) 设计疲劳曲线的制定和选取。下面将对这三个问题进行详细说明。2荷载谱的确定荷载谱既包括工况类别又包括每种工况的次 数和每个工况的完成所占用的时间。电站锅炉受压部件的设计寿命一般是按30年 考虑的，但真正对寿命起作用的不是时间的长短, 而是各种工况的应力振幅和次数。因此，时间、工 况和次数必须统一考虑在计算中不能互相矛盾o 有的单位既提出设计寿命30年又提出各种工况 的次数，但却忽略了每次工况的完成是要占用一定 时间的。实际上在设计
4、寿命按30年考虑的情况 下对某些工况的次数是有限制的。但在过去的一 段时间里许多人没有考虑到这一点，致使对寿命 的提法出现了非常混乱的情况。本文对每一种工 况都在时间上给了一些表述希望有助于统一大家 的认识。根据大量的统计资料可以归纳出以下十种工况1:(1) 冷态起动大小修后及其他停炉3天以上 的全冷状态。按每年5次计算,30年的启停次数 共150次。Q次修按2年1次,30年共15次每次大概用 45天.在整个设计寿命内，大修所占用的时间为 675 天。卜修按1年1次,30年共30次每次用时间 10天共用时间300天。Q涂下的105天.每次按3天计算.共用时间 315 天 o全部冷态启动所占用的
5、时间就为1 290天。 由此可见,30年内冷态启动定为150次.还是太多 了。一般确定30年内冷态启动100次就够了。 100次占用的停炉时间为1 140天。(2) 温态启动，一般是停炉2天锅筒保持一定 的压力，30年按1 000次计算.合计停炉时间为 2 000天。周休2天制即为这种工况。(3) 热态启动，一般是停炉8小时锅筒保持更 高的压力30年按4 000次计算.停炉占用时间为1 333天。白天工作制即为这种工况。(4) 极热态启动.停炉2小时.锅筒基本上保持 正常工作压力，30年按150次.停炉所占用的时间 为12天。以上4种工况所占用的总时间为4 485天。30年共10 950天除去
6、以上4种工况所占用 的时间外 还剩6 465天，这就是锅炉实际运行的 天数。(5) 滑参数变负荷运行每年5次,30年共150 次。甩负荷时锅筒压力按锅筒正常工作压力的 1.08倍计算海年3次.30年90次。上限已知但9 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 山东电力技术2000年第1期(总第111期)9 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved,
7、山东电力技术2000年第1期（总第111期）j4T = nZT i1 - U= wZT(10)(11)3.3下限可能有多种情况。(6) 工作压力水压试验按每年8次计算,30 年共240次。(7) 1.5倍的工作压力水压试验每6年1次共 5次。(8) 校安全阀.按工作压力的1 05倍计算.每2 年1次共15次。(9) 锅炉在100 9以上的状态下放水,这是使 锅筒产生最大周向壁温差的工况，如果在疲劳寿命 计算中考虑周向温差所产生的应力.就要考虑这种 工况。以上工况是根据一般运行经验设计的,根据需 要可以更改某些工况的次数。当然最后需要疲劳 寿命评定合格。3对各工况的起始状态和最终状态进行考 核点
8、的应力谷值和峰值以及主应力差振幅 的计算3.1由内压引起的应力一般是采用内压应力指数的办法来计算考核 点的应力值3。对肩部，内壁应力最大。环向应力0川切=3. 1 0即(1丿轴向应力nzp = - 0. 2 mp(2)径向应力0.“=P对腹部，外壁应力最大。环向应力如=2. 6 %轴向应力。吟=2. 1 %径向应力0“巾=0内压力所产生的薄膜应力。呵=2 S、.卩3.2由径向温差引起的温度应力径向温差引起的温度应力与升温速度有关精 确计算应当根据不稳定导热理论进行，一般可采用 无孔筒体计算结果.内壁剩以1.85的应力集中系 数外壁乘以16的应力集中系数。但是无孔筒体 的不稳定导热计算也是一件较
9、为麻烦的事。比较 实用的方法就是采用隐式六点差分格式进行计算。 启动升温过程.锅筒由内向外传热.内壁受压应力， 外壁受拉应力。停炉冷却时,锅筒由外向内传热, 内壁受拉应力外壁受压应力。对于稳定温度场.无孔圆筒的内外壁温差所引 起的温度应力为：10Q E T =1 - uL k2 - 1Ar = 72 - T是内壁温度，71是外壁温度。k _匹由周向温差所引起的温度应力由周向温差所引起的温度应力有两方面的问 题都比较复杂。(1)温度分布很复杂而且在运行过程中具有 不确定性。上下壁温差与内外壁温差不同,与升温 速度没有明确的关系。虽然通过实际测量能够找 到某些特定时刻的周向温度分布状态但却找不到
