（化工过程机械专业论文）电厂锅炉汽包低周疲劳寿命评估技术及压力管道结构分析研究.pdf

摘要 摘要 f 锅炉承压部件( 汽包等) 及压力管道在交变载荷和其它因素作用下发生疲劳破坏 是二稀雨了i 。唳+ 效方式本文殴再广一i i h w - 3 s 钢制造的4 1 0 t h 锅炉汽包和电厂 1 2 c r m o v 压力弯管作为研究对象，在获得实验数据的基础上，建立了一套较为完整 的低周疲劳寿命分析方法，主要研究内容如下： 在b h w - 3 5 钢及焊缝材料总应变控制低周疲劳试验基础上，采用概率统计分析方 法对实验数据进行分析，得到母材和焊缝材料的p s n 曲线。， 哿焊缝材料的虚拟 应力幅与寿命关系，按照a s m e 和b s 5 5 0 0 规范的方法分析得到b h w - - 3 5 钢疲劳设 计曲线，并与a s m e 和b s 5 5 0 0 规范中的设计曲线进行比较，为我国调峰机组4 1 0 t h 锅炉汽包疲劳设计提供可靠的实际依据。设计模拟汽包进行应力测试，并与美国 a s m e 规范和经验公式计算值、有限元计算结果进行比较，为后续的低周疲劳寿命估 算时交变应力幅值的确定提供依据。、 对b h w - 3 5 钢焊缝材料进行表面裂纹扩展试验研究，得到裂纹的扩展形貌变化规 律，并对其疲劳扩展寿命进行预测研究，为汽包下降管角焊缝部位的表面裂纹扩展寿 命预测提供依据，同时也确定了其表面裂纹扩展的i 临界值。在上述研究的基础上，建 立了4 l o t h 锅炉汽包的低周疲劳寿命分析与预测的方法。 利用叠加模型，提出椭圆截面变厚度弯管承受内压时的应力计算力学模型，并通 过两支弯管的实验得到验证。通过1 2 c r m o v 弯管的低周疲劳试验，建立承受内压弯 管的疲劳裂纹扩展寿命预测方法。 综合国内外各种损伤力学耗散势研究，提出一种新的耗散势模型，并用弹性模量 下降法来描述损伤变量，发现提出的模型与实验数据符合良好，为损伤力学应用到锅 炉汽包疲劳寿命的分析做了一些初步探索。最后本文用v i s u a lc + + 开发一套适用于锅 炉承压部件( 汽包为代表) 的疲劳寿命评估分析系统。 【本文创新点为：在b h w - 3 5 钢的p - - s - - n 曲线及d a d n 扩展规律的试验研究基 础上? 提出了4 1 0 t h 锅炉汽包的低周疲劳寿命分析与预测方法；建立了一种椭圆截 面变厚度弯管承受内压时的应力计算力学模型，通过压力弯管的疲劳试验，本文推荐 其低周疲劳扩展寿命预测方法：将损伤力学应用到锅炉汽包疲劳寿命预测做了初步的 探索。、) 关键词：锅炉，汽包，管道，低周疲劳，。疲劳寿命? 损伤力学。 a b s t r a c t a b s t r a c t f a t i g u ef a i l u r ei nt h ep o w e rp l a n tb o i l e rd r u m a n d p r e s s u r ep i p i n gi st h ec o m m o n f a i l u r e w h i c hc a u s e db yf a t i g u el o a d i n ga n do t h e r s o nt h eb a s i so ft h ee x p e r i m e n t a ls t u d i e so f l o w c y c l ef a t i g u e ，p e r f o r m e do nt h eb h w - 3 5p o w e rp l a n t b o i l e rd r u ma n d1 2 c r m o v p r e s s u r ep i p i n gr e s p e c t i v e l y , t h ef a t i g u e l i f ee v a l u a t i o nm e t h o d sa r ee s t a b l i s h e di nt h i s p a p e r a l ls t u d i e sc a n b ec o n c l u d e da sf o l l o w s p s nc u r v e so fb h w 3 5s t e e la n do fi t sw e l dm e t a la r eo b t a i n e dw i t ht h et o t a ls t a i n c o n t r o l l e dl o w c y c l ef a t i g u et e s ta n dt h ep r o b a b i l i t ya n ds t a t i s t i cm e t h o d t h er e l a t i o n s b e t w e e nt h ed u m m ys t r e s sa m p l i t u d ea n df a t i g u el i f ec a nb ee a s i l yd e v e l o p e da n dt h e n ， t h eb h w - 3 5s t e e lf a t i g u ed e s i g nc