摘 "要""基于ASME BPVC.Ⅷ.2-2019標(biāo)準(zhǔn)的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力方法，采用ABAQUS軟件預(yù)測某槽式光熱裝置低溫熔鹽罐加熱器套管的接管焊縫疲勞壽命。根據(jù)低溫熔鹽罐液位晝夜變化，采用雨流計(jì)數(shù)法確定6種典型疲勞工況和載荷，建立加熱器套管接管焊縫結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析模型，利用ABAQUS軟件模擬最大載荷下接管焊縫的應(yīng)力分布，采用FE-safe模塊計(jì)算接管焊縫6種載荷的疲勞壽命，基于Miner線性損傷累積理論預(yù)測多工況耦合作用下的疲勞壽命。結(jié)果表明，焊趾處的應(yīng)力可以通過應(yīng)力評定，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；最苛刻工況（工況1）下焊趾疲勞壽命為10 964次，最先失效位置在焊趾右上（q≈40°）位置；各工況耦合作用下接管焊縫的疲勞壽命為64年。

關(guān)鍵詞""熔鹽罐 "接管焊縫 "等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力 "疲勞壽命 "有限元

DOI：10.20031/j.cnki.0254-6094.202406012

中圖分類號""TQ053.2""""""""""""""""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼 "A""""""""""""""""""文章編號 nbsp;0254-6094（2024）06-0000-00

光熱發(fā)電技術(shù)是通過儲存、利用太陽熱能實(shí)現(xiàn)發(fā)電的一種技術(shù)，熔鹽罐是其核心的儲熱設(shè)備[1，2]。熔鹽罐在實(shí)際晝夜運(yùn)行中，由于內(nèi)部熔鹽液位會發(fā)生周期性變化[3]，因此容易在焊縫、缺陷等結(jié)構(gòu)不連續(xù)處出現(xiàn)疲勞、開裂等現(xiàn)象，影響裝置的連續(xù)運(yùn)行。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對大型儲罐的疲勞問題開展了大量研究。YANG G H等基于Paris理論，針對鋼材建立了一種新的疲勞裂紋與疲勞剩余壽命的關(guān)系模型，并預(yù)測了大型儲罐的疲勞剩余壽命，為大型儲罐疲勞壽命預(yù)測提供了新方法[4]。梁建峰和保德順分析了制氧系統(tǒng)氧氣緩沖罐罐體疲勞開裂的原因，基于疲勞強(qiáng)度評定結(jié)果提出了管口增強(qiáng)的維修方案[5]。KIM T等通過疲勞實(shí)驗(yàn)測試分析，研究了LNG燃料儲罐焊接頭的疲勞和斷裂性能，為LNG燃料儲罐結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)支撐[6]。LEE D等采用數(shù)值分析方法對高度為40英尺的LNG儲罐進(jìn)行了疲勞分析，并預(yù)測了其疲勞壽命[7]。李巖應(yīng)用有限元方法研究了污水處理廠反應(yīng)罐的應(yīng)力分布和危險(xiǎn)點(diǎn)，基于第三強(qiáng)度理論評定了最危險(xiǎn)點(diǎn)接管邊緣的疲勞強(qiáng)度[8]。姚澄曦采用第三強(qiáng)度理論評價(jià)了儲氫罐的疲勞強(qiáng)度，指出最危險(xiǎn)點(diǎn)處于接管和罐壁的連接位置，并基于Miner線性損傷累積理論預(yù)測了儲氫罐的疲勞壽命[9]。劉慶江應(yīng)用ANSYS軟件預(yù)測了某物料儲罐的峰值應(yīng)力和疲勞強(qiáng)度，分析了罐體疲勞斷裂的敏感位置和原因，并給出了改善疲勞的方法[10]。劉旭應(yīng)用ANSYS軟件模擬了往復(fù)壓縮機(jī)高壓緩沖罐的變形和殼體應(yīng)力，同時(shí)預(yù)測了殼體最大應(yīng)力位置的疲勞壽命[11]。韓紹欽研究了交變載荷下含缺陷壓力容器結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，利用ANSYS軟件獲得了不同裂紋參數(shù)下的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子，并基于這些因子預(yù)測了罐體的疲勞壽命，為壓力容器安全性準(zhǔn)確評定提供了依據(jù)[12]。岳國暢和于雁云建立了船用LNG儲罐動(dòng)載工況下的數(shù)值分析模型，并基于Miner線性損傷累積理論計(jì)算了罐體的疲勞壽命和累計(jì)損傷值[13]。邊鑫等應(yīng)用ABAQUS FE-safe軟件模塊，基于等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力，對超大型LNG儲罐的角焊縫進(jìn)行了低溫（-196 ℃）工況下的應(yīng)力評定和疲勞壽命預(yù)測，為LNG儲罐的工程設(shè)計(jì)提供了依據(jù)[14]。