10、一个明确的随时间变化的规律。(2)周向温差对产生温度应力的规律也具有不确定性这是因为锅筒的约束条件不明确实际上 上下壁温差使锅筒产生的弯曲 不会受到太大的约 束。而温度应力只有热变形受到限制时才会产生。因此纯粹通过计算来求出上下壁温差所产生 的温度应力其变化幅度的大小是十分困难的。有 的文献对上下壁温差所产生的温度应力所做的各 种假设都缺乏理论根据和试验验证。因此本文 主张在锅筒的疲劳寿命计算中，一般可以不考虑上 下壁温差的影响。国外的一些疲劳计算标准一般 都不考虑上下壁温差的影响也不是没有道理的。要想真正反映各种运行工况下的实际应力大 小进行锅筒内外壁的应力测量 则是一个最可靠 的方法，但可
11、惜的是各种实际运行工况全过程的 锅筒内外壁的应力测量是一件非常麻烦的事情, 而且测量技术至今还不能说已经过关。3.4应力的合成所谓的应力合成指的是同一点、同一时刻的 应力合成。在不考虑上下壁温差所产生的温度应 力的情况下有：(1)肩部、内壁应力最大ob =3. 1 Jp + 1.85。血(12丿z = - 0. 2 mp 十 1. 85 fizr(13)r =P（2）腹部、外部应力最大=2. 6 % + 1.6 加（Z =2. 1 mp + 1.6 WZT（0r =0(17丿3.5主应力差的计算 必须算三个：512 = 1 - 2S23 =2 -。3（刃1 =。3 - 13.6应力振幅的计算主
12、应力差的峰值和谷值代数相减并取绝对值, 然后被2除，即得主应力差的振幅,并取三者中的 最大值作为最后用于疲劳寿命计算的主应力差的 振幅。但是主应力差的峰值和谷值的代数相减并 不是在同一个荷载循环中进行而是要对不同起点 的循环进行叠加。即对所有荷载循环所算出来的 主应力差的峰值和谷值进行循环的重新匹配。从 最低的谷值和最高的峰值匹配开始.最后是最高的 谷值和最低的峰值匹配。构成几个新的循环。并 求出各个新的循环的最大主应力差振幅。用这些 主应力差振幅根据给定的设计疲劳曲线进行疲劳 寿命计算。4设计疲劳曲线的选取国内认为比较典型的设计疲劳曲线有英国标 准BS55OO .美国标准ASMR锅炉及压力容
13、器规范 和德国标准TRD301 o其中英国标准BS55OO和美 国标准ASME规范计算程序相同.但设计疲劳曲线 差别很大。在荷载谱和应力计算完全相同的情况 下用美国ASME规范中的设计疲劳曲线计算出来 的寿命消耗一般不到用英国标准BS55OO中的设计 疲劳曲线计算出来的寿命消耗的二分之一。对美 国的设计疲劳曲线，早几年国内外都有过评论，认 为它的安全余量不够。有的资料上提出锅筒的设 计寿命不能大于50 % 这种说法严格地讲是不对 的。这和强度设计一样最好的设计应当是按许用 应力把材料用足。对于疲劳设计，最好的设计应当 是在设计寿命内按设计疲劳曲线寿命消耗为 100%。之所以会出现设计寿命消耗不
14、能大于 50 %的说法大概都是针对美国ASME规范的设计 疲劳曲线进行寿命计算而言的。如果是这样这倒 是有道理的。总之设计疲劳曲线，各个标准都有一些差异, 有时差异还很大。因此，当你谈到疲劳寿命是多少 的时候，一定要说明你所用的设计疲劳曲线的实际 安全度。根据各个循环的主应力差振幅在设计疲劳设 计曲线上査出对应的循环次数而给出的该种 循环实际循环次数为山。若满足以下累积损伤方程即为疲劳寿命验算 合格。7?1H2Hp+十NiN2心（根据已往的经验用ASME曲线取A =0.5.用英国曲线，取4 = 1.是足够安全的。口参考文献1JASME（锅炉及压力容器皿2压力容器-另一规则门程丰渊等锅炉汽包上下
15、壁温差在寿命计算中作用的研 究锅炉制造3程丰渊00 MW自然循环与控制循环锅炉主要承压部件 设计寿命内起停次数简明计算方法与程序1991年哈锅内部资 料（收稿日期:1999 - 0902） 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 山东电力技术2000年第1期（总第111期） 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 山东电力技术2000年第1期（总
16、第111期）（下接第63页）送电损主：电力在通过输送行程时有一部分作为热力 逃逸（称为电力损失）输送行程越长这种损失就越长。2 用电量不同差异电表、费计算.电费受取、电线及计量器等费用用电量 越多，每1/kWh的价格就越低，因此，电费也产生差异。3使用时间、李节不同的差异发电设备、送电设备变电设备等必须根据用户使用 的最大电力提前做好准备。因此用户在用电少的夜间多 用电呢还是在用电多的夏季集中用电呢？或者是昼夜、年 间都平均使用呢？根据使用状态的不同，电费也矣产生差 异。（吴美艳根据九州电力内部资料提供） 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 山东电力技术2000年第1期（总第111期） 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 山东电力技术2000年第1期（总第111期）11 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved,
电站锅炉主要承压部件疲劳寿命的计算要点