u r v ec a nb eo b t a i n e da c c o r d i n gw i t ha s m e c r i t e r i o na n d b s 5 5 0 0c r i t e r i o n c o m p a r e dw i t ht h ed e s i g nc u r v e sp r o v i d e db yt h ea s m ea n db s 5 5 0 0c r i t e r i o n ，t h e c u r v eg o ti nt h i sp a p e rp r o v i d e sr e l i a b l ed i r e c t i o nf o rt h ef a t i g u ed e s i g no fb o i l e rd r u m ， w h i c hu s e do nt h ea l t e r i n gg e n e r a t i n gp o w e r p l a n ts e t s t r e s sc o n c e n t r a t i o nm e a s u r eo n t h e m o d e lo fb o i l e rd r u mw i t ht w on o z z l e sw a se x e c u t e da n dt h et e s t i n gr e s u l t sw e r ec o m p a r e d w i t ht h ea s m ec r i t e r i o n ，e x p e r i e n t i a lv a l u ea n dt h ev a l u eo ff i n i t ee l e m e n tm e t h o d r e s p e c t i v e l y t h i sm e a s u r e m e n t r e s u l tp r o v i d e sd i r e c t i o nf o re v a l u a t i o no fs t r e s sa m p l i t u d e w i t ht h ee x p e r i m e n to fs u r f a c ec r a c kg r o w t ho fb h w - 3 5w e l dm e t a l t h el a wo ft h e s u r f a c ec r a c ks h a p ev a r i a t i o nw h e ni t g r o w sw a so b t a i n e d a n dt h e1 a wo fs u r f a c ec r a c k g r o w t h r a t ew a sa l s og o t t e n t h e s ed i r e c tt h ee v a l u a t i o no ft h es u r f a c ec r a c kf a t i g u eg r o w t h l i r ea n dt h ec r i t i c a lv a l u eo fi t sl e n g t h o nt h eb a s i so fa l lt h e s er e s e a r c h t h em e t h o do f l o w c y c l ef a t i g u el i f ea n a l y s i sa n de s t i m a t i o nf o r4 1o t hb o i l e rd r u mw a ss e tu d w i t ht h es u p e r i m p o s em o d e l t h ef o r m u l ao ft h es t r e s sc a l c u l a t i o no ft h ee l b o w sw i t h e l l i p t i c s e c t i o na n dn o n u n i f o r mt h i c k n e s sw a sp r o p o s e di n t h i s p a p e r t h e f o r m u l ai s v e r s i f i e db yt h ee x p e r i m e n to ft w oe l b o w s t h ef a t i g u et e s to ft h e12 c r m o vs t e e lp r o v e d t h em e t h o do f e v a l u a t i o nt h ef a t i g u eg r o w t hl i f eo f t h ee l b o w ss u f i e r i n gi n t e r n a lp r e s s u r e t h em o d e lo fe x h a u s t i o np o t e n t i a li sr e v i e w e da n dan e we x h a u s t i o np o t e n t i a