然而現(xiàn)有研究主要集中在低溫（-196 ℃）和常溫下的儲罐疲勞問題，對于光熱裝置熔鹽罐在高溫下的服役及其疲勞問題的研究卻不充分?；诿x應(yīng)力、熱點(diǎn)應(yīng)力法和基于等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法是兩種常用的焊接結(jié)構(gòu)疲勞評估方法。英國的BS7608 2015鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)與評估標(biāo)準(zhǔn)采用的是前者，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定碳鋼最高適用溫度不超過150 ℃；美國的ASME BPVC.Ⅷ.2-2019標(biāo)準(zhǔn)[15]采用的是后者，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定碳鋼最高適用溫度不超過371 ℃。光熱裝置低溫熔鹽罐的材料一般為碳鋼（如Q345、SA516Gr.70N），服役溫度在220～290 ℃之間，因此可以采用基于等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法來開展低溫熔鹽罐的疲勞分析。熔鹽罐加熱器套管與罐體連接的接管連接角焊縫是高應(yīng)力集中區(qū)域之一[16]，開裂敏感性相對較高。為此，筆者基于ASME BPVC.Ⅷ.2-2019標(biāo)準(zhǔn)，采用等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力方法對某低溫熔鹽罐加熱器套管的接管焊縫進(jìn)行疲勞評定和壽命預(yù)測，研究結(jié)果可為光熱裝置熔鹽罐智能運(yùn)維和長期不停機(jī)運(yùn)行提供技術(shù)支持。

1 "基于等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法的焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測方法

熔鹽罐的接管焊縫是典型的角焊縫結(jié)構(gòu)。焊縫處的應(yīng)力具有高度的非線性，難以求出理論數(shù)值解，但可以將其分解（圖1）[17]：設(shè)y方向上的結(jié)構(gòu)應(yīng)力為；z方向上的切應(yīng)力為；焊根處局部塑性變形引起的y方向上的集中應(yīng)力，該集中應(yīng)力處于自平衡的狀態(tài)，也稱為缺口應(yīng)力。其中，只有結(jié)構(gòu)應(yīng)力需要與外力相平衡[18]。

結(jié)構(gòu)應(yīng)力是彎曲應(yīng)力與膜應(yīng)力之和[15]：

其中，t為焊接結(jié)構(gòu)的平板板厚，fy為y方向上的力矩，mx為x方向上的彎矩。

在應(yīng)力循環(huán)中，若彎曲應(yīng)力和膜應(yīng)力的變化幅值為和，則結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化幅值為，考慮缺口應(yīng)力非線性作用的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化幅值為[15]：

其中，是結(jié)構(gòu)應(yīng)力有效厚度，當(dāng)，當(dāng)=3.6；是平均應(yīng)力修正系數(shù)，，是結(jié)構(gòu)應(yīng)力幅值的峰值和谷值；是形狀系數(shù)；。

當(dāng)單軸加載導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)多軸應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，剪切應(yīng)力t不可忽略，考慮剪切應(yīng)力的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化幅值計(jì)算式為[15]：

此時(shí)，系數(shù)=5.0；是考慮剪切應(yīng)力的形狀系數(shù)；是考慮剪切應(yīng)力的修正系數(shù)，Dtb是切向彎曲應(yīng)力，Dtm是切向膜應(yīng)力；Ds是法向結(jié)構(gòu)應(yīng)力幅值，Dt是切向結(jié)構(gòu)應(yīng)力幅值。