im o d e l i s s u g g e s t e d y a n g se l a s t i cm o d u l u sd r o pi su s e dt od e s c r i b ed a m a g ev a r i a b l e t h ep r o p o s e d m o d e l i sf o u n dt oa c c o r dw i t he x p e r i m e n t a ld a t a t h e s ea r ee l e m e n t a r ye x p l o r a t i o nf o rt h e u s eo f d a m a g e m e c h a n i c so nt h e f a t i g u e l i f ee v a l u a t i o no ft h e p r e s s u r es u f f e r i n g c o m p o n e n t so fb o i l e rs u c ha sb o i l e rd r u m a n dt h e nas o f t w a r es y s t e mw a sd e v e l o p e d u n d e rv i s u a lc + + e n v i r o n m e n tf o re v a l u a t i o nt h ef a t i g u el i f eo fb o i l e rd r u m t h e s es t u d yc a nb ec o n c l u d e da s f o l l o w i n g ：o nt h eb a s i so ft h eb h w - 3 5s t e e lp s n c u r v ea n di t sd a d ng r o w t hl a w , t h em e t h o do fl o w c y c l ef a t i g u el i f ee v a l u a t i o no f 4 0 1t h b o i l e rw a sp r o p o s e d a n dam e c h a n i c sm o d e lw a ss u g g e s t e df o rc a l c u l a t i n gt h es t r e s so f i n t e r n a lp r e s s u r es u f f e r i n ge l b o w w i t ht h ee l b o wf a t i g u et e s t ，am e t h o do fe v a l u a t i o nt h e f a t i g u eg r o w t hl i f e o f p r e s s u r es u f f e r i n ge l b o w i sr e c o m m e n d e d ；a n dt h ee l e m e n t a r yu s eo f d a m a g e m e c h a n i c so nt h ef a t i g u el i f ee v a l u a t i o no f t h eb o i l e rd r u m k e yw o r d s ：b o i l e r , d r u m ，p i p i n g ，l o w c y c l ef a t i g u e ，f a t i g u el i f e ，d a m a g em e c h a n i c s 第一章绪论 锅炉作为一种基本的动力机械，是热能生产与能量转换过程中不可缺少的重要大 型工业装备，广泛应用于电力、机械、冶金、化工、纺织、造纸、食品等工业部门和 民用采暖等方面，在国民经济中占有举足轻重的地位。而压力管道在电力和石油化工 等行业中，担负着输送各种具有一定压力、温度的介质的任务，同样占有极其重要的 地位。 六十年代中期起，我国自行设计制造的4 1 0 硎的电站锅炉逐步投入使用，迄今 运行达到三十多年。据有关部门的统计，锅炉汽包集中下降管角焊缝部位的低周疲劳 失效，是最常见的恶性事故之一，一批此类锅炉因此报废而停运。就压力管道而言， 近年来失效事故发生率逐年上升，多方面的研究表明疲劳失效为主要原因之一。不管 是锅炉还是压力管道，一旦发生事故，都会危及正常生产，甚至可能引起火灾、中毒、 爆炸等恶性事故。因此疲劳失效问题是机械强度设计考虑的重点、难点。长期以来， 疲劳问题由于其越来越突出的工程意义而逐渐得到了人们更多的重视。 随着电力负荷“峰谷差”的增大，为了适应电力生产的需要，要求更多的机组再! 担调峰任务，使得锅炉汽包受频繁的交变载荷作用。此外，汽包上还存在各种形式的 高应变区，如焊接接头部位、开孔或接管的附近区域、焊缝存在缺陷的部位等，这些 区域的应力集中系数较高，其峰值应力可达到材料屈服强度的两倍以上。根据我国锅 炉汽包用钢的具体情况，深入研究锅炉汽包用钢及其焊缝材料的抗疲劳特性，建立疲 劳寿命预测评估的工程方法，具有十分重要的意义。同样对含缺陷压力管道疲劳寿命 预测方法的研究亦十分重要。 1 1 疲劳失效与低周疲劳 所谓疲劳失效是指发生在机械工程领域中的一类十分普遍的物理现象，它的基本 特征表现为材料在低于其静强度极限的交变应力( 或应变) 的持续作用下，萌生出多 种类型的内部缺陷( 如位错，滑移等) ，并逐渐演化成为宏观裂纹，以及裂纹扩展而 最终导致结构破坏的过程。 疲劳问题最早引起人们的关注是在1 9 世纪3 0 年代发生在铁路机车、路轨以及金 属桥梁的破坏现象。随着机械工业的不断发展，尤其是第二次世界大战前后，由于航 空技术的迅速兴起，疲劳强度问题的重要性也表现得愈来愈突出。 锅炉在启停或热备等循环加载的过程中，交变应力幅值较高，峰值应力已进入塑 性区，导致疲劳寿命较低，是属于循环数小于l o 次的低周疲劳失效。 低周疲劳的研究比低交变应力幅的高周疲劳要晚将近一个世纪。1 9 5 4 年美国航空 第一章绪论 和航天管理局( n a s a ) 刘易斯研究所的s s m a n s o n ( 曼森) 和l ec o f f i n ( 科芬) ， 在大量疲劳试验的基础上，提出了表达塑性应变范围与疲劳寿命间关系的 m a n s o n c o f f i n 方程，奠定了低周疲劳寿命判定的基础。 而后发展疲劳试验数据的概率统计方法，使这种判定寿命的技术更趋于可靠。上 世纪七十年代发展形成基于裂纹疲劳扩展速率p a r i s 公式的寿命判定技术，及建立在 缺口部位的非线性应力一应变特性的n e u b e r 定律 2 6 。这些研究都使低周疲劳理论上 的研究更加完善。 1 2 锅炉承压部件( 汽包为代表) 、压力管道疲劳寿命的通用预 测评估方法的发展 建立疲劳寿命预测模型的一个主要困难是如何选择裂纹萌生的定义。研究疲劳微 观机制的材料科学家可能把沿滑移带和晶界的微米尺度的裂纹形核，以及把疲劳试件 表面变粗糙视为疲劳破坏的裂纹萌生阶段。而从事实际工作的工程师则倾向于把无损 检测裂纹设备的分辨率极限与疲劳裂纹形核联系起来，在设计中把它当作裂纹设的起 始尺寸。在这一宽阔的选择范围内，存在着多种裂纹形核定义，它们分别针对疲劳的 不同工程应用。疲劳总寿命定义为萌生疲劳裂纹的循环数与裂纹亚临界扩展到某一最 后尺寸的循环数之和。根据前面关于裂纹萌生定义的讨论可以看出，在裂纹萌生和裂 纹扩展之间划出明确的分界线可能成为一件带关键性的工作1 7 】。 现在广泛使用的抗疲劳设计方法有：名义应力法，局部应力应变法，损伤容限设 计，概率疲劳设计。 1 名义应力法 以名义应力为基本设计参数的抗疲劳设计法称为名义应力法，是最早使用的抗疲 劳设计方法，也称为常规疲劳设计或影响系数法。其设计思路是：从材料的s n 曲线 出发，再考虑各种影响系数的影响，得出零构件的s - n 曲线，并根据零构件的s - n 曲线进行抗疲劳设计。当使用s n 曲线的水平段进行设计称为无限寿命设计。当使用 s - n 曲线的倾斜部分进行抗疲劳设计时称为名义应力有限寿命设计。 对于低周疲劳，其应力通常很大，足以在材料破坏之前引起明显的塑性变形，所 以通常用应变范围来描述疲劳寿命。应变描述方法( 即低周疲劳方法) 表现出很大吸 引力的一个例子是预测应力集中部位全塑性区应变场的裂纹萌生和早期扩展寿命。 为了更容易观察试验结构的规律性，并与高周疲劳曲线坐标一致，一般都采用“虚 拟应力幅”的概念，使虚拟应力幅为 2 第一章绪论 & ：三e s 式中e 为材料的杨氏弹性模量，s ，为总应变幅。根据上式就可以作出低周疲劳寿命 曲线。 由于疲劳试验数据的分散性，试样的疲劳寿命与应力水平之间的关系，并不是一 一对应的单值关系，而是与存活率p 有密切联系。用常规的方法作出的s n 曲线， 只能代表中值疲劳寿命与应力水平间的关系。要想全面表达各种存活率下的疲劳寿命 与应力水平之间的关系，必须用p s n 曲线。也就是以应力为纵坐标，以存活率p 的疲劳寿命为横坐标，所绘出的一簇存活率一应力一寿命曲线。p s n 曲线代表 了更全面的应力一寿命关系，比如在进行概率疲劳设计时，就必须使用p s n 曲 线。 2 局部应力应变法 以应变集中处的局部应力、应变为基本设计参数的抗疲劳设计方法称为局部应力 应变法。它的设计思路是：零构件的破坏是从应变集中部位的最大应变集中处起始， 并且再裂纹萌生以前都要产生一定的局部塑性变形，而局部塑性变形是疲劳裂纹萌生 和扩展的先决条件。n 止l ，决定零构件疲劳强度和寿命的是应变集中处的最大局部应 变。 3 损伤容限设计 损伤容限设计是破损一安全设计准则的体现和改进。它假定零构件内存在有初始裂 纹，以断裂力学理论为基础，以无损检测技术和断裂韧性与疲劳裂纹扩展速率的测定 技术为手段，并通过试验来校验，确保在使用期内裂纹不致扩展到引起破坏的程度， 从而有裂纹的零构件在其使用期内能够安全使用。 通用的寿命估算公式为 一da=c(k)”dn 、， 式中d a d n 为裂纹的长度与疲劳寿命的微分，a k 为应力强度因子的幅值。上式对于 不同的循环，需要使用相应的表达式，而且常数c 、脚也各有不同，需要由试验来确 定。 寿命估算时，只要通过确定常数c 、m ，并通过求取的应力强度因子的幅值k ， 将上式进行积分，确定初始裂纹和f 临界裂纹尺寸的值，就可以得到疲劳寿命的值。 