通過數(shù)值計(jì)算可以得到焊接結(jié)構(gòu)循環(huán)壽命N：

若考慮現(xiàn)場環(huán)境和疲勞改善方法的影響，則焊接結(jié)構(gòu)循環(huán)壽命修正為：

其中，是改善疲勞方法因子，其值與實(shí)際結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化量和焊接結(jié)構(gòu)形式有關(guān)；是環(huán)境修正因子；是材料和溫度修正因子；是轉(zhuǎn)換因子，當(dāng)應(yīng)力以ksi為單位時(shí)，，當(dāng)應(yīng)力以MPa為單位時(shí)，；是常溫下的彈性模量；是服役溫度下的彈性模量；C和h為焊接接頭疲勞曲線系數(shù)，代表不同存活率下的S-N曲線，取值見表1[15]。

疲勞壽命與應(yīng)力循環(huán)水平相關(guān)，而在工程中，焊縫結(jié)構(gòu)的載荷水平是波動(dòng)的，根據(jù)Miner線性損傷累積理論，各應(yīng)力水平下的疲勞損傷是獨(dú)立的，總疲勞損傷D是各水平下?lián)p傷Di的線性累積，即：

其中，k為總應(yīng)力循環(huán)水平數(shù)；Ni為第i應(yīng)力循環(huán)水平下的理論壽命，由式（7）決定；ni為第i應(yīng)力循環(huán)水平下已經(jīng)經(jīng)歷的循環(huán)。

此時(shí)，疲勞壽命Nf為：

2 "熔鹽罐接管焊縫疲勞壽命預(yù)測

以某槽式光熱裝置低溫熔鹽罐加熱器套管的接管焊縫為研究對象，使用大型非線性有限元軟件ABAQUS建立接管焊縫的實(shí)體模型和網(wǎng)格模型，根據(jù)運(yùn)行工況獲得典型載荷，基于ASME規(guī)范對接管焊縫進(jìn)行應(yīng)力評定，并使用疲勞壽命分析軟件FE-safe計(jì)算等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力，預(yù)測焊接結(jié)構(gòu)的破壞位置及多工況下的疲勞壽命。

2.1""熔鹽罐結(jié)構(gòu)

某光熱裝置的低溫熔鹽罐是帶有圓頂?shù)拇怪眻A柱形儲熱罐，主要由熔鹽罐罐頂、罐壁、底板及電加熱器套管等結(jié)構(gòu)組成，如圖2所示。電加熱器插入套管中，套管與筒體的焊縫是接管焊縫。

熔鹽罐各結(jié)構(gòu)尺寸及材料屬性如下：

筒體高度""14 m

筒體直徑""42 m

筒體壁厚""44 mm

服役溫度""290"℃

焊縫寬度 "15 mm

焊縫高度 "12 mm

加熱器接管直徑f""300 mm

加熱器接管厚度""12 mm

Q345彈性模量（290"℃） "194.2 GPa

Q345屈服強(qiáng)度/抗拉強(qiáng)度（290"℃） "262.0 MPa/414.0 MPa

該槽式光熱裝置采用雙罐熔鹽蓄熱系統(tǒng)，在運(yùn)行過程中，冷鹽泵將低溫熔鹽罐內(nèi)的熔鹽送至槽式吸熱器進(jìn)行吸熱，吸熱后的高溫熔鹽流向高溫熔鹽罐中進(jìn)行存儲，之后再由熱鹽泵將高溫熔鹽送至蒸汽發(fā)生系統(tǒng)進(jìn)行做功，最后溫度降低的熔鹽流入低溫熔鹽罐。在晝夜運(yùn)行中，低溫熔鹽罐的液位由于天氣條件和做功需求會發(fā)生波動(dòng)，使得接管焊縫承受周期性的交變載荷而發(fā)生疲勞開裂。

2.2""熔鹽罐接管焊縫疲勞數(shù)值模擬

2.2.1""熔鹽罐接管焊縫結(jié)構(gòu)

熔鹽罐筒體半徑遠(yuǎn)大于筒體厚度和接管直徑，加熱器套管的接管焊縫近似于無限大平板上的接管焊縫。在使用ABAQUS軟件分析接管焊縫疲勞壽命時(shí)，可以先對接管焊縫結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，以便提高計(jì)算效率。建立的接管焊縫幾何實(shí)體結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示，焊縫高度d為12 mm，寬度為15 mm；為了使模型更符合實(shí)際情況，減小由大變形引起的誤差，平板寬度和接管長度均取接管直徑的兩倍，即600 mm，平板長度取1 500 mm。