第一章绪论 用上式估算寿命的方法关键是确定应力强度因子幅值k ，具体的计算方法评述 在后文中叙述。也有学者提出用全塑性j 积分来代替应力强度因子，提出了用于描述 弹塑性条件下的疲劳裂纹扩展的幂律方程d a d o c ( ) ”，式中m 是与上面的脚相类 似的常数。并认为用j 来描述尺寸与裂纹顶端塑性区尺寸相当的短裂纹的扩展，或者 来描述几乎全屈服试样中的较长疲劳裂纹的扩展，都可以得到比较满意的结果。 4 概率疲劳设计 概率疲劳设计是根据零构件的工作应力与疲劳强度相联系的统计方法而进行的 抗疲劳设计方法，是概率统计方法与抗疲劳设计相结合的产物，也称为疲劳可靠性设 计。 疲劳寿命分析是一个十分复杂的问题。由于表面光洁度、使用温度、环境戒指、 尺寸等因素的影响，可能使容器的疲劳寿命十分分散，在同一交变应力幅度下容器的 最高寿命与最低寿命相差可能达2 0 倍。再加上容器接管处的三维应力分析也比较复 杂。鉴于这些原因，目前容器的疲劳设计的一些规范，如美国的a s m e 锅炉和受压 容器规范和英国标准b s 5 5 0 0 ，都是在光滑试样的疲劳寿命基础上考虑一定的安全系 数。并且前者的规范所采用的设计曲线是根据母材的数据得到的，而b s 5 5 0 0 的设计 曲线是根据对接焊缝试样得到的。 这种直接通过标准试验结果，并依照经验性的当量原则或修正办法，来对实际情 况的疲劳指标( 主要是寿命和强度) 进行估算，实质上就是试验与统计相结合的分析 方法。这种方法通常先要对实际结构的疲劳危险部位，按无缺陷材料进行应力或应变 分析( 如名义应力法、局部应力应变法等) ，然后将其结果经过多种统计修正，如引 入有效应力几种系数、尺寸系数、表面加工系数等，并进一步与已知的标准试验结果， 如光滑试样的s n 曲线或e n 曲线建立当量关系，从而就可以得到所需的寿命。对 于复杂载荷谱，还要依据某种经验性的累积损伤理论( 如线性累积损伤理论及其修正 模型) 来进行寿命估算。 实际上，即使在环境、工艺等状况保持不变的前提下，我们也很难通过有限的修 正，在实际危险部位与标准试件的应力、应变史之间建立严格且普遍成立的当量关系。 如果仍从完备前述各种修正的角度出发，则势必要针对千差万别的实际情况进行大量 的统计试验，而这又往往是不现实的。 如何有效地降低疲劳分析对于大量试验的依赖性，并且减少处理方法的经验性成 分，以及获得关于任意疲劳失效过程区内的不断变化着的应力、应变及材料刚度等的 细节描述，从而对疲劳现象的理解上升到力学的高度，显然传统的疲劳分析模式没有 办法提供满意的答案，而近年来蓬勃发展的连续介质损伤力学，为这项工作提供了极 富有潜力的思想框架j 。 4 第一章绪论 1 3 损伤力学理论及其在疲劳寿命评估中的应用 损伤力学是国际力学界在最近几十年才建立起来的一门新的力学学科，全称是连 续损伤力学( c o n t i n u u md a m a g em e c h a n i c s ，缩写简称c d m ) 。损伤力学属于破坏力 学的范畴，是研究物质不可逆的破坏过程的科学。从狭义上理解，可以认为损伤力学 是使用宏观理论来解决微观断裂力学的科学9 1 们。 损伤力学用宏观连续介质力学，来分析细观层次上分布着离散缺陷的材料的力学 行为，其通常步骤为：根据所研究问题的特点，引入损伤内变量，以反映内部缺陷对 材料物理性能的影响；建立损伤材料的本构关系，描述损伤演化规律以及反映各状态 变量之间的关系：损伤力学的计算实现。 应用损伤力学来研究疲劳问题，以精确地估算材料和构件的失效寿命，关键在于 能否找到一个物理意义明确、易于测定的损伤变量来构造表征疲劳损伤程度的损伤函 数，从而建立精确的演化方程和寿命公式。损伤的工程定量分析是需要对损伤参量的 科学定义和选择( 如参量对损伤的敏感性等) ，以及在实际工程应用中的方便应用和 获得。 一般都是通过对损伤过程中伴随材料损伤发生变化的一些可测参量进行间接测 量。目前工程上采用的损伤测试方法主要有弹性模量测试法、循环塑性响应法、剩余 强度法、延性耗散法、超声波法，电阻法等，还有其他如声发射，氢吸收，x 射线等 方法。表1 1 列出的是法国学者l e m a i t r e 】在1 9 8 7 年提出的认为损伤测量方法对各 种损伤特性的选择。 表1 - 1 损伤测量对不同类型损伤的选择表 当前，国内也有许多学者开始转向寻找合适的宏观参量来表征损伤。程光旭等1 2 定义了一种新的损伤变量，采用疲劳延展性，来定义损伤变量 d ：堕二墅 c f 0 5 第一章绪论 其中，。为材料未经过循环作用时的断裂延性，。为经受n 次循环载荷作用后的断 裂延性。 姜风春等”】用循环塑性应变能作为损伤参量，来建立计及循环相关的非线性疲劳 损伤函数，并得到低周疲劳预测的数学公式。这项研究的出发点是用能量来描述疲劳 的损伤过程，但是由于循环塑性应变能具有循环性，不能准确的描述损伤状态，没有 单调变化的趋势，所以也不是一种理想的损伤参量。 叶笃毅等在研究随机疲劳寿命估算中的损伤模型的基础1 1 4 】上，认为韧性是一个作 为表征疲劳损伤的合适的力学参量，并建立韧性随疲劳损伤演化的耗散模型i i ”。这个 疲劳损伤参量综合了拉伸强度、断面收缩率和形变硬化指数等参数构造而成的，能比 较全面的反应莫伊疲劳损伤状态下的材料损伤程度。而且可贵的是巧妙地将疲劳韧性 指标转化为静韧性指标，工程实际中只需通过比较原始材料的拉伸静韧性与循环n 次后损伤材料的拉伸静韧性，非常方便，而且作为损伤参量的韧性表现为显著的单调 变化趋势。 研究发现，单纯的以应力或应变作为损伤变量是不能有效地揭示疲劳损伤过程的 实质，而且单纯的变量所构成的疲劳损伤函数也大都没有明确的物理意义，所描述的 事实也不符合实际的疲劳损伤演化进程，预测疲劳寿命的偏差也较大。 本文认为，对于损伤参量的选择，必须首先考虑的因素是与能量有某种联系，因 为作为用能量耗散为思想框架建立起来的损伤力学，其损伤参量也必须与能量有某种 联系，才能真正体现损伤力学建立的最初出发点。本文认为韧性作为损伤参量是一个 不错的选择。 从损伤力学发展现状看，目前相对大部分的工作是关于基本理论的，得到的具体 计算模型较多，但多针对某种或某几种材料，尚无统一的普遍适用的损伤模型。而有 关构件疲劳寿命预估损伤力学计算方法更是很少见到。 张行等【l6 】在损伤力学算法上进行了研究，初步建立了一套便于应用的本构模型与 计算方法，包括对疲劳本构关系的一般讨论与基本模型的建立，疲劳裂纹形成过程的 线弹性损伤、弹塑性损伤分析，裂纹扩展过程的线弹性、弹塑性损伤分析。提出了三 种疲劳裂纹形成寿命预测的方法，并从理论上推导出了损伤力学意义下的线弹性与弹 塑性疲劳裂纹扩展速率公式。同时用损伤力学一有限元一附加力学法，以损伤划分步 长，进行了包括裂纹形成以及裂纹扩展在内的构件疲劳全寿命预测。 由于损伤力学的可观理论价值与应用前景，使得其逐步上升为固体力学的一个新 兴分支，并已成为目前国内、外力学界所关注的一个十分活跃的研究领域。但是即便 如此，它在低周疲劳方面的研究目前还是相对薄弱。 6 第一章绪论 损伤力学应用于低周疲劳的研究，仍有许多难点，现在尚没有公认的合适的伤演 方程用来描述工程材料的损伤特性，尤其是对于低周疲劳的研究。对于加载顺序，平 均应力等对低周疲劳寿命产生影响的因素，损伤力学的研究都还没有涉及到。而且对 损伤力学所作的研究仍停留在工程材料上的研究，现仍未见到有应用到工程实际构件 上的。 1 4 国内外疲劳寿命分析软件发展概况 根据目前所掌握的资料来看，国内洛阳矿山机械工程设计研究院拥有“机械强度 有限寿命设计专家工作站”p7 ，西北工业大学有用于飞行器设计的疲劳分析软件。国 外有n c o d e 软件公司和德国c a e s a r 计算机辅助机械工程技术公司 1 8 1 。 1 机械强度有限寿命设计专家工作站 在1 9 8 7 年，洛阳矿山机械工程设计研究院( 简称洛院) 组装了一台融合了德、 英、法等国7 个公司的电子产品为一体的c a t 与c a d 技术为特征的非标准“专家工 作站”。系统以p c m ( p u l s ec o d em o d u l a t i o n ) 多通道数字数据采集系统和小型机为 核心设备，实现无线电数字信号跟踪遥测动载荷信号，并传输到计算机进行在线实时 分析。 工作站有车载式工作站和便携式工作站两种系统。车载式工作站软件系统配有六 个大型软件包，包括数据采集软件包：可编程交互分析软件；信号分析软件；计数分 级软件；疲劳强度分析软件；图形软件包以及可选的结构有限元分析软件i - d e a s 。 便携式工作站软件系统c a s e a r ( 恺撒) ，其应用软件名称为r e m u s ，包括四 个大型软件包：数据采集：数据分析：数据显示；疲劳分析软件n c o d e 。 2 疲劳分析设计试验管理系统n c o d e 软件 n c o d e 软件是n c o d e 国际有限公司发展的一套完整的疲劳分析系统。该系统专门 为解决工程系统的疲劳问题而设计，主要是数据分析、数据显示、疲劳分析软件以及 其他一些专门软件组成。分别是核心模块n s o f l - - e ，n s o f l - - e 扩充模块，疲劳分析模 块f a t i m a s ，疲劳实验室的数据分析系统t e s t l a b ，项目相关模块，n c o d e 数据采集 系统。我国的洛院在十几项国家重大技术装备科研攻关中，使用n c o d e 的疲劳分析系 统成功地解决了许多重要设备的疲劳失效问题。 3 基于有限元的疲劳设计分析系统m s f a t i g u e 它是一个通用性很强的基于有限元分析结果的疲劳分析设计工具，可灵活地用来 预估各种复杂零件和结构的疲劳寿命。与基于试验的传统方法相比，有限元疲劳计算 能够提供零部件表面的疲劳寿命分布图，可以在设计阶段判断零部件的疲劳寿命薄弱 7 第一章绪论 位置，通过修改设计可以预先避免不合理的寿命分布，因此它能够减少试验样机的数 量，缩短产品的开发周期，提高市场竞争力。 m s 汀i g u e 通过有限元分析前后处理器m s p a t r a n 能和许多知名的商用有限 元分析软件连接，如a n s y s ，m s c n a s t r a n 等。然后提供给m s c f a t i g u e 做疲 劳分析，疲劳分析结构可以通过p a t r a n 进行显示。 