對接管焊縫幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行網(wǎng)格敏感性分析。分別選取2、3、4、5、6、8、10 mm的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選取8節(jié)點(diǎn)線性六面體單元（C3D8R）為計(jì)算單元，并開展應(yīng)力計(jì)算，比較不同網(wǎng)格尺寸某固定點(diǎn)的應(yīng)力變化，結(jié)果如圖4所示。可以看出，選用6 mm網(wǎng)格尺寸進(jìn)行網(wǎng)格剖分，可以在計(jì)算精度和效率上取得較好的平衡。接管焊縫模型整體和局部（焊縫）的網(wǎng)格劃分如圖5所示，共劃分了123 291個(gè)單元。

2.2.2""邊界條件

根據(jù)現(xiàn)場工況對接管焊縫設(shè)置環(huán)向和軸向的應(yīng)力載荷?？紤]熔鹽罐自身重力，接管焊縫結(jié)構(gòu)需承受其上部的重力載荷。根據(jù)穹頂和筒體的自重估算得到重力載荷=0.7 MPa，并施加到軸向方向上（即平板寬度方向），環(huán)向應(yīng)力則根據(jù)熔鹽液位進(jìn)行計(jì)算，即，其中ρ為鹽溶液密度，取值1 930 kg/m3，h為鹽溶液中心距液面的高度，g為重力加速度，Dm為熔鹽罐直徑。在模型建立中，平板、接管和焊縫三者是合并的實(shí)體結(jié)構(gòu)，三者無相對運(yùn)動(dòng)。

2.2.3""載荷工況

低溫熔鹽罐設(shè)計(jì)最高液位14 m，設(shè)計(jì)最低液位1 m。由于天氣條件和發(fā)電需求存在隨機(jī)性，低溫熔鹽罐的液位也會發(fā)生隨機(jī)性波動(dòng)。接管焊縫在熔鹽罐最低液位下，其溫度接近罐內(nèi)鹽溶液的溫度。低溫罐外敷設(shè)了良好的保溫結(jié)構(gòu)，符合設(shè)計(jì)要求時(shí)，晝夜交替中鹽溶液溫度變化不超過1 ℃。因此，連續(xù)運(yùn)行下接管焊縫的溫度可以認(rèn)為是290 ℃恒溫，故接管焊縫承受恒定高溫下的疲勞載荷作用。

對低溫熔鹽罐液位進(jìn)行分析，其中2023年3月份的液位變化如圖6所示。可以看出，鹽溶液液位波動(dòng)存在一定的隨機(jī)性。根據(jù)雨流計(jì)數(shù)法并忽略液位變化幅值較小的工況，共獲得了6種典型疲勞載荷工況，統(tǒng)計(jì)各載荷水平下的分布頻率，列于表2。

計(jì)算與液位變化對應(yīng)的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力幅值，作為后續(xù)疲勞分析和評價(jià)的依據(jù)。

2.2.4""應(yīng)力分布及評定

對熔鹽罐設(shè)計(jì)最高液位（H=14 m）下接管焊縫的應(yīng)力進(jìn)行模擬分析，結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯觯庸芎缚p集中應(yīng)力分布整體呈現(xiàn)“X形”分布[19]。最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在焊趾上部以及與其對稱的位置，為264.5 MPa；最小Mises應(yīng)力出現(xiàn)在接管焊縫水平方向位置。環(huán)向拉伸使得接管焊縫上下部分圓弧的拉應(yīng)力受到集中效應(yīng)的影響而顯著升高，這也是焊縫破壞的敏感區(qū)域。

焊趾位置是接管焊縫最危險(xiǎn)的區(qū)域，SUSMEL L和TOVO R的研究結(jié)果表明，帶有角焊縫管的鋼板在拉伸載荷作用下，焊趾位置會產(chǎn)生多軸應(yīng)力[20]。此時(shí)，需采用ASME標(biāo)準(zhǔn)中多軸應(yīng)力評定方法評價(jià)接管焊縫焊趾位置的應(yīng)力，即[15]：