4 飞机结构的可靠数据库 主要收集了国内外航空界常用的近百种试件、原件、结构件等的疲劳、断裂及其 它与疲劳可靠性相关的数据、曲线、图形，并提供了相应的数据处理方法。 以上软件基本上都配有丰富的应力强度因子和应力集中因子数据库，包括一些表 面裂纹和埋藏裂纹，丰富的裂纹扩展速率、材料性能曲线，丰富的损伤模型，对载荷 信号进行时间顺序雨流计数法。 结合锅炉压力容器设计理论和应用研究经验，参考国内外相关的设计标准规范， 将疲劳分析和断裂力学结合，发展一套较为完善的、适用于锅炉压力容器疲劳寿命评 估的疲劳分析系统。本系统集成现代疲劳理论、数据分析处理和最新的锅炉压力容器 设计标准规范以及计算机技术于一体，为工程界尤其是压力容器界提供方便的抗疲劳 设计工具。 1 5 论文主要工作和本文的结构 在上文部分主要是介绍了本课题的工程背景，明确指出锅炉压力容器、压力管道 的疲劳( 主要是低周疲劳) 寿命预估研究是一项迫切而又非常有意义的工作。在简单 的回顾了疲劳的发展历史以及低周疲劳的基本概念后，分别介绍了广泛意义上的抗疲 劳设计的几种常规方法和锅炉疲劳寿命预估的国内外通用预测方法。然后引入损伤力 学，评述损伤力学在疲劳寿命预估中的应用，最后对国内外的疲劳寿命分析软件进行 总结评述，指出本文的工作重点。 第二章以锅炉用钢b h w - 3 5 及其焊缝材料为研究对象，在b h w - 3 5 钢焊缝材料 疲劳试验数据的基础上，通过统计分析等数学处理方法，得到b h w - 3 5 特定材料的概 率疲劳寿命曲线。按照a s m e 、b s 5 5 0 0 规范所提供的处理方法，得到该钢焊缝材料 的疲劳设计曲线，并与a s m e 、b s 5 5 0 0 规范等提供曲线进行比较，为我国调峰机组 锅炉汽包疲劳设计提供依据。 第三章主要对b h w - 3 5 钢焊缝材料表面裂纹进行了扩展试验，以发现表面裂纹的 扩展规律，尤其是探寻表面裂纹深度方向和宽度方向各自的扩展规律，以及表面裂纹 与穿透裂纹的疲劳扩展的比较。 第四章对4 1 0 t h 锅炉集中下降管与汽包交接部位( 平齐接管) 局部应力集中指 8 章绪论 数的分析研究，探讨实际的纵向切面内壁拐角点处和横向切面外拐角点处应力集中指 数与美国a s m e 规范给定的值的差距，并对模拟汽包进行疲劳寿命试验研究。 第五章本文在前面二、三、四各章研究的基础上，建立一套完整的分析锅炉承压 部件( 汽包) 的低周疲劳裂纹形成寿命和裂纹扩展寿命的计算方法。 第六章主要讨论压力管道的弯头部分的应力计算模型，利用叠加模型，在不考虑 端部影响效应的前提下，建立椭圆截面变厚度弯管的应力计算公式，并借助自行设计 弯管进行实验验证。通过对弯管的低周疲劳研究得到压力管道的低周疲劳寿命计算方 法。 第七章在综述各种损伤力学耗散势模型基础上，尝试提出一种耗散势，选择弹性 模量下降法来测量低周疲劳损伤，对损伤力学应用到锅炉汽包的寿命预测研究做了有 益的探索。 第八章介绍了当前的国内外疲劳寿命分析软件，结合锅炉压力容器设计理论和应 用研究经验，参考国内外相关的设计标准规范，将疲劳分析和断裂力学结合，以 w i n d o w sn t 、v i s u a lc + + 开发环境，发展一套适用于锅炉汽包的疲劳寿命评估的疲劳 分析系统，希望能为工程提供一种抗疲劳分析的软件工具。 最后，第九章总结全文的研究情况，提出以后工作的展望和建议。 9 第二章b h w - 3 5 钢焊缝材料的低周疲劳行为研究和疲劳 寿命分布特性的统计分析 目前锅炉承压部件及压力容器的疲劳设计，如美国的“a s m e 锅炉及压力容器规 范( b o i l e r & p r e s s u r ev e s s e lc o d e ) i l l ”和英国标准b s 5 5 0 0 “非直接火焊制压力容器 规范”【2 j 都是在光滑试样的疲劳寿命基础上考虑一定的安全系数来进行的。详而言之， a s m e 规范考虑了数据的分散性、尺寸因素和表面光洁度等因素，取应力安全系数为 2 ，寿命安全系数为2 0 ，但是a s m e 的疲劳设计曲线是在不考虑环境介质有明显影响 的情况下建立的。b s 5 5 0 0 的设计方法基本上与a s m e 规范规定的方法相似，设计曲 线取寿命安全系数为1 5 ，应力安全系数为2 2 。两者的不同之处在于a s m e 的设计曲 线是根据母材的数据得到，而b s 5 5 0 0 的设计曲线是根据对接焊缝试样的试验数据得 到的。 美国a s m e 规范提供的a s m e 碳钢、低合金钢和高强度钢的疲劳设计曲线，以 及英国b s 5 5 0 0 标准提供的带有焊缝的钢制压力容器的疲劳设计曲线，这些设计曲线 是根据许多材料的数据绘成的。使用这些曲线对于4 1 0 t h 锅炉汽包用b h w - - 3 5 钢 这一特定材料是否合适，有没有差距，差距有多大等问题，就需要进一步通过测定 b h w - - 3 5 钢的应变疲劳性能的测试才能获得答案。测试结果为该种锅炉汽包的疲劳 寿命分析提供可靠的实际依据。 2 1 实验材料 用上海锅炉厂提供的带真实焊缝的汽包母板( 厚度9 2 m m ) 制备应变疲劳试件， 母板材料是德国进口b h w - 3 5 钢，相当于国内的1 3 m n n i m 0 5 4 钢。上海锅炉厂曾对 其进行化学成分分析，分析结果见表2 1 ，表明钢板化学成分比较稳定，波动范围小。 实验用焊缝材料是埋弧自动焊焊接接头，所用的焊丝和焊剂是h 0 8 m n m o a - q - 3 5 0 。试 验所用的焊缝钢板是上海锅炉厂按与汽包制造过程相同的焊接工业和热处理工艺的 制造的试板。表2 - 2 、2 3 分别给出了母材主要机械性能和焊缝材料机械性能的实测 结果。 0 第二章b h w - 3 5 钢焊缝材料的低周疲劳行为研究和疲劳寿命分布特性的统计分析 表2 - 2b h w - 3 5 钢母材的主要机械性能 表2 - 3b h w - 3 5 钢焊缝的实测机械性能 试件号123456平均值 屈服强度盯，( m p a ) 4 6 64 5 9 4 5 54 6 1一一4 6 1 抗拉强度巩( m p a ) 5 9 25 9 96 0 06 0 96 1 26 1 96 0 5 流动应力盯，( m p a ) 1 7 8 31 7 5 11 8 6 41 8 7 7一一1 8 1 9 延伸率j ( ) 1 6 31 7 7 1 6 01 6 0一一1 6 5 断面收缩率( ) 6 6 86 5 96 7 8 6 7 67 2 16 8 56 8 1 弹性模量e ( 1 0 5 m p a ) 2 0 32 1 32 0 8 2 0 9一一2 0 9 2 2 试样与疲劳试验 2 2 1 试件取样、设计与加工 1 试件取样 母材的取样是沿着横向方向，即制成简体后的周向。母材钢板的厚度为9 2 r a m 。 沿着厚度方向可以锯得四种不同位置的试样。 焊缝的形式为对接焊，试样的取样是 沿着垂直于焊道方向取样。带焊缝钢板 的厚度也是约9 2 m m 。图2 1 所示截面垂 直于焊道，沿厚度方向得到四个试样， 分别用1 ，2 ，3 和4 表示。取样部位1 为封底焊部位，沿着2 3 4 的方向，焊缝 的宽度逐渐加大，取样部位4 处焊缝最 图2 - 1 对接焊试件取样图 宽。应变疲劳焊缝试样中间均匀的工作段长3 9 m m ，工作段以焊缝的其中一条熔合线 为中心，使焊肉和粗晶热影响区都进入试件的有效工作段。 2 试样设计 般而言，疲劳试样可以是板试样，也可以是圆棒形试样。尽管平板试样更接近 于实际情况，但是平板试样不容易保证稳定性( 抗弯曲变形能力) ，所以一般都采用 圆棒形试样。圆棒形试样有两种形式：均匀截面试样和变径试样。采用均匀截面试样 需要测量纵向位移的引伸计，而对变径试样的优点是稳定性较好，而且能使裂纹产生 第二章b h w - 3 5 钢焊缝材料的低周疲劳行为研究和疲劳寿命分布特性的统计分析 在截面最小处。从尺寸效应方面来考虑的话，采用均匀截面试样更为合适。现有的引 伸计只能测量纵向位移，所以采用均匀截面试样是合适的。 试样工作段的直径主要取决于引伸计的选取、试样的稳定性和试验机的吨位。现 有的引伸计标距规格有1 2 5 m m ，2 5 m m 和5 0 r a m ，应该选用较大的引伸计标距以提 高试验精度，但同时又不至于使试样直径过大和过长。综合以上两个因素，选用标距 为2 5 r a m 的引伸计比较合适。 图2 - 2 母材试样的设计图 设试样工作段直径为d ，为保证试样的稳定性，一般工作段长为( 2 3 ) d ，本 文取为2 7 d ；引伸计刀口离圆角处一般不应小于d 2 ，引伸计标距选用2 5 m m ，则d 可大致确定为2 7 d 一2 ( 1 2 ) d = 2 5 ，计算得到d = 1 4 7 r a m 。对于母材试样，可以d 取1 4 m m 。 为了避免在夹持部位发生断裂，夹持端的截面积应取为中间均匀段截面积的三倍 以上，夹持端直径d , i 4 2 x3 = 2 4 2 。取d = 2 4 r a m 。 轴肩过渡圆角的选择既要照顾到试样的稳定性，也要考虑应力集中对寿命的影响 特别当塑性应变较小的情形。圆角半径r 取4 d 左右，r = - 4 d = 4 x1 4 = 5 6 m m ，本文 则取r = 6 0 m m 。 在试验过程中发现，当应变量为i 时，若夹头钳口规格为1 4 2 4 m m ，试样的 稳定性良好，若夹头钳口规格为2 3 3 3 m m ，试样有弯曲效应。这可能与试验机和试 样的细长比有关。最后试验结果表明，塑性应变幅和寿命在双对数坐标上显示照好的 线性，说明由于弯曲引起的误差比较小。 焊缝试样的尺寸略小一点，中间均匀段直径d = 1 3 r a m ，夹持部分直径d = 2 2 r a m ， 过渡圆角半径r = 5 0 m m ，两轴肩的距离( 包括圆角部分) ，= 8 0 m m ，中间均匀段长 3 8 5 4 m m ，试样总长l = 1 9 4 r a m 。试样的公差和精度同于母材试样。 3 试样加工 为了使试样达到所需的光洁度，试样精车后还要逐级打磨。先在车床上进行环向 第二章b h w - 3 5 钢焊缝材料的低周疲劳行为研究和疲劳寿命分布特性的统计分析 打磨，再进行纵向打磨，以消除环向痕迹。环向打磨时，逐次用o o ，3 o 茸，4 0 4 ，5 0 4 砂纸打磨，打磨深度为o 0 3 m m 左右。纵向打磨时也是按这个顺序a 同时要求，试样园角处光滑过渡，不能有发生切入现象，任意两轴