其中，Sy為材料（Q345）在服役溫度下的許用應(yīng)力，在290 ℃下Sy=136 MPa[21]；tm表示切向應(yīng)力膜應(yīng)力分量，tb表示切向應(yīng)力彎曲應(yīng)力分量，σm表示法向應(yīng)力膜應(yīng)力分量，σb表示法向應(yīng)力彎曲應(yīng)力分量。最高液位下接管焊縫焊趾處的法向和切向膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力見表3?？梢钥闯?，焊趾應(yīng)力滿足強(qiáng)度要求，說明在最大靜載荷工況下熔鹽罐可以安全運(yùn)行。

2.3""熔鹽罐接管焊縫疲勞壽命分析

采用FE-safe模塊對6種工況下的疲勞壽命進(jìn)行分析，獲得對應(yīng)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，再根據(jù)式（4）計(jì)算出等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力，計(jì)算中fM=0.95、Rb=0.99。以工況1為例，圖8是接管焊縫焊趾區(qū)域各單元的疲勞壽命分布云圖，其中紅色區(qū)域?yàn)榻Y(jié)構(gòu)壽命最短的區(qū)域，即最早發(fā)生破壞的位置，出現(xiàn)在焊趾右上及與其對稱的位置，疲勞壽命僅為104.04=10964次。

圖9是接管焊縫焊趾位置在第一象限內(nèi)的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，可以看出，在q≈40°的位置等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力值最大，這表明接管焊縫會優(yōu)先在這個(gè)位置破壞，故此處疲勞壽命最短。熔鹽罐接管焊縫除了受到環(huán)向應(yīng)力外，還會受到自身重力以及其他約束力的作用，這些力均會使得破壞位置略有偏移。

同理，對接管焊縫其他5種工況的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力和疲勞壽命進(jìn)行計(jì)算，所有結(jié)果列于表4，各載荷水平下的疲勞壽命分析結(jié)果如圖10所示。可以看出，在工況1～6下低溫熔鹽罐接管焊縫的疲勞壽命均分布在主S-N曲線99%概率區(qū)間內(nèi)（-3s），均滿足ASME標(biāo)準(zhǔn)要求。

根據(jù)表4中各載荷水平下的疲勞壽命可以得到Di，再由式（10）計(jì)算對應(yīng)的總疲勞損傷D，結(jié)果列于表5。接管焊縫的疲勞壽命Nf=1/D=1/0.0013=773月≈64年＞30年，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 "結(jié)論

3.1""最高液位（H=14 m）下，低溫熔鹽罐接管焊縫結(jié)構(gòu)處的集中應(yīng)力分布呈“X形”，最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在焊趾上部以及與其對稱的位置，最大Mises應(yīng)力值為264.5 MPa?；贏SME BPVC.Ⅷ.2-2019標(biāo)準(zhǔn)，焊趾處的應(yīng)力通過應(yīng)力評定，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2""分析了低溫熔鹽罐溶液液位波動(dòng)情況，基于雨流計(jì)數(shù)法獲得了6種典型工況，利用FE-safe模塊分析了接管焊縫結(jié)構(gòu)的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力，并計(jì)算了各工況下的疲勞壽命。結(jié)果表明，最苛刻工況（工況1）下焊趾疲勞壽命為10 964次，最先失效位置在焊趾右上（q≈40°）位置。

3.3""應(yīng)用Miner線性損傷累積理論計(jì)算出各工況耦合作用下接管焊縫的疲勞壽命為64年，大于設(shè)計(jì)壽命（30年），滿足設(shè)計(jì)要求。

參 "考 "文 "獻(xiàn)

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（收稿日期：2024-03-07，修回日期：2024-11-01）

基金項(xiàng)目：國家市場監(jiān)督管理總局科技計(jì)劃項(xiàng)目（批準(zhǔn)號：2022MK200）資助的課題；中國特種設(shè)備檢測研究院重點(diǎn)項(xiàng)目（批準(zhǔn)號：2022重點(diǎn)03）資助的課題。

作者簡介：李秀峰（1978-），高級工程師，從事特種設(shè)備安全與運(yùn)維技術(shù)研究工作。

通信作者：胡海軍（1978-），副教授，從事能源裝備服役安全方向的研究，huhaijun@mail.xjtu.edu.cn。

引用本文：李秀峰，俞兵，謝國山，等.光熱裝置熔鹽罐接管焊縫結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測[J].化工機(jī)械，2024，51（6）：000-000.